某科考船聲學設備裝船技術研究

余勇林，蔡皓鵬，張 云，肖智烜，劉蘇粵

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715）

1 前言

某科考船的聲學設備，主要作用是通過聲納探測海底的地形地貌、海底深度、位置信息、地質(zhì)構(gòu)造、海流、海底資源、海洋生物種類、種群數(shù)量、海洋地球物理場等，是研究全球海洋生態(tài)系統(tǒng)變化及生物資源可持續(xù)利用的專業(yè)裝備[1]。

科考船上聲學設備的布置位置及安裝工藝，會直接影響聲學設備的測量精度，在設備安裝過程中，需根據(jù)現(xiàn)場實際情況，優(yōu)化安裝方案、工藝，提高聲學設備安裝質(zhì)量。

2 聲學設備配置、接口及布置安裝

不同任務的科考船設備配置，會根據(jù)任務特點進行調(diào)整。某科考船為無限航區(qū)，具有全球航行能力的集多學科、多功能、多技術手段為一體，可實現(xiàn)深海資源探查及多學科研究功能的科考船。該船總長98 m、型寬17 m、設計吃水約5.5 m；配有2 臺電力推進器、1 臺艏部伸縮推；入DP-1 船級符號；主要聲學設備，包括深水多波束測深系統(tǒng)、單波束萬米測深儀、走航式ADCP 系統(tǒng)、多頻聲納探測系統(tǒng)、淺地層剖面儀等。各設備配備以下相應接口：

1）GPS 導航信號：采用NMEA 0183ZDA/GGA/GLL數(shù)據(jù)串，RS232 接口，連接至本船科考差分GPS 接口，最低更新頻率為1 Hz；

2）GPS 時鐘信號：1PPS 脈沖，50-5 規(guī)格同軸電纜BNC 接頭，連接至設備處理單元；

3）姿態(tài)信號：由姿態(tài)傳感器提供，EM3000 格式，RS232 接口至PU，更新率大于50 Hz；

4）羅經(jīng)信號：由本船科考光纖羅經(jīng)提供，NMEA 0183 HDT 格式，更新率大于1 Hz，RS232 接口，連接至設備處理單元；

5）速度信號：由姿態(tài)傳感器提供，通過以太網(wǎng)線傳輸，連接至處理單元，SeaPath/PosMV/Coda 格式，更新率大于50 Hz；

6）聲速：由聲速計Micro SV 提供，通過RS232 接口，連接至設備工作站，更新率大于0.2 Hz；

7）外部同步信號：兼容K-Sync（RJ45 連接到PU），或者TTL 信號（RJ45 接口連接到收發(fā)機）；

8）網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸：本系統(tǒng)HWS 工作站，可將原始數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)口傳輸?shù)酱d網(wǎng)絡中心。

參考科考船接口繁多，各聲學設備圖像輸出接口不統(tǒng)一，顯示器尺寸各異，而且安裝位置也不同。為了達到實用美觀的安裝要求，首先要統(tǒng)一顯示器尺寸；其次在接口方面，要求設備廠家額外再輸出一路視頻DVI 接口。

本船大部分科考聲學設備都布置在聲學實驗室，為方便科考工作人員及時查看實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，將聲學實驗室作為視頻接口輸出艙室，最終將全船所有科考設備共計14 臺顯示器，上下布置在聲學實驗室右舷艙壁上，不僅美觀實用，也便于科考工作人員查看實驗數(shù)據(jù),如圖1 所示。

圖1 聲學試驗室布置圖

3 聲學系統(tǒng)及其換能器安裝工藝

下面介紹本船若干聲學系統(tǒng),包括深水多波束測深系統(tǒng)、單波束萬米測深儀、走航式ADCP 系統(tǒng)、多頻聲納探測系統(tǒng)、淺地層剖面儀的安裝工藝。換能器是聲學設備的信號接收和發(fā)射前端，它所處的位置環(huán)境和安裝方式將直接影響聲學設備的工作性能，各種不同的換能器安裝位置、精度要求不同。

