朱 飛,顧睿峰
(中船重工鵬力(南京)大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司,南京 211153)
走航式聲學(xué)多普勒海流剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)可以在船舶航行過程中對其所經(jīng)過航跡點的水下剖面海流流速、流向進行直接、高效、連續(xù)的觀測,具有不擾動流場、測量歷時短、測流范圍大以及可充分利用航渡時間等優(yōu)點。ADCP可靈活安裝在遠洋捕撈船、運輸船、科考船、各類海洋觀測浮標平臺上使用,廣泛應(yīng)用于水下平臺作業(yè)保障、海洋調(diào)查科學(xué)研究等各個領(lǐng)域[1],為海洋動力、氣候變化和海洋生物化學(xué)等海洋過程研究提供不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
船載走航式ADCP測量技術(shù)比較成熟,但船載安裝工藝缺陷或考慮不周會導(dǎo)致ADCP船載走航式應(yīng)用中出現(xiàn)諸如浮游物刮擦和碰撞、船舶航行氣泡干擾、水體生物附著[2]或侵蝕、安裝位置和方向錯誤等一系列問題,從而導(dǎo)致設(shè)備測量精度、穩(wěn)定性和量程降低,甚至是換能器失效或損毀。因此,科學(xué)合理的船載適裝結(jié)構(gòu)和工藝對于ADCP效能發(fā)揮至關(guān)重要。
ADCP一般由換能器、信號處理單元、計算機、連接電纜和應(yīng)用軟件等組成[3],其中換能器安裝在船底,信號處理單元和計算機安裝于船艙內(nèi),換能器和信號處理單元之間用專用電纜連接。
測量矢量流的ADCP一般有多探頭(單波束換能器)組合式換能器和陣列式換能器兩類。本文主要針對第二類,重點闡述其換能器陣列的船載適裝結(jié)構(gòu)和工藝要領(lǐng),對于安裝要求不高或比較容易的信號處理單元和計算機不作贅述。
通過測量各分層海水中顆粒物對聲波的后向散射多普勒頻移,進而根據(jù)多普勒頻移方程計算出徑向剖面流速:
fd=2fs(v/c)cosθ
(1)
式中,fd為多普勒頻移;fs為發(fā)射聲波的頻率;v為海流相對速度;c為海水聲速;θ為真實流向與聲波束指向之間的夾角。
一般需要至少3個聲波束測量得到的速度分量聯(lián)立方程求解,才能獲得水體深度剖面的真實流速和流向。
走航式ADCP指ADCP設(shè)備搭載于船舶等運動平臺,隨船舶的航行移動開展測量工作,得到的是與位置(經(jīng)度、緯度和水深)、時間信息相關(guān)的流速、流向物理參數(shù)。
走航式ADCP海流觀測是一個極為復(fù)雜的過程,其測量要素的準確性涉及許多因素,除了ADCP自身的因素,還包括換能器安裝位置、安裝方式以及校正措施(方法和儀器)等[4]。
ADCP換能器一般安裝在船舶底部,具體安裝位置非常重要,選擇不當(dāng)會對設(shè)備正常工作帶來極大影響,主要有:
(1) 換能器應(yīng)當(dāng)安裝在船舶中前部靠近中軸線的位置,一方面可以保持最大的吃水深度,避免船舶顛簸、海浪沖擊和船底突起物造成的氣泡影響測量環(huán)境,另一方面也有利于降低加速度等傳感器的校正算法難度,提高校正效果;
(2) 換能器應(yīng)當(dāng)遠離螺旋槳,避免螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)空泡效應(yīng)導(dǎo)致的氣泡影響測量環(huán)境;
