深海聲學應答釋放器總體設計

賈立雙，張選明，馮志濤，李家軍

（國家海洋技術中心,天津 300112）

深海聲學應答釋放器是水聲遙控系統中的一種常用設備，屬于水聲通信應用范疇，是深海觀測監測系統回收的核心設備。研制深海聲學應答釋放器可促進海洋服務保障技術發展，提升我國深遠海觀測監測能力，為深遠?？茖W研究、海洋監測、海洋經濟、海洋國防建設事業等領域提供支撐技術裝備。

1 深海聲學應答釋放器簡介

深海聲學應答釋放器（以下簡稱釋放器）是一種應用在海洋監測和海洋工程中，通過聲學信號傳遞遙控指令，完成預定動作的遙控設備。以釋放器在深海觀測系統中應用為例：由于安全性、隱蔽性的要求，深海觀測系統的主浮體通常位于海面以下幾十米到幾百米處，一般將釋放器串聯在深海觀測系統的系留索中，完成測量任務后，操作人員使用甲板單元發射聲學指令，釋放器在收到聲學釋放指令后，通過電機驅動釋放機構完成釋放，觀測系統在浮力的作用下浮到水面（見圖1）。

圖1 釋放器工作示意圖

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

2 聲傳輸損失計算

釋放器是一種應用水聲通信技術的設備。進行釋放器總體設計時，應用被動聲吶方程來計算聲波傳輸的距離與衰減。

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；DT 為檢測閾。

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

式中：r 為聲波傳輸的距離（m）；a 為吸收系數（d B/km）；f為聲波頻率（kHz）。

NL 是海洋環境噪聲級。海洋環境噪聲級通常由實測數據確定，在計算中采用經驗公式（4）進行噪聲譜級估算。

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，NL是頻率的減函數。以3級海況、12 kHz工作頻率計算，NL 為55 dB。參考wenz曲線，設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 深海聲學釋放器技術參數

根據聲傳輸理論計算結果，考慮到低頻寬帶大功率水聲換能器的制作難度和成本，參考國外同類產品性能指標，確定所研制釋放器的主要技術參數為：

（1）發射聲源級：>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：改進的FSK編碼；

（6）脈沖寬度：16 mS±1 mS；

（7）待機時間：>2 a；

（8）釋放載荷：>5 t；

（9）整體重量：<30 kg。

4 深海聲學應答釋放器設計

4.1 水聲換能器設計

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換。水聲換能器性能的優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，擁有優異的耐熱性、耐老化性、耐油、耐水、耐溶劑性能、耐化學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（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構成的固溶體，它是一種最重要的壓電陶瓷，現已發展成為PZT基壓電陶瓷系列；水聲換能器內部充入蓖麻油以保證內外壓力平衡，以實現大深度工作耐壓要求。圖3為最終研制的水聲換能器產品，經中科院聲學研究所測試表明，該換能器發射聲源級、接收靈敏度、工作帶寬等指標均能滿足釋放器使用需求。

圖2 壓電陶瓷環

圖3 水聲換能器

4.2 釋放器結構設計

釋放器結構上除水聲換能器外主要由密封殼體、電池組、電機及釋放驅動執行機構等組成。

密封殼體為其它部件提供耐壓保護，設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。

電機及釋放驅動執行機構具體執行釋放動作，采用高減速比結構設計完成扭矩傳遞。釋放驅動機構（圖4）采用電機驅動銷軸旋轉式，選用小功率永磁直流電機作為動力源，直聯大減速比減速器和一級齒輪減速構成動力傳遞機構；當控制軸轉動到預定位置時，掛鉤打開。該結構具有釋放速度快、釋放機構靈活、動作可靠性高、結構緊湊等特點。

釋放執行機構（圖5）在設計上應用了杠桿作用原理，通過杠桿減力，使釋放銷軸所承受的剪切力減小，從而減小電機驅動功率并提高釋放銷軸動密封可靠性。

電池組負責為整個裝置提供能量，設計上選用容量高、體積重量小的鋰電池，考慮環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 釋放器電路設計

圖4 釋放器驅動機構

圖5 釋放器釋放機構

釋放器電路主要由控制單元、A/D轉換電路、頻率發生電路、信號接收濾波電路、信號發射功放電路、電機驅動電路等組成（圖6）。

控制單元采用c8051單片機作為控制核心，該單片機具有豐富的片上資源，自帶12位A/D轉換器，待機功耗極低。

頻率發生電路采用直接數字頻率合成芯片AD9833，該芯片內部包括可編程DDS系統、高性能10位DAC、串行通信接口以及控制電路等，能實現全數字編程控制的頻率合成和時鐘發生器。使用20 MHz時鐘時的輸出頻率分辨率可達0.047 Hz，最大輸出頻率可達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成，總待機電流為2 mA。

信號發射功放電路使用兩個大功率場效應管組成互補型共源極推挽功率放大電路，將發射電壓提高至數千伏進行信號發送。大功率場效應管具有輸入阻抗高，負溫度系數，易于并聯輸出大功率的特點，在低頻段逐漸成為功率器件發展的主流。為保證變壓器的工作性能，提高電路發射電壓，選用具有高電感量的新型微晶電感鐵芯制作變壓器。通常發射電路在工作時，瞬時功率很大，造成發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。

電機驅動采用H型全橋式電路，可以很方便地實現直流電機的四象限驅動。實際工作中一般選用大功率達林頓管或場效應管作為開關管。

4.4 控制程序設計

圖6 釋放器電路框圖

控制程序完成編、解碼及釋放執行等工作。在本釋放器設計中使用Keil C51系統設計編寫控制程序。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編語言相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢。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大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（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是本設計控制程序流程圖。

圖7 流程圖

5 試驗結果與分析

2011年3月份，項目組在天津塘沽海域進行了深海聲學應答釋放器海上測距試驗：試驗租用漁船（裝有船用GPS）兩只，試驗區水深15 m左右，海況2級。試驗進行了多次通信距離試驗以及釋放試驗，通信最大距離達6 700 m。海上試驗結果證明，釋放器指令編碼設計合理，換能器收發指令正常，釋放機構及電機工作正常，整機實現預定設計功能。分析試驗情況發現以下問題：實驗海域靠近航道，周圍大型貨輪多，環境背景噪聲級較高，通信成功率沒有達到100﹪；試驗海區底質為半泥沙底質，對聲信號散射吸收較大，不利于聲信號遠距離傳播。

為進一步驗證深海聲學釋放器整機工作的可靠性及實際使用環境的適應性，2011年6—9月，將所研制的深海聲學釋放器應用于海洋調查潛標，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，潛標系統順利回收。

6 結論

本文介紹的深海聲學應答釋放器工作可靠、穩定，其主要性能指標接近或達到國外同類先進產品技術水平，尤其在作用距離、水下待機功耗等方面取得了創新性成果，具有自主知識產權和良好的產業化前景。該裝備的成功研制填補了國內相關工程產品空白，培養了一支專業化團隊，為推動我國聲學釋放器產品國產化提供了必要的技術儲備，有利于提高我國深遠海觀測技術水平。

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