賈立雙，李家軍，馮志濤，張選明

（國家海洋技術(shù)中心 天津 300112）

我國海洋國土廣大，海洋環(huán)境多樣，所面臨的生態(tài)環(huán)境保護(hù)、海洋防災(zāi)減災(zāi)、海上交通安全保障、維護(hù)海洋權(quán)益等任務(wù)十分艱巨。目前，我國海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備發(fā)展水平與發(fā)達(dá)國家相比有較大差距，技術(shù)和設(shè)備落后的發(fā)展水平與沿海地區(qū)迅速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)和日益嚴(yán)重的海洋環(huán)境污染狀況極不相應(yīng)，大大制約了海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為加大海洋強(qiáng)國建設(shè)的步伐，提升國家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)力，增強(qiáng)海洋防災(zāi)減災(zāi)能力，迫切要求我們盡快研制新型的高技術(shù)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備。

國家“十二五”海洋科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要中明確提出了 “海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)探測(cè)技術(shù)裝備國產(chǎn)化水平顯著提高，初步形成深遠(yuǎn)海環(huán)境監(jiān)測(cè)能力”的發(fā)展目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)從淺海向深海的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，需要發(fā)展適應(yīng)深遠(yuǎn)海探測(cè)需要的先進(jìn)技術(shù)與裝備。深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器（以下簡(jiǎn)稱聲學(xué)釋放器）是在海洋救助打撈，海洋工程，水下作業(yè)中大量使用的設(shè)備之一。發(fā)展高效可靠的聲學(xué)釋放器，可有效提高深遠(yuǎn)海監(jiān)測(cè)探測(cè)能力，促進(jìn)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)探測(cè)技術(shù)裝備國產(chǎn)化。

1 國外深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器綜述

目前國外聲學(xué)釋放器技術(shù)發(fā)展比較完善，研制了多種型號(hào)的聲學(xué)釋放器產(chǎn)品，并逐步向多功能多特性方面發(fā)展，比較著名的生產(chǎn)廠商包括美國Benthos公司、法國IXSEA公司、英國Sonardyne公司等。這些公司生產(chǎn)的聲學(xué)釋放器的主要技術(shù)特征為：1）聲信號(hào)工作頻率均處于7～15 kHz之間；2）最大水下待機(jī)時(shí)間一般為2年（IXSEA公司的產(chǎn)品使用鋰電池待機(jī)時(shí)間可達(dá)9年）；3）最大水下釋放載荷為2～5噸；4）作用距離斜距在 5～10 km（海況條件良好情況下）；5）大多以不銹鋼或高強(qiáng)度碳鋼為殼體材料；6）水面甲板單元大都具備遙測(cè)距離功能及回饋釋放是否執(zhí)行功能；此外有些聲學(xué)釋放器還配備了壓力傳感器，水面甲板單元可發(fā)送命令獲取釋放器所處深度信息；7）在釋放執(zhí)行機(jī)構(gòu)方面，主要采用高扭矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)鎖緊銷上下伸縮或回旋旋轉(zhuǎn)方式釋放，也有部分采用氣動(dòng)分離方式（日本NGK公司的產(chǎn)品主要是氣動(dòng)分離）和熔斷絲分離方式釋放；8）水聲換能器方面，通常采用溢流式結(jié)構(gòu)，使陶瓷管內(nèi)外壓力平衡，避免因工作環(huán)境高壓力（通常幾千到上萬米）損壞水聲換能器；9）電路方面，國外聲學(xué)釋放器普遍采用微功耗值班電路和大功率電路二級(jí)供電體制，電路分為電源管理電路、值班解碼電路、應(yīng)答發(fā)射電路、釋放控制電路等電路。電源管理電路負(fù)責(zé)各電路上、斷電，低功耗值班解碼電路長期工作，其他電路則根據(jù)水面甲板單元指令完成相應(yīng)工作，工作完成后系統(tǒng)再次循環(huán)進(jìn)人低功耗值班狀態(tài)；10）實(shí)際使用方面，聲學(xué)釋放器通常采用雙機(jī)并聯(lián)結(jié)構(gòu)使用，這樣可提高聲學(xué)釋放器釋放執(zhí)行機(jī)構(gòu)在深海工作的可靠性，此外，幾乎所有水下釋放器還附有犧牲陽極保護(hù)裝置。

2 深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器設(shè)計(jì)

