王巖峰 ，易杏甫 ，官 晟 ，何志強(qiáng)，郭心順

（1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所,浙江 杭州 310012；3.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266003）

500 m深度拖曳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王巖峰1，易杏甫2，官 晟1，何志強(qiáng)2，郭心順3

（1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所,浙江 杭州 310012；3.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266003）

針對500 m波浪式拖曳系統(tǒng)的技術(shù)要求，介紹了拖體、流線型拖纜、電控絞車和總控程序4個(gè)關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)；根據(jù)海上的試驗(yàn)情況，分析了拖體的纜深比和定深拖曳等數(shù)據(jù)，表明本系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期要求，可以為上層海洋學(xué)的調(diào)查與觀測提供良好的平臺(tái)。

拖曳系統(tǒng)；波浪式運(yùn)動(dòng)；上層海洋

高質(zhì)量的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)一般都需要固定周期形式、高空間分辨率且具有一定空間層次。要收集這樣長期的數(shù)據(jù)，覆蓋如此大面積的海域，傳統(tǒng)作業(yè)方式的海洋調(diào)查成本非常高。船用拖曳式多參數(shù)剖面測量技術(shù)，提供了一種卓有成效而且成本較低現(xiàn)場測量的途徑，配合走航ADCP，可以提供上層海洋多尺度的基本要素快速觀測[1]。經(jīng)過近40 a的發(fā)展，目前市場上所提供的海洋拖曳式剖面測量系統(tǒng)能夠快速、高效地完成測量任務(wù)，這在許多大型國際海洋計(jì)劃中 （如GOOS、WOCE和JGOFS等）得到驗(yàn)證。特別是近10 a，具有波浪式拖曳功能、能攜帶多種學(xué)科傳感器、完成多參數(shù)剖面測量的拖曳體已經(jīng)成為拖曳式測量儀器的重點(diǎn)發(fā)展方向。而能夠完成波浪式拖曳的500 m級拖曳系統(tǒng)由于技術(shù)研發(fā)難度大，國際上只有少數(shù)公司有該類產(chǎn)品，國內(nèi)一直處于空白。

十一五期間“863”海洋技術(shù)領(lǐng)域立項(xiàng)研發(fā)的500 m深度拖曳系統(tǒng)，要求能實(shí)現(xiàn)高效、實(shí)時(shí)和多參數(shù)剖面同步測量，在8～500 m海深范圍內(nèi)做波浪式運(yùn)動(dòng)和定深拖曳運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)所集成搭載的主要傳感器包括CTD、葉綠素?zé)晒狻岫?、溶解氧、pH、聲速等。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

500 m級別的多參數(shù)拖曳式剖面測量系統(tǒng)主要由兩大分系統(tǒng)組成,即：拖曳分系統(tǒng)和測量及集成分系統(tǒng)。拖曳分系統(tǒng)含拖體、拖纜、絞車、收放機(jī)械、導(dǎo)航和拖體姿態(tài)控制設(shè)備；測量及集成分系統(tǒng)含溫度、鹽度、深度、溶解氧、pH、葉綠素?zé)晒?、濁度和聲速傳感器及其采集、傳輸。兩個(gè)系統(tǒng)的結(jié)合是大深度多參數(shù)拖曳式剖面測量系統(tǒng)的總控平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)波浪式拖曳或定深拖曳軌跡控制的基本技術(shù)原理為主控程序根據(jù)拖體上集成的高度計(jì)和壓力信息確定拖體垂直位置，根據(jù)船用GPS確定水平位置，把此實(shí)際信息與要求的拖曳體工作軌跡進(jìn)行比較，采用PID控制算法，得到最優(yōu)的控制信號，提供給電機(jī)伺服系統(tǒng)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)改變拖體控制翼的角度，產(chǎn)生升降動(dòng)作，逐步接近設(shè)定軌跡目標(biāo)，從而對拖體的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行修正。各種傳感器在運(yùn)動(dòng)軌跡變化中，按照設(shè)定時(shí)序完成多參數(shù)的同步剖面測量。

為達(dá)到500 m的剖面深度并滿足大多數(shù)科考船的適裝性，需要保證：（1）拖體的控制翼型和展弦比選擇適當(dāng)，以保證提供足夠的升降力；拖體整體線型要光順，以降低阻力；（2）由于需要布放的拖纜較長，其阻力特性將直接影響系統(tǒng)總體性能，考慮全部采用帶有導(dǎo)流裝置的流線型拖纜；（3）絞車整體設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)緊湊，占地空間小，重量輕，為此考慮采用電控絞車，并采用多層分離卷筒結(jié)構(gòu)；（4）總控程序智能化，提供波浪式拖曳和定深拖曳的自動(dòng)控制功能，以及傳感器參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示和圖形化功能。

