賈立雙，張選明，馮志濤，李家軍

（國家海洋技術(shù)中心,天津 300112）

深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器是水聲遙控系統(tǒng)中的一種常用設(shè)備，屬于水聲通信應(yīng)用范疇，是深海觀測監(jiān)測系統(tǒng)回收的核心設(shè)備。研制深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器可促進(jìn)海洋服務(wù)保障技術(shù)發(fā)展，提升我國深遠(yuǎn)海觀測監(jiān)測能力，為深遠(yuǎn)?？茖W(xué)研究、海洋監(jiān)測、海洋經(jīng)濟(jì)、海洋國防建設(shè)事業(yè)等領(lǐng)域提供支撐技術(shù)裝備。

1 深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器簡介

深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器（以下簡稱釋放器）是一種應(yīng)用在海洋監(jiān)測和海洋工程中，通過聲學(xué)信號傳遞遙控指令，完成預(yù)定動作的遙控設(shè)備。以釋放器在深海觀測系統(tǒng)中應(yīng)用為例：由于安全性、隱蔽性的要求，深海觀測系統(tǒng)的主浮體通常位于海面以下幾十米到幾百米處，一般將釋放器串聯(lián)在深海觀測系統(tǒng)的系留索中，完成測量任務(wù)后，操作人員使用甲板單元發(fā)射聲學(xué)指令，釋放器在收到聲學(xué)釋放指令后，通過電機(jī)驅(qū)動釋放機(jī)構(gòu)完成釋放，觀測系統(tǒng)在浮力的作用下浮到水面（見圖1）。

圖1 釋放器工作示意圖

目前國外深海聲學(xué)釋放器技術(shù)發(fā)展比較完善，研制了多型號的聲學(xué)釋放器產(chǎn)品，使用水深最深可達(dá)10 000 m；負(fù)載最大可達(dá)5 t；工作時間最長可達(dá)5 a。成熟產(chǎn)品包括美國Benthos釋放器、美國ORE釋放器、法國OCEANO釋放器、英國Sonardyne釋放器等。國內(nèi)尚無可供工程應(yīng)用的成熟產(chǎn)品?！笆晃濉逼陂g，國家海洋技術(shù)中心在“863”計劃的支持下開展了深海高可靠性聲學(xué)應(yīng)答釋放器的研制工作。

2 聲傳輸損失計算

釋放器是一種應(yīng)用水聲通信技術(shù)的設(shè)備。進(jìn)行釋放器總體設(shè)計時，應(yīng)用被動聲吶方程來計算聲波傳輸?shù)木嚯x與衰減。

式中：SL 為聲源級；TL 為傳播損失；NL 為背景噪聲級；DI 為接收指向性指數(shù)；DT 為檢測閾。

所設(shè)計的釋放器發(fā)射聲源級（SL）為192 dB，工作頻率為12 kHz，采用無指向性水聲換能器收發(fā)信號，因此DI 為零。對于傳播損失TL，根據(jù)簡化的球面波衰減模型，按照公式（2）進(jìn)行估算：

式中：r 為聲波傳輸?shù)木嚯x（m）；a 為吸收系數(shù)（d B/km）；f為聲波頻率（kHz）。

NL 是海洋環(huán)境噪聲級。海洋環(huán)境噪聲級通常由實測數(shù)據(jù)確定，在計算中采用經(jīng)驗公式（4）進(jìn)行噪聲譜級估算。

式中：f 為頻率(kHz)；S 為海況等級(S=0,1,2,…,9)。

在低頻階段，TL 是聲波頻率和傳播距離的增函數(shù)，NL是頻率的減函數(shù)。以3級海況、12 kHz工作頻率計算，NL 為55 dB。參考wenz曲線，設(shè)計釋放器接收最小檢測閾值為80 dB。按式（3）計算a 為1.5 dB/km，則釋放器聲信號傳輸10 km時，損失為95 dB，此時有SL－DT ＞TL，滿足檢測要求。

3 深海聲學(xué)釋放器技術(shù)參數(shù)

根據(jù)聲傳輸理論計算結(jié)果，考慮到低頻寬帶大功率水聲換能器的制作難度和成本，參考國外同類產(chǎn)品性能指標(biāo)，確定所研制釋放器的主要技術(shù)參數(shù)為：

