深海高可靠聲學應答釋放器設計與實現

賈立雙，李家軍，馮志濤，張選明

（國家海洋技術中心 天津 300112）

我國海洋國土廣大，海洋環境多樣，所面臨的生態環境保護、海洋防災減災、海上交通安全保障、維護海洋權益等任務十分艱巨。目前，我國海洋環境監測技術裝備發展水平與發達國家相比有較大差距，技術和設備落后的發展水平與沿海地區迅速發展的經濟和日益嚴重的海洋環境污染狀況極不相應，大大制約了海洋經濟的發展。為加大海洋強國建設的步伐，提升國家海洋環境監測技術的實力，增強海洋防災減災能力，迫切要求我們盡快研制新型的高技術的海洋環境監測設備。

國家“十二五”海洋科學和技術發展規劃綱要中明確提出了 “海洋環境監測探測技術裝備國產化水平顯著提高，初步形成深遠海環境監測能力”的發展目標。要實現從淺海向深海的戰略轉移，需要發展適應深遠海探測需要的先進技術與裝備。深海聲學應答釋放器（以下簡稱聲學釋放器）是在海洋救助打撈，海洋工程，水下作業中大量使用的設備之一。發展高效可靠的聲學釋放器，可有效提高深遠海監測探測能力，促進海洋環境監測探測技術裝備國產化。

1 國外深海聲學應答釋放器綜述

目前國外聲學釋放器技術發展比較完善，研制了多種型號的聲學釋放器產品，并逐步向多功能多特性方面發展，比較著名的生產廠商包括美國Benthos公司、法國IXSEA公司、英國Sonardyne公司等。這些公司生產的聲學釋放器的主要技術特征為：1）聲信號工作頻率均處于7～15 kHz之間；2）最大水下待機時間一般為2年（IXSEA公司的產品使用鋰電池待機時間可達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度碳鋼為殼體材料；6）水面甲板單元大都具備遙測距離功能及回饋釋放是否執行功能；此外有些聲學釋放器還配備了壓力傳感器，水面甲板單元可發送命令獲取釋放器所處深度信息；7）在釋放執行機構方面，主要采用高扭矩電機驅動鎖緊銷上下伸縮或回旋旋轉方式釋放，也有部分采用氣動分離方式（日本NGK公司的產品主要是氣動分離）和熔斷絲分離方式釋放；8）水聲換能器方面，通常采用溢流式結構，使陶瓷管內外壓力平衡，避免因工作環境高壓力（通常幾千到上萬米）損壞水聲換能器；9）電路方面，國外聲學釋放器普遍采用微功耗值班電路和大功率電路二級供電體制，電路分為電源管理電路、值班解碼電路、應答發射電路、釋放控制電路等電路。電源管理電路負責各電路上、斷電，低功耗值班解碼電路長期工作，其他電路則根據水面甲板單元指令完成相應工作，工作完成后系統再次循環進人低功耗值班狀態；10）實際使用方面，聲學釋放器通常采用雙機并聯結構使用，這樣可提高聲學釋放器釋放執行機構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裝置。

2 深海聲學應答釋放器設計

“十一五”期間，在國家高技術研究發展計劃（863計劃）的支持下，國家海洋技術中心開展了聲學釋放器的研究工作，成功研制了工程樣機并完成了海上通信實驗。

2.1 結構設計

聲學釋放器主要由水聲換能器、密封殼體、控制電路、電機、釋放驅動機構、電池組等組成（見圖1）。水聲換能器是進行聲學信號和電信號相互轉換的部件，為保證滿足6000米耐壓要求，一般采用溢流式結構設計，內部充入蓖麻油。密封殼體為其他部件提供耐壓保護，設計上要求能夠承受大深度水靜壓力，且要達到重量輕、體積小、耐海水腐蝕等目標?？刂齐娐肥钦麄€聲學釋放器的核心，負責指令合成判讀、信息交互等智能工作。電機及釋放驅動機構具體執行釋放動作，采用高減速比結構設計并完成扭矩傳遞。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，考慮聲學釋放器工作環境溫度對電池容量的影響，電池容量設計有30%以上的余量。

圖1 釋放器結構圖Fig.1 Acoustic releaser structure

2.2 電路設計

聲學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?？刂茊卧捎胏8051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技術，該技術具有頻率合成速度快、精度高、穩定性好的特點。信號接收濾波電路采用兩路固定頻率濾波方式工作。信號發射功放電路使用兩個N溝道mos管組成互補型共源極推挽功率放大電路，實現千伏、百瓦級功率輸出。電機驅動采用H型全橋式電路，這種驅動電路可以很方便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。

2.3 程序設計

聲學釋放器程序要完成編碼、解碼、釋放、應答等一系列工作。本聲學釋放器的程序采用C語言編寫，應用Keil C51編譯環境開發。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 可靠性分析與設計

