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深海声学层析潜标关键技术研究
2021-04-16
海洋声学层析是利用海洋声场所携带的海洋内部信息对广阔海域内部拍下“快照”，由于声波可以在海水中实现远程传播，声学层析因此成为对海洋内部进行实时、动态、大范围监测的主要手段，可实现对中尺度过程时空变化的声学监测，是声场与动力环境同步观测的一种具体体现。
中国船舶集团第七一五研究所承担的国家863计划“深远海海洋动力环境观测系统关键技术与集成示范”重大项目“深海声学层析潜标关键技术研究”课题（课题编号：2013AA09A503），主要任务是研制深海声学层析潜标，并开展海试检验，从而为开发工程化深海声学层析潜标与系统集成提供技术和设备支撑。课题组突破了深海低频声发射换能器声源级、电声效率和可靠性，深海水听器成阵工艺和可靠性，深海声学潜标能源供应、时间同步、声基元实时定位、数据通信等关键技术，研发了深海声学层析潜标，构建了两个节点的深海声学层析信号同步发射与同步接收试验系统，完成了深海试验验证，顺利进行了两枚潜标的布放和回收，各部件工作正常。
1 课题完成情况
2013年，该课题启动，课题组相继开展了发射分系统设计、接收分系统设计、声基元定位分系统设计、系统控制与采集系统设计、供电系统设计、潜标标体及系留系统设计、海洋仪器集成设计。其中，发射分系统设计包括发射换能器、发射波形、发射功放以及发射匹配等设计；接收分系统设计包括接收水听器、接收水听器阵、承力拖头、多芯接插件以及多芯承力电缆设计；声基元定位分系统设计包括船载定位设备、深水应答器、声信号接收、控制、存储和处理等设计；系统控制与采集系统设计包括授时系统、发射控制、接收控制、通信控制、采集控制以及存储控制等设计；供电系统设计包括电池、dc-dc以及稳压等设计；潜标标体及系留系统设计包括水动力性能、主浮体、系统减振阻尼、锚系结构等设计；海洋仪器集成设计包括声学多普勒流速剖面仪（ADCP）、温盐深仪（CTD）以及水声通信机等设计。
2014年，课题组确定了各分系统的技术方案和最终硬件选型，完成了各分系统样机试制，进行了分系统之间的湖试联调，各分系统功能基本满足潜标系统的要求。2014年7月，进行了潜标系统的初次摸底海试，主要验证潜标收放流程可行性、潜标主体承受深水压力、声学释放器系统是否正常等，同时测试声学定位系统的深水工作性能。参试部件为潜标主体部件1套，包括主浮体、电子仓浮体、发射换能器、电缆及阵段、释放器、玻璃浮球、重力锚等，以及围绕该潜标布放的定义装置应答器，成功利用应答器对安装在潜标上的定位装置进行了高精度定位。该次海试中潜标系统的布放与回收流程得到了充分验证，发射换能器和接收水听器可在指定深度正常发射和采集数据，定位系统的定位精度满足指标要求。
2015年，针对2014年样机试制和海上试验过程中出现的问题，进行了技术整改，完成了技术整改后的验证试验。优化内容包括：对接收阵的布阵方式进行了改进，以便于潜标在海上的布放；对电路的可靠性进行了改进，并进行了长时间的稳定性测试；对电池进行了改进，着重考虑电池的安全性和可靠性；对位置校准装置进行了技术改进；进行了课题的实验室联调试验及湖上验证试验；制定了课题指标验收规范和海上验收大纲。
2016年，在海试前进行了各分系统的技术确认，包括：对发射换能器的两种耐压方案进行了湖试，均满足深水工作要求，两枚潜标各搭载一种发射换能器参加海试；对声基元定位系统的应答器电子仓进行改进，由玻璃球方案改为耐压金属筒体方案，确保可在4 000 m水深工作不损坏，并对改进后的声基元定位系统进行了湖试联调（图1、图2）；接收阵段均进行了水听器性能测试和阵段水压试验；对潜标电子系统各部件进行了整机联调，系统软硬件工作正常（图3），对潜标发射系统和发射换能器进行了联调和考机试验。