設(shè)計(jì)加工完成的拖體如圖1所示。拖體主體尺寸為1.53 m×1.84 m×0.65 m，主體線型的長寬比 6.3，寬高比 0.37，機(jī)翼采用NACA0012，尾翼分固定式和活動(dòng)式，固定式尾翼有NACA翼和平板翼兩種，用于平衡拖體縱傾；活動(dòng)式尾翼為NACA翼，與橫傾控制器一起，自動(dòng)控制拖體橫傾。經(jīng)水動(dòng)力試驗(yàn)測試，拖體的縱向阻力系數(shù)小于0.04；機(jī)翼的升力系數(shù)最大時(shí)達(dá)1.5（實(shí)際應(yīng)用1.2），升阻比為6～10。力矩系數(shù)最大不超過0.04。

拖纜由鎧裝拖纜、導(dǎo)流套、連接片、扼制環(huán)及緊固件組成流線型拖纜（見圖2）。集成方式采取分段組合，每段由一個(gè)扼制環(huán)、14片導(dǎo)流套、13只連接片組成。段與段之間不連續(xù)，留有一個(gè)導(dǎo)流套的空位，以減少漂移和防止導(dǎo)流套彼此間錯(cuò)位從而損壞導(dǎo)流套。

圖1 500 m拖曳系統(tǒng)的拖體

圖2 流線型拖纜

絞車結(jié)構(gòu)主要由基座、固定式卷筒、分體式卷筒、排纜機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)鏈輪及鏈條、控制柜等組成（見圖3）。絞車采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在電機(jī)尾部裝有纜長儀，用于測量系統(tǒng)收放時(shí)的拖纜入水長度。在排纜機(jī)構(gòu)下設(shè)置張力傳感器，用于測量系統(tǒng)拖曳時(shí)的拖纜張力?？刂乒窨娠@示張力、纜長和收放速度。由實(shí)時(shí)顯示的拖纜過載張力數(shù)據(jù)，能及時(shí)地向報(bào)警器提供危險(xiǎn)信息。絞車采用3層排纜，第1層排纜的卷筒為固定式，第2層、第3層排纜的卷筒為分體式[2]，絞車共排流線型拖纜850 m，電機(jī)功率20 kW，絞車的外形尺寸為1 900 mm×1 750 mm×1 560 mm，重 3 000 kg（含流線型拖纜 850 m）。

圖3 三層排纜電動(dòng)絞車

為保證對拖體軌跡姿態(tài)和傳感器采樣周期的有效控制，總控軟件以1 Hz的頻率訪問各傳感器及控制動(dòng)作單元，將其測量數(shù)據(jù)取回，進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算或邏輯判斷。為保證系統(tǒng)通訊的可靠性，總控軟件必須具備足夠的處理速度和健壯性，在首先確保拖曳安全的前提下，盡可能提高數(shù)據(jù)可利用率。為此，總控軟件的開發(fā)應(yīng)用程序語言選用Dephi-6，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理應(yīng)用工具選用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中按照時(shí)間順序，將各傳感器數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)和異常值控制等信息以合理的關(guān)聯(lián)方式存儲(chǔ)，并提供用戶可選的數(shù)據(jù)初處理功能。人機(jī)交互界面則將拖體姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡以實(shí)時(shí)形式顯示，同時(shí)用圖表的形式顯示下列參數(shù)各傳感器采樣數(shù)據(jù)（見圖4）。

圖4 拖曳系統(tǒng)總控程序的圖形界面

拖曳系統(tǒng)的傳感器中CTD處于拖體上方，聲速傳感器位于拖體前端底部，溶解氧、pH和葉綠素/濁度傳感器位于主平臺(tái)尾部，所有探頭部分直接暴露在平臺(tái)外，水交換充分，以保證測量數(shù)據(jù)的可靠。控制翼的控制機(jī)械及其配套的電機(jī)艙、驅(qū)動(dòng)器艙、電子艙分別安裝在拖體內(nèi)部主平臺(tái)的座板上下。電機(jī)裝在有動(dòng)/靜密封功能的電機(jī)艙內(nèi)。驅(qū)動(dòng)器裝在能靜密封的驅(qū)動(dòng)器艙內(nèi)。信號采集傳輸模塊、電源安裝在電子艙內(nèi)。另外在座板底部可通過更換不同種類的掛架而集成其它傳感器，擴(kuò)大拖體的使用范圍。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

圖5 2009年500 m拖曳深度工作界面截圖

拖曳系統(tǒng)工程樣機(jī)設(shè)計(jì)加工完成后，在2007年12月于浙江千島湖開展了湖試，針對系統(tǒng)的不足進(jìn)行了改進(jìn)和完善。其后在2008—2010年先后隨東方紅2號船參與了5次“質(zhì)量控制與規(guī)范化海上試驗(yàn)”共17個(gè)航段，工作和收放經(jīng)歷了1級海況到5級海況，系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求。在2009年春季航次海況3～4級、8 kn航速下首次達(dá)到了500 m拖曳深度（見圖5）。其時(shí)拖纜張力變化范圍在（1 000～2 200）×9.8 N,拖體姿態(tài)橫搖和縱搖均在±10°以內(nèi)，保持了較好的工作狀態(tài)。

