張龍偉，李中政，董黃偉

基于UUV的海洋環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張龍偉1，李中政2，董黃偉1

(1. 杭州瑞利海洋裝備有限公司，杭州 310023；2. 92859部隊(duì)，天津 300061）

海洋環(huán)境測(cè)量是世界各國(guó)推進(jìn)海洋戰(zhàn)略的重要抓手，近年來(lái)我國(guó)海洋環(huán)境測(cè)量技術(shù)取得了很大的發(fā)展，本文以水下無(wú)人航行器（Unmanned Under-water Vehicle，UUV）為海洋環(huán)境測(cè)量平臺(tái)，簡(jiǎn)述UUV水下環(huán)境測(cè)量的原理和特點(diǎn)。研究基于前視避障聲納及水聲通訊等設(shè)備設(shè)計(jì)防碰撞的測(cè)量方法，討論測(cè)量效率及應(yīng)用方法，進(jìn)行側(cè)掃聲納地貌探測(cè)、噪聲測(cè)量單元水文噪聲測(cè)量及聲速測(cè)量單元進(jìn)行聲速剖面測(cè)量。

UUV 側(cè)掃聲納 噪聲測(cè)量 聲速剖面

0 引言

海洋環(huán)境物理參量信息對(duì)船舶航行安全、海洋生產(chǎn)活動(dòng)、海上戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境保障、氣象水文建模等都具有重大意義[1]，海洋環(huán)境信息的掌握是進(jìn)行海洋開(kāi)發(fā)、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋管理和軍事保障的主要決策依據(jù)[2]。海洋環(huán)境物理參量調(diào)查技術(shù)在海洋油氣勘探、海底構(gòu)造研究、油氣管線調(diào)查、海灣大橋工程及海底隧道工程可行性研究等方面均取得了一定成功的經(jīng)驗(yàn)。

傳統(tǒng)的海洋環(huán)境物理參量服務(wù)采用的平臺(tái)為水面測(cè)量船搭載探測(cè)設(shè)備的模式進(jìn)行，近幾年出現(xiàn)的無(wú)人艇（USV）、水下遙控機(jī)器人（ROV）、水下自控機(jī)器人（AUV）等新平臺(tái)技術(shù)的逐漸成熟，也豐富了探測(cè)的手段，并提高了探測(cè)的效率。國(guó)內(nèi)外目前有很多研究機(jī)構(gòu)和公司開(kāi)展了海洋環(huán)境物理參量測(cè)量平臺(tái)自動(dòng)化方面的研究，UUV是研究中的熱點(diǎn)，在軍事和民用都有廣闊的應(yīng)用前景。

1 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

UUV是一種可潛入水下，依靠自帶能源、自推進(jìn)、遙控或自主控制，通過(guò)配置海洋環(huán)境測(cè)量設(shè)備對(duì)海底地貌測(cè)繪、水文氣象和海洋水聲監(jiān)測(cè)[3]。本測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成如圖1所示?；赨UV的海洋環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)具備體量小、隱蔽性高、自主性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)配置不同載荷設(shè)備即可執(zhí)行不同任務(wù)，能回收和反復(fù)使用，在海洋環(huán)境測(cè)量、海底地形測(cè)繪和水下障礙物搜索定位等方面具備廣泛的應(yīng)用前景。

圖1 基于UUV的海洋環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)主要由平臺(tái)子系統(tǒng)和載荷子系統(tǒng)組成。組成框圖如圖2所示。其中載荷子系統(tǒng)安裝于載荷段1中，該倉(cāng)設(shè)計(jì)外形與平臺(tái)子系統(tǒng)外形尺寸相同，共用流體力學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)則，之間采用徑向密封及螺釘固定的方式連接，保證在水下航行過(guò)程中保持姿態(tài)穩(wěn)定性。密封段與透水段之間采用密封端蓋連接，外部接口均采用水密連接器及水密纜，實(shí)現(xiàn)艙段之間的電氣連接。載荷子系統(tǒng)供電從平臺(tái)子系統(tǒng)管理單元引出。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)組成框圖

載荷子系統(tǒng)通過(guò)在受力較小及不需要水密的透水部分，選用密度較小的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在空隙部位增加浮力材料提升重量配平工作。在電子倉(cāng)內(nèi)電路板之間間隙也放置浮力材料，進(jìn)一步增加載荷子系統(tǒng)的配平能力。載荷子系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)如圖3所示。其中側(cè)掃聲納單元換能器采用嵌入式安裝方案，將換能器嵌入到UUV外殼開(kāi)槽中，將換能器線穿入艙體內(nèi)部，接至電路。換能器安裝角度設(shè)定為通用模式的140°。

