走航式ADCP船載適裝結(jié)構(gòu)和工藝研究

朱 飛，顧睿峰

(中船重工鵬力(南京)大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司，南京 211153)

0 引 言

走航式聲學(xué)多普勒海流剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)可以在船舶航行過(guò)程中對(duì)其所經(jīng)過(guò)航跡點(diǎn)的水下剖面海流流速、流向進(jìn)行直接、高效、連續(xù)的觀測(cè)，具有不擾動(dòng)流場(chǎng)、測(cè)量歷時(shí)短、測(cè)流范圍大以及可充分利用航渡時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。ADCP可靈活安裝在遠(yuǎn)洋捕撈船、運(yùn)輸船、科考船、各類海洋觀測(cè)浮標(biāo)平臺(tái)上使用，廣泛應(yīng)用于水下平臺(tái)作業(yè)保障、海洋調(diào)查科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域[1]，為海洋動(dòng)力、氣候變化和海洋生物化學(xué)等海洋過(guò)程研究提供不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

船載走航式ADCP測(cè)量技術(shù)比較成熟，但船載安裝工藝缺陷或考慮不周會(huì)導(dǎo)致ADCP船載走航式應(yīng)用中出現(xiàn)諸如浮游物刮擦和碰撞、船舶航行氣泡干擾、水體生物附著[2]或侵蝕、安裝位置和方向錯(cuò)誤等一系列問(wèn)題，從而導(dǎo)致設(shè)備測(cè)量精度、穩(wěn)定性和量程降低，甚至是換能器失效或損毀。因此，科學(xué)合理的船載適裝結(jié)構(gòu)和工藝對(duì)于ADCP效能發(fā)揮至關(guān)重要。

1 ADCP及走航式應(yīng)用

1.1 構(gòu)成

ADCP一般由換能器、信號(hào)處理單元、計(jì)算機(jī)、連接電纜和應(yīng)用軟件等組成[3]，其中換能器安裝在船底，信號(hào)處理單元和計(jì)算機(jī)安裝于船艙內(nèi)，換能器和信號(hào)處理單元之間用專用電纜連接。

測(cè)量矢量流的ADCP一般有多探頭(單波束換能器)組合式換能器和陣列式換能器兩類。本文主要針對(duì)第二類,重點(diǎn)闡述其換能器陣列的船載適裝結(jié)構(gòu)和工藝要領(lǐng)，對(duì)于安裝要求不高或比較容易的信號(hào)處理單元和計(jì)算機(jī)不作贅述。

1.2 工作原理

通過(guò)測(cè)量各分層海水中顆粒物對(duì)聲波的后向散射多普勒頻移，進(jìn)而根據(jù)多普勒頻移方程計(jì)算出徑向剖面流速：

fd=2fs(v/c)cosθ

(1)

式中，fd為多普勒頻移；fs為發(fā)射聲波的頻率；v為海流相對(duì)速度；c為海水聲速；θ為真實(shí)流向與聲波束指向之間的夾角。

一般需要至少3個(gè)聲波束測(cè)量得到的速度分量聯(lián)立方程求解，才能獲得水體深度剖面的真實(shí)流速和流向。

1.3 走航式ADCP

走航式ADCP指ADCP設(shè)備搭載于船舶等運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，隨船舶的航行移動(dòng)開(kāi)展測(cè)量工作，得到的是與位置(經(jīng)度、緯度和水深)、時(shí)間信息相關(guān)的流速、流向物理參數(shù)。

2 走航式ADCP探測(cè)影響因素分析

走航式ADCP海流觀測(cè)是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程，其測(cè)量要素的準(zhǔn)確性涉及許多因素，除了ADCP自身的因素，還包括換能器安裝位置、安裝方式以及校正措施(方法和儀器)等[4]。

2.1 安裝位置影響

ADCP換能器一般安裝在船舶底部，具體安裝位置非常重要，選擇不當(dāng)會(huì)對(duì)設(shè)備正常工作帶來(lái)極大影響，主要有：

(1) 換能器應(yīng)當(dāng)安裝在船舶中前部靠近中軸線的位置，一方面可以保持最大的吃水深度，避免船舶顛簸、海浪沖擊和船底突起物造成的氣泡影響測(cè)量環(huán)境，另一方面也有利于降低加速度等傳感器的校正算法難度，提高校正效果；

(2) 換能器應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離螺旋槳，避免螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)空泡效應(yīng)導(dǎo)致的氣泡影響測(cè)量環(huán)境；