(3) 換能器安裝位置周邊應(yīng)無突起物,保證每個波束周圍有 15°的開闊角度,避免物體遮擋影響聲波傳播;
(4) 換能器安裝位置應(yīng)遠離其他聲學(xué)探測設(shè)備,尤其是與該ADCP工作頻率或諧波頻率相近的設(shè)備,避免設(shè)備之間相互干擾。
陣列式ADCP屬于精密貴重儀器,安裝使用不當(dāng)很容易造成失效或損壞。船載ADCP安裝一般有直接安裝(陣列表面與水體直接接觸)和加透聲板安裝(陣列表面與水體通過透聲板接觸)兩種方式,直接安裝方式雖然有成本低的優(yōu)點,但其缺陷也很明顯,主要表現(xiàn)在以下幾點:
(1) 從儀器安全性角度,換能器陣列表面容易被刮擦和撞擊,一旦損傷就破壞了換能器與水體的聲匹配,嚴重影響儀器探測性能,而且很難修復(fù);
(2) 從儀器長效性角度,換能器陣列表面必然會出現(xiàn)生物附著現(xiàn)象,不但難于清理,而且在清理時易對陣列表面造成劃痕等損傷,進而影響儀器探測性能;
(3) 從儀器維修性角度,陣列式ADCP不但電路復(fù)雜,而且陣元電路和換能器是一體化的,維修時必須整體拆卸,需要進塢或動用蛙人,難度很大。
由此可見,直接安裝方式僅適合短時間短航程水文調(diào)查作業(yè),長時間長航程業(yè)務(wù)化觀測宜采用加透聲板安裝方式。
ADCP對水流的測量是以儀器所處的相對靜止和確定的角度為參照系,船載ADCP無法回避船舶航行固有的航速、航向、橫傾(搖)、縱傾(搖)、上下顛簸等因素的嚴重影響,因此必須利用六軸加速度計和GPS、羅經(jīng)儀等配合進行補償[5],才能獲得真實準確的水流參數(shù)測量結(jié)果。為此,ADCP的安裝需要統(tǒng)籌考慮校準儀器是否與ADCP處在同一或相近的參照系,否則會影響ADCP的測量精度。
船載ADCP優(yōu)先選擇增設(shè)透聲板的安裝結(jié)構(gòu)形式,將換能器安裝在可以平衡水壓的密閉安裝艙內(nèi),并根據(jù)不同工作頻率選擇相匹配的透聲板,主要由安裝艙、整流罩、水箱、透聲板、安裝井以及必要的密封組件構(gòu)成,如圖1所示。配合使用整流罩的透聲板能有效解決因船只運動產(chǎn)生的氣泡造成的流噪聲對換能器的干擾,在間接提升信噪比的同時很好地平衡了增設(shè)透聲板導(dǎo)致的作用距離變小的缺點,可以獲得更好的數(shù)據(jù)質(zhì)量和量程。
圖1 船載ADCP安裝結(jié)構(gòu)剖視圖
安裝井、整流罩與船體焊接成一體,透聲板則通過金屬固定環(huán)與安裝艙法蘭螺栓連接,水箱須設(shè)置高于船體吃水線的位置,并配有與安裝艙相連接的進水管和排氣管。
安裝井口一般略大于安裝艙外圓直徑5 mm左右。安裝艙裝入后與安裝井法蘭螺栓連接實現(xiàn)船體密封,且兩者之間的間隙須填滿密封膠。因此,無論ADCP安裝艙內(nèi)部是否裝有換能器,均須與船體緊密連接,并定期進行密封檢查。
水箱的箱體高度一般須大于船舶最大吃水差,容積宜為安裝艙容積的1.5倍,并在規(guī)定的水壓下進行密性試驗。
與其他聲學(xué)探測儀器設(shè)備類似,ADCP的探測性能對于聲噪聲非常敏感。為了達到最好的性能,須減輕或者濾除流噪聲,因此在ADCP換能器探頭和水體之間增設(shè)透聲板來隔絕流動的水,進而避免在換能器表面產(chǎn)生流噪聲。