（1）發(fā)射聲源級：>192 dB；

（2）釋放器工作頻率：7～14 kHz；

（3）工作水深：6 000 m；

（4）水平作用距離：淺海>10km；良好水文條件>28km；

（5）編碼形式：改進(jìn)的FSK編碼；

（6）脈沖寬度：16 mS±1 mS；

（7）待機(jī)時間：>2 a；

（8）釋放載荷：>5 t；

（9）整體重量：<30 kg。

4 深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器設(shè)計

4.1 水聲換能器設(shè)計

水聲換能器是釋放器的重要組成部分，它能將水下的聲信號與電信號完成互相轉(zhuǎn)換。水聲換能器性能的優(yōu)劣直接影響釋放器性能的好壞。

所研制的水聲換能器外封裝層材料采用氯丁橡膠，氯丁橡膠是一種多用途彈性體，擁有優(yōu)異的耐熱性、耐老化性、耐油、耐水、耐溶劑性能、耐化學(xué)腐蝕性及良好的透聲性；核心電聲換能材料采用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷環(huán)（見圖2），鋯鈦酸鉛壓電陶瓷是由鐵電相的PbTiO3和反鐵電相的PbZrO3構(gòu)成的固溶體，它是一種最重要的壓電陶瓷，現(xiàn)已發(fā)展成為PZT基壓電陶瓷系列；水聲換能器內(nèi)部充入蓖麻油以保證內(nèi)外壓力平衡，以實現(xiàn)大深度工作耐壓要求。圖3為最終研制的水聲換能器產(chǎn)品，經(jīng)中科院聲學(xué)研究所測試表明，該換能器發(fā)射聲源級、接收靈敏度、工作帶寬等指標(biāo)均能滿足釋放器使用需求。

圖2 壓電陶瓷環(huán)

圖3 水聲換能器

4.2 釋放器結(jié)構(gòu)設(shè)計

釋放器結(jié)構(gòu)上除水聲換能器外主要由密封殼體、電池組、電機(jī)及釋放驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。

密封殼體為其它部件提供耐壓保護(hù)，設(shè)計上不但要求能夠承受大深度水靜壓力，還要兼顧重量輕、體積小、耐海水腐蝕等特點。通過計算與實驗，選用高強(qiáng)度的不銹合金鋼作為釋放器殼體材料；同時采用柱面與端面密封相結(jié)合的雙道O形圈密封方法，解決殼體因加工精度引起的泄漏問題。

電機(jī)及釋放驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)具體執(zhí)行釋放動作，采用高減速比結(jié)構(gòu)設(shè)計完成扭矩傳遞。釋放驅(qū)動機(jī)構(gòu)（圖4）采用電機(jī)驅(qū)動銷軸旋轉(zhuǎn)式，選用小功率永磁直流電機(jī)作為動力源，直聯(lián)大減速比減速器和一級齒輪減速構(gòu)成動力傳遞機(jī)構(gòu)；當(dāng)控制軸轉(zhuǎn)動到預(yù)定位置時，掛鉤打開。該結(jié)構(gòu)具有釋放速度快、釋放機(jī)構(gòu)靈活、動作可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點。

釋放執(zhí)行機(jī)構(gòu)（圖5）在設(shè)計上應(yīng)用了杠桿作用原理，通過杠桿減力，使釋放銷軸所承受的剪切力減小，從而減小電機(jī)驅(qū)動功率并提高釋放銷軸動密封可靠性。

電池組負(fù)責(zé)為整個裝置提供能量，設(shè)計上選用容量高、體積重量小的鋰電池，考慮環(huán)境溫度對電池容量的影響，電池容量儲備有30%以上的余量。

4.3 釋放器電路設(shè)計

圖4 釋放器驅(qū)動機(jī)構(gòu)

圖5 釋放器釋放機(jī)構(gòu)

釋放器電路主要由控制單元、A/D轉(zhuǎn)換電路、頻率發(fā)生電路、信號接收濾波電路、信號發(fā)射功放電路、電機(jī)驅(qū)動電路等組成（圖6）。

