張同偉 王向鑫 唐嘉陵 秦升杰
(1.國家深海基地管理中心 青島 266237)
(2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室 青島 266237)
(3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋觀測與探測聯(lián)合實驗室 青島 266237)
載人潛水器支持母船是一類具備特殊功能的現(xiàn)代大洋綜合科考船[1~5],不僅可以為載人潛水器深潛作業(yè)提供水下∕水面技術(shù)支持,而且能夠執(zhí)行大洋科學(xué)調(diào)查任務(wù)。載人潛水器深潛作業(yè)支持主要包括:下潛準(zhǔn)備階段的潛水器技術(shù)保障和作業(yè)海區(qū)環(huán)境調(diào)查等;下潛過程中的潛水器布放回收、通信定位和應(yīng)急救援等;下潛完成后的潛水器維護(hù)和樣品處理等。
載人潛水器支持母船聲學(xué)系統(tǒng)應(yīng)具備載人潛水器及其他水下移動載體的作業(yè)支持、地球物理探測、物理海洋探測、海洋生物探測、船舶航行安全保障和其他輔助功能。除了載人潛水器外,水下移動載體主要包括聲學(xué)∕光學(xué)拖體、自主式水下機(jī)器人(AUV)、有纜遙控潛水器(ROV)、混合有纜遙控潛水器(HROV)和復(fù)合型水下機(jī)器人(ARV)等。對它們的水下作業(yè)支持主要包括水聲通信系統(tǒng)、超短基線定位系統(tǒng)和長基線定位系統(tǒng)等[6]。地球物理探測是指對海底地形、地貌、淺地層等進(jìn)行探測,相應(yīng)的聲學(xué)系統(tǒng)主要包括深水多波束測深系統(tǒng)、中淺水多波束測深系統(tǒng)、深水單波束測深系統(tǒng)和深水淺地層剖面探測系統(tǒng)等。物理海洋探測是指對海洋流場、內(nèi)波、渦旋、氣泡團(tuán)和羽狀流等進(jìn)行探測,相應(yīng)的聲學(xué)系統(tǒng)主要包括船載走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)和分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)等。海洋生物探測是指對浮游生物、魚蝦、沉水植被等進(jìn)行探測,相應(yīng)的聲學(xué)系統(tǒng)是分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)。船舶航行安全保障是指船舶的航行和靠港,相應(yīng)的聲學(xué)系統(tǒng)主要包括單波束測深系統(tǒng)和多普勒計程儀。
載人潛水器支持母船的聲學(xué)系統(tǒng)主要包括深水多波束測深系統(tǒng)[7~8]、中淺水多波束測深系統(tǒng)、深水單波束測深系統(tǒng)[9]、深水淺地層剖面探測系統(tǒng)[10~11]、深海超短基線定位系統(tǒng)[12]、深海長基線定位系統(tǒng)[12]、分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)[13]、船載走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀[14]和水聲通信系統(tǒng)[15]等。
2.1.1 基本功能
深水多波束測深系統(tǒng)是載人潛水器支持母船不可或缺的基本配置。在載人潛水器作業(yè)環(huán)境保障領(lǐng)域,通過對作業(yè)海區(qū)進(jìn)行寬覆蓋、高精度、高分辨率的地形掃測,為載人潛水器下潛作業(yè)的開展提供基礎(chǔ)海底地形資料,輔助載人深潛調(diào)查研究,保障深潛作業(yè)安全性;在大洋資源勘探領(lǐng)域,通過大面積走航式海底地形地貌觀測,提供實時水深數(shù)據(jù)、水體特征和海底地形變化情況,結(jié)合取樣和其它資料,可實現(xiàn)海底礦產(chǎn)資源和天然氣水合物的有效探測;在科學(xué)研究領(lǐng)域,形成滿足調(diào)查研究的海底地形圖,對于研究海底的地殼運動、火山爆發(fā)、海底地震、礦藏分布形成和地球構(gòu)造演化分析等地球地理現(xiàn)象非常重要。