完成所有海试前准备工作后，于2016年5月在巴士海峡成功完成潜标系统的布放任务，于2016年8月底完成了潜标回收航次，成功回收两套潜标。潜标顺利回收后，内部存储数据由电子仓导出并进行了分析，结合前期部件测试结果，各项指标满足验收大纲要求。
2 主要技术创新
该课题开展深海声学层析硬件设备的研究，成功研发了深海声学层析潜标，结构图见图4；构建了两个节点的深海声学层析信号同步发射与同步接收试验系统，并开展了深海试验验证。深海声学层析潜标的难点在于低频（500 Hz）、深水（1 000 m声道轴深度）、长时间（值守时间3个月）的声信号发射以及在300～1 500 m深度垂直剖面上的声信号接收。在课题研究过程中，突破了深水小尺寸大功率发射换能器技术、低功耗电子系统、耐深水高可靠固体阵成阵、高精度声学定位系统、高可靠性系留系统等关键技术。
课题研制的溢流式IV型弯张换能器（图5），解决了低频、深水换能器在体积和频率、声源级上的矛盾，成功在0.1m3的体积范围内实现了低频高效声发射，声源级在195 dB以上。除应用于该项目外，还可广泛搭载于各类水下自容式平台，用于超远程声通信、水下探测等方面，具有广阔的应用前景。
实现了高精度水下定位，在2 000 m以上深度对水面运动目标定位均方根误差1.51 m，远小于3 m的指标，工作深度达到4 000 m，作用距离达到6 km，在深水高精度水下定位方面达到国内领跑水平。
研制的高精度低功耗电子系统，实现了高精度授时、长时间值守和数据采集、定时驱动换能器大功率发射等功能，系统守时误差小于每月3 ms，在性能和功耗上取得了较好的平衡。
研制的耐深水高可靠固体阵，将接收阵段和系留缆的功能相结合，阵段及承力缆既承担了接收声信号的任务，又实现了潜标标体的海底系留，方便了潜标的收放。
研制的系留系统成功实现了多标体、多阵段的复杂潜标的布放和回收，海底有效工作时间大于3个月。
3 课题实施效果
该课题在成功研制深海声学层析潜标的基础上，完成了深海试验验证，顺利进行了两枚潜标的布放和回收（图6、图7、图8），各部件工作正常。课题成果为多节点的声层析试验系统研究奠定了基础，为开发工程化深海声学层析潜标与系统集成提供了技术依据，为在较大范围内对中尺度过程实施监测提供了技术手段。同时，也为中国船舶集团第七一五研究所进入深远海海洋环境监测领域、参与深远海海洋领域其他项目打下了坚实的基础。
以该课题成果作为基础，中国船舶集团第七一五研究所成功开展国家重点研发计划“海洋声学层析成像理论、技术与应用示范”项目“深海声层析系统”课题的多节点深海声学层析试验系统研究，并结合PIES观测设备、温-盐-深-流观测设备、移动节点等系统，开展试验与示范。
上述研究成果同时应用在某军队建设项目中，该项目构建了一个具有深海低频声发射的潜标，将成果应用拓展至深海远距离的声传播和远程水声通讯。该项目的成功申报标志着声层析潜标成果的进一步延伸，在深海领域的应用得到了进一步的拓展，不仅为该单位创造了经济效益，也为国家的国防事业作出了贡献。
课题突破深海声层析潜标关键技术，提高了国内相关设备的技术水平，以该项目的深水发射换能器技术作为基础，进行了同类型潜标声源的产业化，取得了经济效益。同时也吸引了中国科学院声学研究所、中国科学院海洋研究所、中国海洋大学等潜在用户的强烈关注，不断有研究人员到中国船舶集团第七一五研究所进行声层析潜标及相关设备的调研和购置。
该课题研究的深海声学层析潜标具有通用化、可扩展性强等特点，可以逐步发展成为标准化、系列化、产业化的海洋仪器装备产品，应用于远程水声通信、导航定位等军用及民用领域，服务于国家海洋资源开发，维护国家海洋安全。