控制單元采用c8051單片機(jī)作為控制核心，該單片機(jī)具有豐富的片上資源，自帶12位A/D轉(zhuǎn)換器，待機(jī)功耗極低。

頻率發(fā)生電路采用直接數(shù)字頻率合成芯片AD9833，該芯片內(nèi)部包括可編程DDS系統(tǒng)、高性能10位DAC、串行通信接口以及控制電路等，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成和時鐘發(fā)生器。使用20 MHz時鐘時的輸出頻率分辨率可達(dá)0.047 Hz，最大輸出頻率可達(dá)5 MHz。

信號接收濾波電路的功耗直接影響釋放器水下工作時間。為降低功耗本設(shè)計中采用兩路固定頻率濾波方式工作，濾波器電路由低噪聲低功耗雙組通用型運放器件和阻容元件與電感構(gòu)成，總待機(jī)電流為2 mA。

信號發(fā)射功放電路使用兩個大功率場效應(yīng)管組成互補(bǔ)型共源極推挽功率放大電路，將發(fā)射電壓提高至數(shù)千伏進(jìn)行信號發(fā)送。大功率場效應(yīng)管具有輸入阻抗高，負(fù)溫度系數(shù)，易于并聯(lián)輸出大功率的特點，在低頻段逐漸成為功率器件發(fā)展的主流。為保證變壓器的工作性能，提高電路發(fā)射電壓，選用具有高電感量的新型微晶電感鐵芯制作變壓器。通常發(fā)射電路在工作時，瞬時功率很大，造成發(fā)射電壓有降低的趨勢，為保證瞬間功率，在電路上增加大容量儲能電容。

電機(jī)驅(qū)動采用H型全橋式電路，可以很方便地實現(xiàn)直流電機(jī)的四象限驅(qū)動。實際工作中一般選用大功率達(dá)林頓管或場效應(yīng)管作為開關(guān)管。

4.4 控制程序設(shè)計

圖6 釋放器電路框圖

控制程序完成編、解碼及釋放執(zhí)行等工作。在本釋放器設(shè)計中使用Keil C51系統(tǒng)設(shè)計編寫控制程序。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編語言相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。使用Keil C51編譯后生成的匯編代碼高效、緊湊、易于理解。圖7是本設(shè)計控制程序流程圖。

圖7 流程圖

5 試驗結(jié)果與分析

2011年3月份，項目組在天津塘沽海域進(jìn)行了深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器海上測距試驗：試驗租用漁船（裝有船用GPS）兩只，試驗區(qū)水深15 m左右，海況2級。試驗進(jìn)行了多次通信距離試驗以及釋放試驗，通信最大距離達(dá)6 700 m。海上試驗結(jié)果證明，釋放器指令編碼設(shè)計合理，換能器收發(fā)指令正常，釋放機(jī)構(gòu)及電機(jī)工作正常，整機(jī)實現(xiàn)預(yù)定設(shè)計功能。分析試驗情況發(fā)現(xiàn)以下問題：實驗海域靠近航道，周圍大型貨輪多，環(huán)境背景噪聲級較高，通信成功率沒有達(dá)到100﹪；試驗海區(qū)底質(zhì)為半泥沙底質(zhì)，對聲信號散射吸收較大，不利于聲信號遠(yuǎn)距離傳播。

為進(jìn)一步驗證深海聲學(xué)釋放器整機(jī)工作的可靠性及實際使用環(huán)境的適應(yīng)性，2011年6—9月，將所研制的深海聲學(xué)釋放器應(yīng)用于海洋調(diào)查潛標(biāo)，實際布放水深3 900 m，水下在位90余天，釋放器測距釋放正常，潛標(biāo)系統(tǒng)順利回收。

6 結(jié)論

本文介紹的深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器工作可靠、穩(wěn)定，其主要性能指標(biāo)接近或達(dá)到國外同類先進(jìn)產(chǎn)品技術(shù)水平，尤其在作用距離、水下待機(jī)功耗等方面取得了創(chuàng)新性成果，具有自主知識產(chǎn)權(quán)和良好的產(chǎn)業(yè)化前景。該裝備的成功研制填補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)工程產(chǎn)品空白，培養(yǎng)了一支專業(yè)化團(tuán)隊，為推動我國聲學(xué)釋放器產(chǎn)品國產(chǎn)化提供了必要的技術(shù)儲備，有利于提高我國深遠(yuǎn)海觀測技術(shù)水平。

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