3.1 EA640 單波束萬米測深儀及其換能器

圖2 EA640 換能器安裝示意圖

科考船定點作業(yè)時會受到海洋天氣、洋流方向、浪高等外界環(huán)境因素影響，導致工作效率降低，測量精度下降，甚至影響作業(yè)安全。動力定位系統(tǒng)具有自動定位功能，能夠抵抗外界環(huán)境的影響，可實現(xiàn)科考船高精度定點控位。

單波束測深儀不僅可以測量水深，也可以反映水下設備深度信息，起到輔助監(jiān)控水下設備功能[2]。單波束測深儀主要用于水下測距，一般采用收發(fā)合置換能器，波束為窄波束，可探測換能器陣面到海底的距離；不同頻率的單波束測深儀組合，可以適應不同工作水域的需要，通常由水上控制系統(tǒng)和水下發(fā)射接收系統(tǒng)組成，其測深精度能夠達到0.2m±0.1%；本船選用低頻、高頻多個波段工作頻率的換能器（200 kHz/38 kHz/12 kHz）。

EA640 單波束萬米測深儀換能器安裝圖，見圖2所示。

換能器 mounting ring 由設備廠家提供，與船底板焊接并與船底平齊，水平度誤差要求不大于±1°，在焊接安裝法蘭之前應把焊接處磨平；為免受熱變形，在焊接安裝環(huán)時，其它部件設備不能安裝在上面，不能在換能器的表面打磨和油漆；為了防止換能器安裝后其周邊船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋或者凹凸并因此產(chǎn)生紊流，用合適的填充物填充換能器中的兩個螺栓孔，并平滑換能器表面，最后將換能器蓋板和換能器表面涂上廠家認可的防污油漆。

3.2 多頻聲納探測系統(tǒng)及其換能器

多頻聲納探測系統(tǒng)，具有漁業(yè)生物量和分布評估、漁業(yè)生物種類識別和分類、浮游生物研究、漁業(yè)棲息地研究、海生物行為研究、海洋環(huán)境研究、石油和天然氣探測等功能。

該系統(tǒng)是一種固定式測量系統(tǒng)，其接受系統(tǒng)和中央處理分析系統(tǒng)固定在實驗室內(nèi)；聲納發(fā)射器分為船內(nèi)固定和船殼外固定兩種方式，本船多頻聲納采用升降鰭安裝形式。

聲納探測設備容易受到船體的噪聲干擾，船上的噪聲源主要來自船上的機械設備如主機、發(fā)電機、推進器等，多頻聲納換能器必須避開這些噪音源；另外，船底的水流氣泡對探測精度有很大的破壞性，對外界水體發(fā)射、散射噪聲需要引起特別的注意；本船多頻聲納探測系統(tǒng)的換能器，采用升降鰭式安裝方式，見圖3 所示。

圖3 多頻聲納安裝布置圖

3.3 深水多波束測深系統(tǒng)及其換能器

深水多波束測深系統(tǒng)，主要由水下聲換能器基陣、安裝在聲學儀器艙主機、控制單元（安裝在主操控區(qū)）和配套輔助設備等部件及其軟件，以及相關的數(shù)據(jù)后處理軟件組成，其主要功能為測量海底水體數(shù)據(jù)及海底的特征。

深水多波束EM124 發(fā)射換能器陣列，由48 個換能器模塊組成，每一個模塊內(nèi)含18 個基元，6 個為一排；每一個基元通過接線盒獨立地連接到收發(fā)機內(nèi)部對應的發(fā)射器，每個基元有獨立不同的振幅水平和相位信號，形成所需的發(fā)射波形和方向。因此，EM124 多波束測深儀換能器采用船底固定安裝方式，換能器固定于安裝支架內(nèi)，安裝支架再被螺栓固定在船底導流罩內(nèi)一個特制機匣中，換能器陣發(fā)射面朝向海底；換能器安裝位置應遠離螺旋槳和其它聲學噪聲源，安裝于整船龍骨前三分之一位置，安裝換能器的下表面與船底導流罩下表面齊平，換能器下表面應噴涂防污油漆。