圖3 載荷子系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

2 功能設(shè)計(jì)

2.1 通訊功能

在海洋環(huán)境中，聲音傳播的距離與頻率緊密相關(guān)。為了選取合適的中心頻率，最佳工作頻率計(jì)算如下所示[4]：

當(dāng)通信距離為2 km時(shí)，fc=20 kHz；當(dāng)通信距離為3 km時(shí)，通信頻段為16 kHz。所以，綜合考慮技術(shù)指標(biāo)要求和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并兼容一定的通信帶寬要求，本測(cè)量系統(tǒng)選用設(shè)備工作頻率設(shè)置為8 kHz～16 kHz，通信速率≥6 kbps，通信距離≥22 km，誤碼率≤10-4。

2.2 水下定位功能

水下定位利用信標(biāo)發(fā)射信號(hào)到達(dá)接收基陣之間的時(shí)延差和測(cè)量信標(biāo)到基陣中心的斜距進(jìn)行，本測(cè)量系統(tǒng)使用水下定位設(shè)備工作頻段為20～30 kHz，定位精度為1m±1%R（R為斜距，垂直入射角＜60°），作用距離1500 m，可同時(shí)定位5個(gè)目標(biāo)。

2.3 前視避障

前視避障功能選用適用于水下成像領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的超小型、低功耗多波束成像聲吶。采用先進(jìn)的實(shí)時(shí)多波束形成成像技術(shù)和先進(jìn)的信號(hào)處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)0.75 cm的距離分辨率和最大60 Hz的圖像刷新率，確保視頻級(jí)聲吶成像。設(shè)備工作頻率為720 kHz，水平接收波束寬度為1°，垂直發(fā)射波束狂賭20°，水平波束開(kāi)角范圍120°，最遠(yuǎn)探測(cè)范圍可達(dá)120 m。

2.4 噪聲測(cè)量

噪聲測(cè)量單元性能指標(biāo)如下：

工作頻率范圍： 20 Hz～10 kHz；

水聽(tīng)器聲壓靈敏度（含前放）：≥-170dB（前放增益26 dB），一致性±1.5 dB；

前放增益調(diào)節(jié)：20 dB、26 dB、32 dB、38dB

采樣頻率：最大64 kHz，可調(diào)節(jié)；

精度：24位；

自噪聲：不大于38 dB re uPa/√Hz @ 1kHz；

測(cè)量信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍：100.6 dB；

2.5 地貌測(cè)量

側(cè)掃聲納式基于回聲探測(cè)原理進(jìn)行水下目標(biāo)探測(cè)，工作時(shí)換能器按照設(shè)計(jì)頻率發(fā)射和接收聲波，并得到一系列回波。由于換能器接收到的水底各點(diǎn)回波的時(shí)間有先后之分，當(dāng)聲波船舶距離越遠(yuǎn)時(shí)，換能器接收到回波的時(shí)間越長(zhǎng)，且距離越遠(yuǎn)回波信號(hào)越弱[5]，回波強(qiáng)度如圖3所示。

圖4 側(cè)掃聲納回波強(qiáng)度示意圖

側(cè)掃聲納技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)指標(biāo)參數(shù)

2.6 聲速測(cè)量

聲速測(cè)量單元是專(zhuān)門(mén)用于測(cè)量聲波在水中傳播速度的儀器，可通過(guò)RS232協(xié)議與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

3 測(cè)量方法

UUV能夠順利完成任務(wù)必須有一條安全最優(yōu)的路徑提供保障。在路徑規(guī)劃中，所生成的路徑質(zhì)量對(duì)UUV的安全航行和成功完成任務(wù)起到了至關(guān)重要的作用[6]。本系統(tǒng)為測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種“弓”自行測(cè)量路徑，設(shè)計(jì)路徑如圖4所示。

圖4 UUV測(cè)量路徑規(guī)劃示意圖

其中AB及其平行線為測(cè)量單元測(cè)量路徑，BC及其平行線為轉(zhuǎn)向區(qū)域。為滿足側(cè)掃聲納獲取到的地貌數(shù)據(jù)質(zhì)量，設(shè)計(jì)中的路徑間隔為100 m。測(cè)量平臺(tái)根據(jù)側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行底跟蹤處理，可獲取到距離海底的高度信息作為離底高度參數(shù)。前視避障聲納可實(shí)時(shí)獲取到測(cè)量系統(tǒng)前進(jìn)方向聲學(xué)影像信息，根據(jù)回波信息將前進(jìn)方向左右各45°以每度一位共90位，零表示安全，1表示有障礙物。平臺(tái)子系統(tǒng)控制單元根據(jù)前視避障聲納數(shù)據(jù)保障探測(cè)作業(yè)安全。