“十一五”期間，在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）的支持下，國家海洋技術(shù)中心開展了聲學(xué)釋放器的研究工作，成功研制了工程樣機(jī)并完成了海上通信實(shí)驗(yàn)。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聲學(xué)釋放器主要由水聲換能器、密封殼體、控制電路、電機(jī)、釋放驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電池組等組成（見圖1）。水聲換能器是進(jìn)行聲學(xué)信號(hào)和電信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的部件，為保證滿足6000米耐壓要求，一般采用溢流式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)部充入蓖麻油。密封殼體為其他部件提供耐壓保護(hù)，設(shè)計(jì)上要求能夠承受大深度水靜壓力，且要達(dá)到重量輕、體積小、耐海水腐蝕等目標(biāo)?？刂齐娐肥钦麄€(gè)聲學(xué)釋放器的核心，負(fù)責(zé)指令合成判讀、信息交互等智能工作。電機(jī)及釋放驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具體執(zhí)行釋放動(dòng)作，采用高減速比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并完成扭矩傳遞。電池組負(fù)責(zé)為整個(gè)裝置提供能量，設(shè)計(jì)上選用容量高、體積重量小的鋰電池，考慮聲學(xué)釋放器工作環(huán)境溫度對(duì)電池容量的影響，電池容量設(shè)計(jì)有30%以上的余量。

圖1 釋放器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Acoustic releaser structure

2.2 電路設(shè)計(jì)

聲學(xué)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(hào)接收濾波電路、信號(hào)發(fā)射功放電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成?？刂茊卧捎胏8051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)字頻率合成技術(shù)，該技術(shù)具有頻率合成速度快、精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。信號(hào)接收濾波電路采用兩路固定頻率濾波方式工作。信號(hào)發(fā)射功放電路使用兩個(gè)N溝道m(xù)os管組成互補(bǔ)型共源極推挽功率放大電路，實(shí)現(xiàn)千伏、百瓦級(jí)功率輸出。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用H型全橋式電路，這種驅(qū)動(dòng)電路可以很方便實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限驅(qū)動(dòng)。實(shí)際工作中一般選用大功率達(dá)林頓管或場(chǎng)效應(yīng)管作為開關(guān)管。

2.3 程序設(shè)計(jì)

聲學(xué)釋放器程序要完成編碼、解碼、釋放、應(yīng)答等一系列工作。本聲學(xué)釋放器的程序采用C語言編寫，應(yīng)用Keil C51編譯環(huán)境開發(fā)。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(shì)。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)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(gè)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2為控制程序流程圖。

圖2 釋放器控制程序流程圖Fig.2 Acoustic releaser control program process diagram

3 可靠性分析與設(shè)計(jì)

由于聲學(xué)釋放器所處環(huán)境的特殊性以及在技術(shù)上的特殊要求，使其可靠性的要求比地面系統(tǒng)及儀器更為嚴(yán)格，為保證聲學(xué)釋放器的性能，應(yīng)對(duì)其可靠性進(jìn)行深入分析計(jì)算并采取相應(yīng)措施。深海聲學(xué)應(yīng)答釋放器的可靠度主要包括電子部分、結(jié)構(gòu)部分和聲學(xué)指令傳輸部分。

3.1 電子部分

本課題的電子電路采用模塊化設(shè)計(jì)，使用故障率很低的集成電路和軍工級(jí)器件，有效地降低了整個(gè)電路的故障率。根據(jù)挨勒斯（Elares）表中各種元器件的失效率，可計(jì)算得水下釋放器電路的總故障率λ約為3.352 3×10-6，電路可靠度R1=e-λT=0.943（T為工作時(shí)間2年=17 520小時(shí)）。

3.2 結(jié)構(gòu)部分

水下釋放器機(jī)械結(jié)構(gòu)的失效主要包括殼體受拉力及壓力引起的強(qiáng)度失效、殼體密封失效、電機(jī)失效、傳遞機(jī)構(gòu)失效、釋放機(jī)構(gòu)失效等。預(yù)分配機(jī)械部分的可靠度R2為0.92，其中，在強(qiáng)度設(shè)計(jì)中取安全系數(shù)n=1.5時(shí)，則機(jī)械強(qiáng)度可靠度為0.997 2；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，殼體密封和電機(jī)的可靠度均可達(dá)0.99以上；則預(yù)分配給傳遞機(jī)構(gòu)和釋放機(jī)構(gòu)的可靠度為0.941 0。該部件的可靠性通過對(duì)傳遞機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，對(duì)釋放機(jī)構(gòu)進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)和耐環(huán)境設(shè)計(jì)，同時(shí)加強(qiáng)可靠性實(shí)驗(yàn)來保證。