2.1.2 系統(tǒng)組成
現(xiàn)代深水多波束測深系統(tǒng)主要包括:多波束聲學(xué)系統(tǒng)(聲納信號處理系統(tǒng)、發(fā)射∕接收換能器、顯控系統(tǒng))、軟件系統(tǒng)(數(shù)據(jù)后處理軟件、導(dǎo)航采集軟件)、外圍輔助傳感器(羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器、聲速計、驗潮儀、GPS∕水下導(dǎo)航系統(tǒng)等)。
2.1.3 典型系統(tǒng)
國際上主要的深水多波束測深系統(tǒng)生產(chǎn)廠商主要有:L3 ELAC Nautik、Teledyne(原 ATLAS)和Kongsberg等幾家公司。表1給出了3款典型深水多波束測深系統(tǒng)的對比。深水多波束測深系統(tǒng)需要從測深精度、波束數(shù)、覆蓋寬度、穩(wěn)定技術(shù)、信號處理方法和換能器陣尺寸等方面進(jìn)行綜合評估。總體而言,三款深水多波束測深系統(tǒng)各具特色:Teledyne HydroSweep DS具有尺寸小巧、波束數(shù)多、精度高、多功能等特點;Kongsberg EM122技術(shù)性能良好,能在高海況高船速條件下正常作業(yè),可加配Kongsberg SBP120淺地層剖面儀并共用換能器,節(jié)省空間和安裝維護(hù)成本;L3 ELAC SeaBeam 3012性能穩(wěn)定,標(biāo)稱精度略低于前兩者。

表1 典型深水多波束測深系統(tǒng)對比
2.2.1 基本功能
中淺水多波束測深系統(tǒng)是全海深多波束測深系統(tǒng)的必要補充,也是載人潛水器支持母船不可或缺的基本配置,提供中淺水區(qū)域更高精度的海底地形數(shù)據(jù),其探測數(shù)據(jù)在潛水器作業(yè)環(huán)境保障、資源勘探、科學(xué)研究等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
2.2.2 系統(tǒng)組成
中淺水多波束測深系統(tǒng)與深水多波束測深系統(tǒng)的系統(tǒng)組成類似,主要包括:多波束聲學(xué)系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、外圍輔助傳感器。
2.2.3 典型系統(tǒng)
國際上主要的中淺水多波束測深系統(tǒng)主要有:L3 ELAC SeaBeam 3050、Teledyne(原 ATLAS)Hy?droSweep MD50和Kongsberg EM710。總體而言,三款中淺水多波束測深系統(tǒng)各具特色:L3 ELAC Sea?Beam 3050測深范圍大,產(chǎn)品性能穩(wěn)定;Teledyne HydroSweep MD50多波束具有波束窄、波束數(shù)多、水體測量功能強(qiáng)大、換能器尺寸小等特點;Kongs?berg EM710產(chǎn)品成熟,能在高海況高船速條件下正常使用,換能器尺寸小。
2.3.1 基本功能
深水單波束測深系統(tǒng)是載人潛水器支持母船不可或缺的基本配置,主要用于探測正下方海底深度,提供船只所在位置的現(xiàn)場水深數(shù)據(jù),是多波束測深系統(tǒng)的必要補充。在載人潛水器作業(yè)環(huán)境保障領(lǐng)域,實時提供母船所在位置的現(xiàn)場水深數(shù)據(jù),實現(xiàn)載人深潛輔助調(diào)查研究,保障深潛作業(yè)安全性;在大洋科考領(lǐng)域,通過在走航過程中獲取高質(zhì)量水深數(shù)據(jù),為其它學(xué)科和項目的調(diào)查觀測提供水深數(shù)據(jù),并保障船舶走航和作業(yè)的安全。
2.3.2 系統(tǒng)組成
深水單波束測深系統(tǒng)主要包括:換能器陣、發(fā)射功放、接收單元、操控臺和外圍輔助傳感器。