在安裝設(shè)計時,應(yīng)在透聲板與換能器之間留有一定的距離(實驗結(jié)果為6.4 mm~12.7 mm),以規(guī)避波束反射[6]造成的交叉干擾,同時還須考慮在換能器安裝艙內(nèi)壁增設(shè)吸聲材料,以降低聲波信號反射造成的混響。
3.3.1 透聲板厚度設(shè)計
大量的試驗驗證表明:基于聚碳酸酯材料的透聲板在抗張強度、耐腐蝕以及在不同頻率下聲波吸收的穩(wěn)定性方面都表現(xiàn)優(yōu)異,但厚度對聲波信號的衰減仍影響較大。
圖2~6分別是0.25~3.0 in不同厚度透聲板在不同工作頻率下的單程衰減、雙程衰減和量程損失仿真數(shù)據(jù)結(jié)果。可以看出,0.375 in厚度的透聲板在不同工作頻率ADCP上的應(yīng)用都表現(xiàn)優(yōu)異,其次為0.75 in厚度。
圖2 30°波束角38 kHz-ADCP的聲信號衰減
圖3 30°波束角75 kHz-ADCP的聲信號衰減
圖4 30°波束角150 kHz-ADCP的聲信號衰減
圖5 20°波束角75 kHz-ADCP的聲信號衰減
圖6 20°波束角150 kHz-ADCP的聲信號衰減
3.3.2 透聲板的介入損耗仿真計算
通過建立數(shù)學(xué)模型對優(yōu)選厚度的透聲板在不同工作頻率ADCP中的介入損耗進行了仿真計算,仿真結(jié)果也基本符合試驗實測結(jié)果,如圖7~圖11所示。圖中,Uniform Ave.IL指在X軸表示的頻帶范圍內(nèi)的整體平均介入損耗,Weighted Ave.IL指在ADCP頻率帶寬內(nèi)的平均介入損耗,X軸為頻率,Y軸為預(yù)期的介入損耗,線1表示ADCP在最大帶寬下的主波束,線2表示該厚度的透聲板在該頻段范圍內(nèi)的預(yù)期損耗。
圖7 不同厚度透聲板(@0 ℃,38 kHz)在30°波束角介入損耗
圖8 0.375 in厚度透聲板(@0 ℃,75 kHz)不同波束角介入損耗
圖9 0.75 in厚度透聲板(@0 ℃,75 kHz)不同波束角介入損耗
圖10 0.375 in厚度透聲板(@0 ℃,150 kHz)不同波束角介入損耗
圖11 0.75 in厚度透聲板(@0 ℃,150 kHz)不同波束角介入損耗
安裝艙由圓柱艙體、水密蓋板、水密管法蘭以及必要的消音和密封組件構(gòu)成,如圖12所示。圖中,圓柱腔體有兩層環(huán)形板,底部環(huán)形板用于安裝透聲板,換能器則通過減震器安裝在中部環(huán)形板上;艙體內(nèi)壁須安裝阻尼板并粘貼吸聲材料;水密蓋板、水密管法蘭分別用于安裝艙主體及換能器過線密封,二者對于船體密封至關(guān)重要,一般還須在過線處增設(shè)Roxtec密封組件。
圖12 安裝艙結(jié)構(gòu)剖視圖
為實施遠洋漁船對太平洋西北部、印度洋中西部等漁區(qū)的海洋氣象水文的志愿觀測,2020年末至2021年初,多艘遠洋漁船的走航式ADCP采用本文方案完成了加改裝工作。經(jīng)過長時間的走航觀測以及休漁期的常規(guī)上塢檢修,實船應(yīng)用效果良好,未出現(xiàn)設(shè)備故障及觀測數(shù)據(jù)缺失的現(xiàn)象。
本文介紹了ADCP的工作原理和走航應(yīng)用,分析了影響走航式ADCP探測性能的因素,詳細闡述了船載安裝結(jié)構(gòu)和工藝,著重探討了透聲板在船載ADCP安裝應(yīng)用中的重要性,經(jīng)仿真、試驗和實踐進一步驗證了本文相關(guān)船載安裝工藝要點的正確性及有效性,為走航式ADCP船載安裝提供了依據(jù)和參考。