深水多波束安裝框架，長8 m、寬1.07 m，安裝位置平面度誤差要求2 mm 以內(nèi)，透聲板安裝位置平面度誤差要求4 mm 以內(nèi)，現(xiàn)場施工精度要求高，施工難度大；在設計安裝框架底座結(jié)構(gòu)時，采用框架安裝結(jié)構(gòu)現(xiàn)場拼裝。安裝前，現(xiàn)場根據(jù)安裝框架平面度要求，用車床切好安裝件，并做工裝固定好，以降低焊接過程中整個面變形。整個框架一次性安裝完成，通過設備廠家、船東報驗，為后續(xù)換能器順利安裝提供了保障。

3.4 淺地層剖面儀及其換能器

淺地層剖面儀利用參量效應，通過發(fā)射兩個高頻率的初始信號產(chǎn)生一個低頻率的二次信號。作為初始信號，淺地層剖面儀使用一個可調(diào)節(jié)的信號，頻率在18 kHz～33 kHz 之間；第二個初始信號，可調(diào)節(jié)頻率在 18.5 kHz～39 kHz 之間；第一主信號同時用來觸發(fā)參量效應，提高地層剖面的分辨率，實現(xiàn) 11 000 m 的最大深度范圍；高頻信息也作為一個全海洋深度的常規(guī)測深儀提供水深信息。

淺地層剖面系統(tǒng)，由換能器陣、T/R 開關、主前置放大器、從前置放大器、接口單元、操作員工作站、輸出設備等部分組成。

淺地層剖面儀系統(tǒng)的換能器數(shù)量多，并且體積大，精度要求高，安裝完成后表面平整度要求最大誤差±1°。

為最大程度減少外界噪音，換能器外殼的內(nèi)側(cè)必須安裝吸聲梯板以減少噪音，如圖4 所示的吸聲梯板粘到外殼上部內(nèi)則，在吸聲梯板完全粘合前需用木塊支撐，以免松落；然后使用吸聲梯板將其固定在換能器底板和船體結(jié)構(gòu)間；緊接著依次安裝每個換能器，擰入傳感器所有固定螺栓，并用螺釘替換螺紋桿；當所有換能器都安裝完畢后，檢查整個換能器陣列的平整度，使其平行于船舯線；再后，安裝換能器蓋板，將蓋板安裝在換能器周圍；最后，使用廠家提供的專用填充物填充蓋板、換能器和螺絲孔之間的間歇。

圖4 吸聲梯板安裝示意圖

3.5 走航式ADCP 系統(tǒng)及其換能器

深海走航式相控陣聲學多普勒流速剖面儀系統(tǒng)，固定安裝在科考船底部，在船舶航行狀態(tài)下測量不同深度層的海流，最大測流深度可達730 m（寬帶）或1 000 m（窄帶）。

走航式ADCP 系統(tǒng)，由換能器、甲板單元、數(shù)據(jù)采集單元、處理計算機、處理軟件等組成，換能器采用平面相控陣。

走航式ADCP 系統(tǒng)換能器，固定安裝在升降式鰭板或?qū)Я髡稚希搩?nèi)設備布置在聲學儀器艙、調(diào)查裝備主操控區(qū)。走航式ADCP 系統(tǒng)的安裝要求，主要有以下幾個點：

1）方便接觸到內(nèi)部（傳感器電子部件）及外部（去除海洋生物附著）；

2）I/O 電纜長度≤100 m；

3）遠離船上突起物，在每個波束周圍有15°的開闊角度；

4）遠離其它聲學設備，尤其是那些與ADCP 工作頻率相同（或在諧波范圍內(nèi)）的設備；

5）盡量靠近船中軸線，提高測量準確度。

考慮到換能器本身非常脆弱，不能經(jīng)受住海水中散落物的破壞，換能器必須加裝保護罩，但不能影響換能器的正常工作。鑒于上述因素，本系統(tǒng)采用了加裝單獨水箱的方法，將換能器和外部海洋環(huán)境隔離，中間采用透聲板將海水和水箱內(nèi)部隔離，透聲板采用特殊材料以便允許換能器聲束自由通過。