4 試驗(yàn)與測(cè)試情況

海底側(cè)掃聲圖像可分類(lèi)為：目標(biāo)圖像、地貌圖像和水體圖像等。

目標(biāo)圖像包括沉船、礁石、電纜、水下障礙物及水下建筑物等。同時(shí)根據(jù)判釋聲圖的不同需要，還可作進(jìn)一步分類(lèi)。

地貌圖像包括沙帶、沙川、斷巖、溝槽及各種混合形成的地貌圖像。

水體圖像包括水中散體條紋、溫度躍層、尾流塊狀、水中氣泡等圖像。

聲圖像的相關(guān)特性和各自特征其依據(jù)是圖像形狀、色調(diào)、大小、陰影和相關(guān)體等。形狀是指各類(lèi)圖形的外貌輪廓，色調(diào)是指襯度和圖像深淺的灰度。大小是指各類(lèi)圖像在聲圖上的幾何形狀大小，陰影是指聲波被遮檔的區(qū)域，相關(guān)體是指伴隨某種圖像同時(shí)出現(xiàn)的不定形狀的圖像。

測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5～圖7所示。

圖5 測(cè)量系統(tǒng)獲取到的地貌數(shù)據(jù)

圖6 測(cè)量系統(tǒng)獲取到的聲速數(shù)據(jù)

圖7 測(cè)量系統(tǒng)獲取到的噪聲數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

本文中UUV測(cè)量系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，平臺(tái)子系統(tǒng)和載荷子系統(tǒng)設(shè)計(jì)為分倉(cāng)模式，通過(guò)合理設(shè)計(jì)。有關(guān)航行及平臺(tái)安全系統(tǒng)集中設(shè)計(jì)在平臺(tái)子系統(tǒng)中。有關(guān)水文環(huán)境測(cè)量功能單元單獨(dú)設(shè)計(jì)艙段。各艙段配置為弱正浮力，通過(guò)設(shè)計(jì)為統(tǒng)一機(jī)械接口可完成組合或單一載荷單元作業(yè)模式，使測(cè)量系統(tǒng)具備功能可調(diào)節(jié)性。根據(jù)探測(cè)功能需求可進(jìn)行快速更替載荷段，使測(cè)量系統(tǒng)具備多功能用途。

目前UUV平臺(tái)多采用螺旋槳作為推進(jìn)裝置，可以通過(guò)改進(jìn)UUV推進(jìn)系統(tǒng)為泵噴系統(tǒng)，來(lái)降低推進(jìn)系統(tǒng)噪聲，提升噪聲測(cè)量單元對(duì)水文環(huán)境噪聲測(cè)量能力。

[1] 劉振沖, 船載海洋水文環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D]. 江蘇科技大學(xué), 2016.

[2] 陳奎英, 興海強(qiáng)國(guó)—加快海洋信息化建設(shè)步伐[J]. 海洋信息. 2004,（2）: 4-7.

[3] 陳強(qiáng), 國(guó)外UUV系統(tǒng)在海洋調(diào)查中的應(yīng)用, 艦船科學(xué)技術(shù). 2012, (10): 133-136.

[4] 王蕾, 懸跨海底管道的側(cè)掃聲納檢測(cè)方法[J]. 石油機(jī)械. 2013, 41(5): 50-54.

[5] 于輝, 自主式水下機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究, 華中科技大學(xué). 2014, (10).

[6] 于大海, 弱通信條件下的多水下機(jī)器人任務(wù)分配方法研究[D]. 哈爾冰工程大學(xué), 2013.

Design of a marine environment measurement system based on UUV

Zhang Longwei1，Li Zhongzheng2，Dong Huangwei1

(1. Hangzhou Ruili Marine equipment Co., Ltd., Hangzhou, 310023; 2. Unit 92859, Tianjing 300061, China)

TM612

A

1003-4862（2023）08-0038-04

2023-06-01

張龍偉(1988-)，男，工程師。主要從事電子電路、磁學(xué)及地球物理勘測(cè)方向技術(shù)研究。E-mail: 940600624@qq.com