(3) 換能器安裝位置周邊應(yīng)無(wú)突起物，保證每個(gè)波束周圍有 15°的開(kāi)闊角度，避免物體遮擋影響聲波傳播；

(4) 換能器安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離其他聲學(xué)探測(cè)設(shè)備，尤其是與該ADCP工作頻率或諧波頻率相近的設(shè)備，避免設(shè)備之間相互干擾。

2.2 安裝方式影響

陣列式ADCP屬于精密貴重儀器，安裝使用不當(dāng)很容易造成失效或損壞。船載ADCP安裝一般有直接安裝(陣列表面與水體直接接觸)和加透聲板安裝(陣列表面與水體通過(guò)透聲板接觸)兩種方式，直接安裝方式雖然有成本低的優(yōu)點(diǎn)，但其缺陷也很明顯，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

(1) 從儀器安全性角度，換能器陣列表面容易被刮擦和撞擊，一旦損傷就破壞了換能器與水體的聲匹配，嚴(yán)重影響儀器探測(cè)性能，而且很難修復(fù)；

(2) 從儀器長(zhǎng)效性角度，換能器陣列表面必然會(huì)出現(xiàn)生物附著現(xiàn)象，不但難于清理，而且在清理時(shí)易對(duì)陣列表面造成劃痕等損傷，進(jìn)而影響儀器探測(cè)性能；

(3) 從儀器維修性角度，陣列式ADCP不但電路復(fù)雜，而且陣元電路和換能器是一體化的，維修時(shí)必須整體拆卸，需要進(jìn)塢或動(dòng)用蛙人，難度很大。

由此可見(jiàn)，直接安裝方式僅適合短時(shí)間短航程水文調(diào)查作業(yè)，長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)航程業(yè)務(wù)化觀測(cè)宜采用加透聲板安裝方式。

2.3 校正措施影響

ADCP對(duì)水流的測(cè)量是以儀器所處的相對(duì)靜止和確定的角度為參照系，船載ADCP無(wú)法回避船舶航行固有的航速、航向、橫傾(搖)、縱傾(搖)、上下顛簸等因素的嚴(yán)重影響，因此必須利用六軸加速度計(jì)和GPS、羅經(jīng)儀等配合進(jìn)行補(bǔ)償[5]，才能獲得真實(shí)準(zhǔn)確的水流參數(shù)測(cè)量結(jié)果。為此，ADCP的安裝需要統(tǒng)籌考慮校準(zhǔn)儀器是否與ADCP處在同一或相近的參照系，否則會(huì)影響ADCP的測(cè)量精度。

3 船載ADCP安裝結(jié)構(gòu)和工藝

3.1 結(jié)構(gòu)和工藝總體設(shè)計(jì)

船載ADCP優(yōu)先選擇增設(shè)透聲板的安裝結(jié)構(gòu)形式，將換能器安裝在可以平衡水壓的密閉安裝艙內(nèi)，并根據(jù)不同工作頻率選擇相匹配的透聲板，主要由安裝艙、整流罩、水箱、透聲板、安裝井以及必要的密封組件構(gòu)成，如圖1所示。配合使用整流罩的透聲板能有效解決因船只運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的氣泡造成的流噪聲對(duì)換能器的干擾，在間接提升信噪比的同時(shí)很好地平衡了增設(shè)透聲板導(dǎo)致的作用距離變小的缺點(diǎn)，可以獲得更好的數(shù)據(jù)質(zhì)量和量程。

圖1 船載ADCP安裝結(jié)構(gòu)剖視圖

3.2 船體改造設(shè)計(jì)

安裝井、整流罩與船體焊接成一體，透聲板則通過(guò)金屬固定環(huán)與安裝艙法蘭螺栓連接，水箱須設(shè)置高于船體吃水線的位置，并配有與安裝艙相連接的進(jìn)水管和排氣管。

安裝井口一般略大于安裝艙外圓直徑5 mm左右。安裝艙裝入后與安裝井法蘭螺栓連接實(shí)現(xiàn)船體密封，且兩者之間的間隙須填滿密封膠。因此，無(wú)論ADCP安裝艙內(nèi)部是否裝有換能器，均須與船體緊密連接，并定期進(jìn)行密封檢查。

水箱的箱體高度一般須大于船舶最大吃水差，容積宜為安裝艙容積的1.5倍，并在規(guī)定的水壓下進(jìn)行密性試驗(yàn)。

3.3 透聲板設(shè)計(jì)

與其他聲學(xué)探測(cè)儀器設(shè)備類似，ADCP的探測(cè)性能對(duì)于聲噪聲非常敏感。為了達(dá)到最好的性能，須減輕或者濾除流噪聲，因此在ADCP換能器探頭和水體之間增設(shè)透聲板來(lái)隔絕流動(dòng)的水，進(jìn)而避免在換能器表面產(chǎn)生流噪聲。