4 聲學設備電纜路徑布置

參考船船底導流罩上聲學設備的換能器布置，如圖5 所示，這些換能器自帶隨機電纜如下：

圖5 參考船導流罩聲學設備布置圖

1）單波速有3 只換能器，每只換能器有1 根隨機電纜，每根隨機電纜需單獨敷設；

2）EM712 中淺水多波束發(fā)射換能器陣列有20 根隨機電纜，需敷設在同一電纜管中；接收換能器陣列有8 根隨機電纜，需敷設在同一電纜管中；

3）EM122 深水多波束發(fā)射器換能器陣列有48 根隨機電纜，需敷設在2 根電纜管中；接收換能器陣列有16 根隨機電纜，需敷設在同一電纜管中；

4）P70 淺剖換能器有4 根隨機電纜，每根隨機電纜需要單獨電纜管；

5）每個走航式換能器需設置3 根管子，電纜、加水、透氣各一根管子；

6）自噪音監(jiān)控水聽器有1 根隨機電纜，需單獨1根電纜管。

由于換能器自帶隨機電纜穿管都是直接或間接通海的，常規(guī)做法是在主船體設置一通海電纜圍井。此方案主要問題是對電纜圍井大小的把控：設置太小，里面電纜管不好施工；但受船體結(jié)構(gòu)空間影響，又不能設置太大；如果把隨機電纜全部敷設到電纜圍井，換能器隨機電纜彎曲半徑比較大，電纜路徑很難走通，現(xiàn)場施工會非常麻煩。綜合考慮各種因素，并結(jié)合本船實際艙室結(jié)構(gòu)，最終選擇電纜從換能器上方直接分開豎直敷設的方案，在電纜、換能器安裝完成后，這些電纜管中會有海水或淡水，要根據(jù)規(guī)范要求來選擇材料、厚度及防腐工藝，如圖6 所示。

圖6 換能器電纜管效果圖

換能器隨機電纜出電纜管頂部后，出口用MCT 框或填料函封堵，主要是固定電纜及防止異物掉進電纜管；部分電纜根據(jù)設備資料要求，出電纜管后套金屬軟管敷設至設備，金屬軟管主要是防止物理損壞電纜及減少電磁干擾對設備信號影響，見圖7 所示。

圖7 換能器電纜管出口圖

換能器隨機電纜在電纜托架上敷設時，盡量做到同一換能器的電纜走同一電纜托架；如果因空間等因素導致多個換能器的電纜需敷設在同一電纜托架時，同一換能器電纜需一起分束打包，不同換能器電纜盡量在托架上遠離；換能器隨機電纜多余長度不能剪裁，不能直接繞圈固定在電纜托架上，必須要按S 型路徑敷設在電纜托架上，同時路徑不能形成環(huán)路，因此在設計換能器隨機電纜路徑時，需設置余量約5 m 長的緊固件用于敷設多余長度隨機電纜，見圖8所示；另外，因換能器隨機電纜上帶有插頭，所以電纜穿電纜管或敷設過程中對這些插頭要采取保護措施。

圖8 收發(fā)機旁電纜敷設圖

5 結(jié)論

通過對科考船聲學設備（包括：深水多波束測深系統(tǒng)、單波束萬米測深儀、走航式ADCP 系統(tǒng)、多頻聲納探測系統(tǒng)、淺地層剖面儀的配置、接口及換能器）的安裝工藝進行了詳細介紹，同時對聲學設備換能器隨機電纜路徑、敷設布置進行了研究分析，對以后同類船舶建造中聲學設備的安裝及電纜敷設提供了技術參考。