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“奋斗者”号全海深载人潜水器声学系统研制

2021-11-25

 

“全海深潜水器声学技术研究与装备研制”项目属于“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项,项目重点开展全海深载人/无人潜水器水声通信、声学探测等技术研究与装备研制。中国科学院声学研究所在“蛟龙”号、“深海勇士”号载人潜水器声学系统研制成功的基础上,2020年完成全海深载人潜水器(“奋斗者”号)声学系统中全海深水声通信机、水声电话、测深侧扫声纳、多波束前视成像声纳、多普勒测速仪、避碰声纳的自主研发以及定位声纳(哈尔滨工程大学研制)和惯性导航设备(北京自动化控制设备研究所)的系统集成,实现潜水器万米深度下水声通信、定位导航以及精细探测。
作为“奋斗者”号与母船“探索一号”之间沟通的唯一桥梁,水声通信系统能够将万米深渊的风景和声音带到地球表面,实现潜水器在万米海底与海面母船的文字、数据、指令、语音及图像的实时传输。相较于前两代的“蛟龙”号与“深海勇士”号载人潜水器,“奋斗者”号的声学系统实现了完全国产化,突破了全海深难关,技术指标更高。图1为“奋斗者”号海试布放作业画面。
2020年10月10日至11月28日,中国科学院声学研究所作为万米载人潜水器声学系统的总负责单位参加了“奋斗者”号的海上验收试验。“奋斗者”号在马里亚纳海沟进行万米海试,共开展了13次下潜,中国科学院声学研究所参与了其中8次下潜,包括首次突破万米的潜次,并于11月10日创造了10909m的中国载人深潜新纪录。在“奋斗者”号的整个海试过程中,国产化率达100%的声学系统性能优异,功能可靠,为海试成功奠定了坚实的基础,也为后续潜水器在全海深范围内的持续下潜作业提供了可靠的技术保障。
 
1 主要研究内容
围绕全海深载人/无人潜水器水声通信、声学探测等技术研究与装备研制,项目的主要研究内容包括全海深潜水器声学设备总体方案设计、全海深声学换能器研制、全海深高速水声通信系统设计、全海深远程超短基线定位技术、全海深组合导航系统等。
1.1    全海深潜水器声学设备总体方案设计
充分借鉴“蛟龙”号、“深海勇士”号载人潜水器等深海平台声学设备研制的经验,针对全海深带来的高压力、远距离、复杂海底等海洋环境条件和全海深载人和无人潜水器作业特点,完成潜水器声学系统总体方案设计。
1.2    全海深声学换能器设计、制造与测试技术
完成全海深声学换能器研制。全海深声学设备工作深度达1.1万m,对换能器的设计、材料、制造工艺、测试技术等提出了极高的要求。在前期研究工作基础上,研究团队针对潜水器声学设备要求进行换能器设计和加工建造,并完成高压条件下的测试技术研究。
1.3    全海深可靠高速的水声通信系统设计
研制了全海深高速水声通信系统,实现数据、文字、图像、语音、指令等多种制式的远程可靠传输。主要包括两个方面研究工作:①提高声源级,降低噪声影响,保证作用距离;②改进信号体制设计、处理算法和纠错编码,提高通信可靠性。
1.4    全海深远程超短基线定位技术
研制了最大作用距离超过12 km的深海超短基线定位系统。通过特定多元空间阵型下声信号波束形成及精确测向算法,增强系统远程弱信号处理增益,提高阵元相位差测量精度,实现全海深超短基线高精度定位。
1.5    全海深潜水器海底地形地貌和前方障碍物探测及声学探测系统集成技术
完成全海深潜水器海底地形地貌探测声纳和前视声纳研制,并集成二者为全海深声学探测系统,通过组合实现不同探测功能,再集成测速声纳、避碰声纳和惯导等传感器,面向载人潜水器(HOV)、自治无人潜水器(AUV)、遥控潜水器(ROV)和遥控自治两用无人潜水器(ARV)等不同全海深潜水器提出有针对性的全海深声学探测系统集成方案。
1.6    全海深组合导航系统
集成全海深声学多普勒测速仪、定位声纳及惯性导航等设备,研制完成高精度组合导航系统,为“奋斗者”号的巡航作业提供高精度的水下定位导航。
1.7    与“十三五”全海深潜水器研制项目的衔接
研究团队在设计上统筹考虑,取得的研究成果不仅用于“奋斗者”号,还为“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”专项中“海斗一号”等多个潜水器提供了声学装备和声学系统集成支撑。
 
2 主要技术指标
“全海深潜水器声学技术研究与装备研制”项目重点解决潜水器上水声通信、声学探测等技术问题,并研制可供其使用的声学装备。表1列出了“奋斗者”号载人潜水器声学系统中通信、探测、导航定位等设备的主要技术指标及参数。
 
3 主要创新点
水声通信系统能够实现潜水器在万米海底与母船之间的实时通信、潜水器在水下的超视距观测,助力潜水器在挑战者深渊完成“海底捞针”。
3.1 实现潜水器在万米海底与母船之间的实时通信
在“蛟龙”号、“深海勇士”号声学系统研制与应用的良好基础上,团队开展深渊环境下水声通信的研究,突破大深度高效声电转换技术、通信随机预编码技术和近似消息传递机制,实现万米深度下的无误码高速数字水声通信,在斜距12.8 km的距离实现了文字、语音、数据和图片传输。借助于数字水声通信,“奋斗者”号与母船完成实时自主数据交互,包括传感器和位置等重要信息的传输,对实时把握潜水器技术状态和现场分析协调“奋斗者”号海底工作至关重要。2020年11月10日,“奋斗者”号成功坐底,图2为“奋斗者”号坐底后,母船上显控平台展示的“奋斗者”号实时状态数据。
3.2 实现潜水器在水下的超视距观测
前视成像声纳实现水下超视距观测,在搜寻“沧海”号等目标物和复杂地形探测中起到关键作用。2020年11月16日,“奋斗者”号在海底搜寻“沧海”号过程中,潜航员通过前视成像声纳在100 m外清晰探测到“沧海”号;在马里亚纳海沟的海山等复杂地形航行和作业中,通过前视成像声纳实时测量与前方山体距离,为“奋斗者”号安全航行提供了保障。
3.3 助力潜水器在挑战者深渊完成“海底捞针”
由声学多普勒测速仪、定位声纳及惯性导航等设备集成的组合导航系统为“奋斗者”号的巡航作业提供了高精度的水下定位导航。图3为多普勒测速仪在潜水器上安装调试画面。在2020年11月16日的下潜作业中,借助组合导航系统和声纳设备,“奋斗者”号潜航员仅用半小时便成功取回了此前布放在万米海底的3个水下取样器,成功实现“海底捞针”,并通过水声通信机将取样画面回传至母船。
 
4 载人潜水器声学系统的下一步发展
“奋斗者”号声学系统性能优异,相较于“蛟龙”号、“深海勇士”号,项目实现了更大工作深度、更远通信定位距离的声学设备研制,完成了全部声学设备的自主研制。载人潜水器声学系统的下一步工作将主要围绕技术状态完善、技术指标提升、功能拓展等几个方面展开,在载人潜水器未来持续开展的深远海科考作业、资源勘探和开发利用、科学探索及深海考古等活动中发挥更大作用。