3.3 聲學(xué)指令傳輸部分

設(shè)計(jì)接收信號(hào)的檢測(cè)閾值為26 dB，則單個(gè)脈沖信號(hào)的檢測(cè)概率 P（D）為 0.995，虛警概率 P（FA）為 0.01。 單組編碼包括 10 個(gè)脈沖，其檢測(cè)概率為：P′（D）=[P（D）]10=0.995 10≈0.95。編碼由兩個(gè)通道組成，則虛警誤動(dòng)作概率為（p（FA）*2）10/28=4×10－20。設(shè)釋放器在位工作時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)誤動(dòng)作的概率為P′（FA）， 則：1－P′（FA）=（1－4×10－20）t′/t， 其中 t為單組編碼用時(shí)，t′為釋放器在位時(shí)間。因?yàn)椋?×10－20）＜＜1，二項(xiàng)式展開后，可認(rèn)為：P′（FA）≈t′/t×4×10－20，按設(shè)計(jì) t=1.536 s，t′=2 年=63 072 000 s，則在 2 年內(nèi)虛警引起的誤動(dòng)作概率為 P′（FA）=1.642 5×10－12。因此，聲學(xué)應(yīng)答釋放器單機(jī)可靠度預(yù)計(jì)：R=R1*R2=0.943*0.92*（1－1.642 5×10－12）=0.867 6。 若采用雙機(jī)并聯(lián)，其可靠度為：R雙=（2－R）*R=（2－0.867 6）*0.867 6=0.982 5。

3.4 可靠性設(shè)計(jì)

由于聲學(xué)釋放器長期在海洋底部較低溫度環(huán)境工作，將承受高水靜壓力作用及海水的腐蝕。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的措施，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性：1）設(shè)計(jì)和制作電子電路時(shí)注意元器件的選用及減額使用問題；2）機(jī)械設(shè)計(jì)方面按照概率工程設(shè)計(jì)的要求，使設(shè)計(jì)的零件在滿足可靠度的前提下，達(dá)到安全可靠、價(jià)格低、重量輕、體積?。?）總體設(shè)計(jì)及封裝方面應(yīng)用環(huán)境防護(hù)技術(shù)，采取熱設(shè)計(jì)、沖擊和振動(dòng)的防護(hù)設(shè)計(jì)、化學(xué)防護(hù)設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)等防范措施。

4 海上試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為檢驗(yàn)研制的聲學(xué)釋放器工程樣機(jī)的通信性能，2012年3月份，科研人員在青島嶗山海域?qū)ζ溥M(jìn)行海上通信實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用GPS定位儀校驗(yàn)距離，同時(shí)使用一臺(tái)Oceano－2500進(jìn)口聲學(xué)釋放器作為比測(cè)設(shè)備，聲學(xué)釋放器與甲板單元分別置于兩艘漁船上，按不同距離進(jìn)行通信測(cè)距及釋放實(shí)驗(yàn)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表1為實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表。分析表1測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)釋放器與進(jìn)口釋放器距離測(cè)值相比較，大致相同，且試驗(yàn)中多次測(cè)值均比較穩(wěn)定無明顯變化。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，測(cè)試距離在8 000～10 000 m時(shí)，國產(chǎn)釋放器與進(jìn)口釋放器測(cè)距、釋放均穩(wěn)定可靠；11 000 m以遠(yuǎn)國產(chǎn)釋放器與進(jìn)口釋放器整體通信效果較差。

從表1中還可以發(fā)現(xiàn)聲學(xué)釋放器距離測(cè)量值與GPS顯示值存在一定差距，分析其原因?yàn)椋?）GPS進(jìn)行定位時(shí)兩船還存在相對(duì)移動(dòng)；2）聲學(xué)釋放器進(jìn)行計(jì)算時(shí)采用的聲速值與實(shí)際聲速存在差異。

表1 距離測(cè)量與釋放試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Result of distance measurement and release experiment

5 結(jié)束語

聲學(xué)釋放器是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋開發(fā)和海洋資源調(diào)查、海洋工程建設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域中不可或缺的主要設(shè)備之一。同時(shí)，聲學(xué)釋放器在海洋軍事監(jiān)測(cè)中也大量應(yīng)用，未來海上試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)水下監(jiān)測(cè)工作站的建設(shè)和水下通訊網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)也離不開性能優(yōu)越的聲學(xué)應(yīng)答釋放器。此外，目前國內(nèi)使用的聲學(xué)釋放器幾乎全部依賴進(jìn)口，每年需耗費(fèi)大量的外匯。因此，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深海高可靠聲學(xué)應(yīng)答釋放器刻不容緩，勢(shì)在必行。

本文介紹的聲學(xué)釋放器工程樣機(jī)淺海通信性能與進(jìn)口釋放器基本相當(dāng)，還需進(jìn)一步進(jìn)行深海長時(shí)間的通信待機(jī)實(shí)驗(yàn)，以便完善其性能，驗(yàn)證可靠性，早日實(shí)現(xiàn)聲學(xué)釋放器國產(chǎn)化。

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