由于聲學釋放器所處環境的特殊性以及在技術上的特殊要求，使其可靠性的要求比地面系統及儀器更為嚴格，為保證聲學釋放器的性能，應對其可靠性進行深入分析計算并采取相應措施。深海聲學應答釋放器的可靠度主要包括電子部分、結構部分和聲學指令傳輸部分。

3.1 電子部分

本課題的電子電路采用模塊化設計，使用故障率很低的集成電路和軍工級器件，有效地降低了整個電路的故障率。根據挨勒斯（Elares）表中各種元器件的失效率，可計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為工作時間2年=17 520小時）。

3.2 結構部分

水下釋放器機械結構的失效主要包括殼體受拉力及壓力引起的強度失效、殼體密封失效、電機失效、傳遞機構失效、釋放機構失效等。預分配機械部分的可靠度R2為0.92，其中，在強度設計中取安全系數n=1.5時，則機械強度可靠度為0.997 2；根據經驗，殼體密封和電機的可靠度均可達0.99以上；則預分配給傳遞機構和釋放機構的可靠度為0.941 0。該部件的可靠性通過對傳遞機構進行簡化設計和標準化設計，對釋放機構進行疲勞設計和耐環境設計，同時加強可靠性實驗來保證。

3.3 聲學指令傳輸部分

設計接收信號的檢測閾值為26 dB，則單個脈沖信號的檢測概率 P（D）為 0.995，虛警概率 P（FA）為 0.01。 單組編碼包括 10 個脈沖，其檢測概率為：P′（D）=[P（D）]10=0.995 10≈0.95。編碼由兩個通道組成，則虛警誤動作概率為（p（FA）*2）10/28=4×10－20。設釋放器在位工作時間內，出現誤動作的概率為P′（FA）， 則：1－P′（FA）=（1－4×10－20）t′/t， 其中 t為單組編碼用時，t′為釋放器在位時間。因為（4×10－20）＜＜1，二項式展開后，可認為：P′（FA）≈t′/t×4×10－20，按設計 t=1.536 s，t′=2 年=63 072 000 s，則在 2 年內虛警引起的誤動作概率為 P′（FA）=1.642 5×10－12。因此，聲學應答釋放器單機可靠度預計：R=R1*R2=0.943*0.92*（1－1.642 5×10－12）=0.867 6。 若采用雙機并聯，其可靠度為：R雙=（2－R）*R=（2－0.867 6）*0.867 6=0.982 5。

3.4 可靠性設計

由于聲學釋放器長期在海洋底部較低溫度環境工作，將承受高水靜壓力作用及海水的腐蝕。因此系統設計時應采取相應的措施，提高系統的安全性和可靠性：1）設計和制作電子電路時注意元器件的選用及減額使用問題；2）機械設計方面按照概率工程設計的要求，使設計的零件在滿足可靠度的前提下，達到安全可靠、價格低、重量輕、體積??；3）總體設計及封裝方面應用環境防護技術，采取熱設計、沖擊和振動的防護設計、化學防護設計、電磁兼容設計等防范措施。

4 海上試驗

4.1 試驗設計

為檢驗研制的聲學釋放器工程樣機的通信性能，2012年3月份，科研人員在青島嶗山海域對其進行海上通信實驗。實驗使用GPS定位儀校驗距離，同時使用一臺Oceano－2500進口聲學釋放器作為比測設備，聲學釋放器與甲板單元分別置于兩艘漁船上，按不同距離進行通信測距及釋放實驗。

4.2 實驗結果與分析

表1為實驗結果記錄表。分析表1測試結果可以發現，國產釋放器與進口釋放器距離測值相比較，大致相同，且試驗中多次測值均比較穩定無明顯變化。在實驗中發現，測試距離在8 000～10 000 m時，國產釋放器與進口釋放器測距、釋放均穩定可靠；11 000 m以遠國產釋放器與進口釋放器整體通信效果較差。

從表1中還可以發現聲學釋放器距離測量值與GPS顯示值存在一定差距，分析其原因為：1）GPS進行定位時兩船還存在相對移動；2）聲學釋放器進行計算時采用的聲速值與實際聲速存在差異。

表1 距離測量與釋放試驗結果Tab.1 Result of distance measurement and release experiment

5 結束語

聲學釋放器是海洋環境監測、海洋開發和海洋資源調查、海洋工程建設等多個領域中不可或缺的主要設備之一。同時，聲學釋放器在海洋軍事監測中也大量應用，未來海上試驗場區水下監測工作站的建設和水下通訊網絡的建設也離不開性能優越的聲學應答釋放器。此外，目前國內使用的聲學釋放器幾乎全部依賴進口，每年需耗費大量的外匯。因此，研制具有自主知識產權的深海高可靠聲學應答釋放器刻不容緩，勢在必行。

本文介紹的聲學釋放器工程樣機淺海通信性能與進口釋放器基本相當，還需進一步進行深海長時間的通信待機實驗，以便完善其性能，驗證可靠性，早日實現聲學釋放器國產化。

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