在安裝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在透聲板與換能器之間留有一定的距離(實(shí)驗(yàn)結(jié)果為6.4 mm～12.7 mm)，以規(guī)避波束反射[6]造成的交叉干擾，同時(shí)還須考慮在換能器安裝艙內(nèi)壁增設(shè)吸聲材料，以降低聲波信號(hào)反射造成的混響。

3.3.1 透聲板厚度設(shè)計(jì)

大量的試驗(yàn)驗(yàn)證表明：基于聚碳酸酯材料的透聲板在抗張強(qiáng)度、耐腐蝕以及在不同頻率下聲波吸收的穩(wěn)定性方面都表現(xiàn)優(yōu)異，但厚度對(duì)聲波信號(hào)的衰減仍影響較大。

圖2～6分別是0.25～3.0 in不同厚度透聲板在不同工作頻率下的單程衰減、雙程衰減和量程損失仿真數(shù)據(jù)結(jié)果?？梢钥闯?，0.375 in厚度的透聲板在不同工作頻率ADCP上的應(yīng)用都表現(xiàn)優(yōu)異，其次為0.75 in厚度。

圖2 30°波束角38 kHz-ADCP的聲信號(hào)衰減

圖3 30°波束角75 kHz-ADCP的聲信號(hào)衰減

圖4 30°波束角150 kHz-ADCP的聲信號(hào)衰減

圖5 20°波束角75 kHz-ADCP的聲信號(hào)衰減

圖6 20°波束角150 kHz-ADCP的聲信號(hào)衰減

3.3.2 透聲板的介入損耗仿真計(jì)算

通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型對(duì)優(yōu)選厚度的透聲板在不同工作頻率ADCP中的介入損耗進(jìn)行了仿真計(jì)算，仿真結(jié)果也基本符合試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果，如圖7～圖11所示。圖中，Uniform Ave.IL指在X軸表示的頻帶范圍內(nèi)的整體平均介入損耗，Weighted Ave.IL指在ADCP頻率帶寬內(nèi)的平均介入損耗，X軸為頻率，Y軸為預(yù)期的介入損耗，線1表示ADCP在最大帶寬下的主波束，線2表示該厚度的透聲板在該頻段范圍內(nèi)的預(yù)期損耗。

圖7 不同厚度透聲板(@0 ℃，38 kHz)在30°波束角介入損耗

圖8 0.375 in厚度透聲板(@0 ℃，75 kHz)不同波束角介入損耗

圖9 0.75 in厚度透聲板(@0 ℃，75 kHz)不同波束角介入損耗

圖10 0.375 in厚度透聲板(@0 ℃，150 kHz)不同波束角介入損耗

圖11 0.75 in厚度透聲板(@0 ℃，150 kHz)不同波束角介入損耗

3.4 安裝艙設(shè)計(jì)

安裝艙由圓柱艙體、水密蓋板、水密管法蘭以及必要的消音和密封組件構(gòu)成，如圖12所示。圖中，圓柱腔體有兩層環(huán)形板，底部環(huán)形板用于安裝透聲板，換能器則通過(guò)減震器安裝在中部環(huán)形板上；艙體內(nèi)壁須安裝阻尼板并粘貼吸聲材料；水密蓋板、水密管法蘭分別用于安裝艙主體及換能器過(guò)線密封，二者對(duì)于船體密封至關(guān)重要，一般還須在過(guò)線處增設(shè)Roxtec密封組件。

圖12 安裝艙結(jié)構(gòu)剖視圖

3.5 實(shí)船應(yīng)用驗(yàn)證

為實(shí)施遠(yuǎn)洋漁船對(duì)太平洋西北部、印度洋中西部等漁區(qū)的海洋氣象水文的志愿觀測(cè)，2020年末至2021年初，多艘遠(yuǎn)洋漁船的走航式ADCP采用本文方案完成了加改裝工作。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的走航觀測(cè)以及休漁期的常規(guī)上塢檢修，實(shí)船應(yīng)用效果良好，未出現(xiàn)設(shè)備故障及觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了ADCP的工作原理和走航應(yīng)用，分析了影響走航式ADCP探測(cè)性能的因素，詳細(xì)闡述了船載安裝結(jié)構(gòu)和工藝，著重探討了透聲板在船載ADCP安裝應(yīng)用中的重要性，經(jīng)仿真、試驗(yàn)和實(shí)踐進(jìn)一步驗(yàn)證了本文相關(guān)船載安裝工藝要點(diǎn)的正確性及有效性，為走航式ADCP船載安裝提供了依據(jù)和參考。