2010年春季在呂宋海峽海域4～5級海況下，完成系統(tǒng)海試中50～400 m波浪式剖面試驗(yàn)，部分傳感器數(shù)據(jù)隨時(shí)間和深度的變化見圖6。

由于流線型拖纜降阻減震的性能在試驗(yàn)中得以較好發(fā)揮，所以拖曳系統(tǒng)的纜深比始終保持在1.6～2.0之間，這對于系統(tǒng)的安全工作和收放效率起到了提升的作用，見表1。

拖曳系統(tǒng)還具備定深拖曳功能，可按照預(yù)先設(shè)定深度自動(dòng)完成等深拖曳。為了提高控制質(zhì)量，對經(jīng)典PID的控制方法進(jìn)行研究后，綜合和優(yōu)化出一種適用于大深度拖體升降運(yùn)動(dòng)的控制模型，在定深拖曳實(shí)驗(yàn)中得以體現(xiàn)，采用自動(dòng)控制 模型的定深控制明顯優(yōu)于手動(dòng)控制。

表1 500 m拖曳系統(tǒng)的纜深比統(tǒng)計(jì)表

圖6 400m剖面溫度（左上）與鹽度（右上）隨深度（左下和右下）的變化

2010年3月10日進(jìn)行的100 m定深拖曳試驗(yàn)（見圖7，從上到下依次為拖曳深度、拖纜張力和船速隨時(shí)間的變化），纜長為160 m和200 m（08：24之前纜長為160 m），持續(xù) 10小時(shí)18分鐘。由于海況達(dá)到3級以上，船速難以穩(wěn)定，改為側(cè)風(fēng)航行，航速6.5～7.5 kn，張力約為400×9.8 N。試驗(yàn)期間，定深均值為100.01 m，方差為0.45 m。500 m拖曳系統(tǒng)海試過程中的定深拖曳性能數(shù)據(jù)如表2所示。

圖7 2010年春季航次100 m定深拖曳

3 分析與討論

經(jīng)過5次海上試驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的500 m拖曳系統(tǒng)在6～12 kn的航速下達(dá)到了預(yù)期深度工作目標(biāo)，其中8 kn航速下可達(dá)到500 m的剖面深度，剖面運(yùn)動(dòng)軌跡重復(fù)性良好，所集成的傳感器傳輸數(shù)據(jù)正常。在2010年春季海上試驗(yàn)中，系統(tǒng)經(jīng)過了連續(xù)45 h試驗(yàn)，期間經(jīng)受5級海況，7～8級大風(fēng)條件考驗(yàn)，整體工作正常，顯示出良好的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。系統(tǒng)的纜深比達(dá)到1.6～2.0，且定深拖曳方差在0.5 m以內(nèi)，與國際上先進(jìn)的同級別拖曳系統(tǒng)相當(dāng)[3-4]。500 m拖曳系統(tǒng)的上述拖曳性能，可為上層海洋學(xué)的調(diào)查與觀測提供良好的平臺(tái)。

表2 500 m拖曳系統(tǒng)海試過程中的定深拖曳性能數(shù)據(jù)

[1]William R Young.The future of physical oceanography,50 Years of Ocean Discovery：National Science Foundation 1950-2000[M].Washington,D C：The National Academies Press，2000:165-168.

[2]何志強(qiáng).拖曳式水下運(yùn)載器收放系統(tǒng)技術(shù)研究[J].聲學(xué)與電子工程，2009,1:47-49.

[3]Lindsay Pender,Ian Helmond.Seasoar Metamorphosis[C]//International Marine Technicians Workshop，1998.

[4]Daniel L Rudnick，Raffaele Ferrari.Compensation of Horizontal Temperature and Salinity Gradients in the Ocean Mixed Layer[J].SCIENCE，1999,283:526-529.

Design and Experiment of 500 m Undulating Towed Vehicle

WANG Yan-feng1,YI Xing-fu2,GUAN Sheng1,HE Zhi-qiang2,GUO Xin-shun3

(1.First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao Shandong 266061,China;2.Hangzhou Applied Acoustics Research Institute,Hangzhou Zhejiang 310012,China;3.Ocean University of China,Qingdao Shandong 266003,China)

Aiming at the technique demands of 500m undulating towed vehicle,the key design of towed body,streamline towed cable,electric winch and flight control software are introduced.Based on the in-situ experiments,some properties of the towed system such as cable length-depth ratio and fixed-depth towing are analyzed,the results show that the system can meet the operation demands and can be used as a proper platform for upper ocean survey.

towed vehicle;undulating profiling;upper ocean

P715

B

1003-2029（2011）03-0001-04

2011-03-20

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2006AA09A307)

王巖峰(1970-)，男，研究員，博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)楹Ｑ笥^測技術(shù)。