2.3.3 典型系統(tǒng)
國際上主要的深水單波束測深系統(tǒng)主要有:Teledyne(原 ATLAS)DESO 35、Kongsberg EA600和Knudsen CHIRP 3260。單波束測深系統(tǒng)需要從測深精度、測深范圍、波束開角和輔助功能等方面進(jìn)行綜合評估。總體而言,三款深水單波束測深系統(tǒng)各具特色:Teledyne DESO 35是一種有雙重或三重聲道可同時運行的便攜式回聲探測儀,可配置高頻聲道轉(zhuǎn)換器和低頻聲道轉(zhuǎn)換器,具有更寬的頻率范圍,不局限于指定換能器而可輕松適用于現(xiàn)有換能器或新型換能器;Kongsberg EA600配備3個頻段,多個換能器,其3個頻段可以達(dá)到萬米測深的能力,且淺水和深水測深都可以兼顧;Knudsen CHIRP 3260配備4個頻段,多個換能器,且淺水和深水測深都可以兼顧。
2.4.1 基本功能
深水淺地層剖面探測系統(tǒng)是載人潛水器支持母船不可或缺的基本配置,主要用于深海海底淺地層結(jié)構(gòu)測量,獲取詳細(xì)的地層分布資料,并有效地識別海底表層沉積物的類型。在載人潛水器作業(yè)環(huán)境保障領(lǐng)域,通過對作業(yè)海區(qū)進(jìn)行全海深的深度和精細(xì)地層剖面測量,實現(xiàn)載人深潛勘查作業(yè)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的初步勘查,為載人潛水器下潛作業(yè)提供基礎(chǔ)海底地質(zhì)環(huán)境資料,并輔助載人深潛調(diào)查研究,保障深潛作業(yè)安全性;在大洋資源勘探領(lǐng)域,通過大面積走航式海底淺地層剖面測量,結(jié)合地質(zhì)解釋,探測到海底地質(zhì)構(gòu)造情況,反映富鈷結(jié)殼、多金屬結(jié)核等海底礦產(chǎn)資源的分布狀況;在科學(xué)領(lǐng)域可用于聲學(xué)底質(zhì)分類、聲學(xué)海底原位測試、火山巖漿活動和構(gòu)造地貌等。
2.4.2 系統(tǒng)組成
淺地層剖面探測系統(tǒng)主要包括:換能器陣、發(fā)射功放、接收單元、操控臺和外圍輔助傳感器。
2.4.3 典型系統(tǒng)
國際上主要的深水淺地層剖面探測系統(tǒng)生產(chǎn)廠商主要有:Teledyne(原ATLAS)、SyQwest、Kongs?berg和Innomar等幾家公司。表2給出了幾款典型深水淺地層剖面探測系統(tǒng)的對比。淺地層剖面儀需要從穿透深度、換能器陣尺寸、發(fā)射原理、波束寬度、穩(wěn)定技術(shù)和信號處理方法等方面進(jìn)行綜合評估。總體而言,幾三款深水單波束測深系統(tǒng)各具特色:Kongsberg SBP120采用常規(guī)陣直接發(fā)射聲波,而且與Kongsberg EM122深水多波束共用接收陣,節(jié)省了空間和安裝成本;Kongsberg TOPAS PS18和Teledyne ParaSound P70利用參量陣效果通過發(fā)射兩個高頻初級信號來產(chǎn)生一個低頻二級信號,其換能器收發(fā)共用,且尺寸小,可通過電子掃描來實現(xiàn)多波束功能。
2.5.1 基本功能
超短基線定位系統(tǒng)是大型現(xiàn)代載人潛水器支持母船不可或缺的基本配置。在載人潛水器作業(yè)環(huán)境保障領(lǐng)域,用于潛水器水下自身定位以及與支持母船之間的定位,實現(xiàn)支持母船對潛水器航行軌跡的持續(xù)跟蹤,保障深潛作業(yè)安全性;在大洋科考領(lǐng)域,可用于AUV、ROV等水下探測設(shè)備的水下定位、跟蹤與導(dǎo)航,還可與海底溫度探針、聲速探頭、磁力儀等設(shè)備組成聯(lián)合海底探測系統(tǒng),實現(xiàn)對大洋的綜合勘測調(diào)查。
2.5.2 系統(tǒng)組成
超短基線定位系統(tǒng)由水面船用設(shè)備和潛水器應(yīng)答器組成。水面船用設(shè)備包括信號處理單元、船載聲學(xué)換能器陣和外圍輔助傳感器。船載聲學(xué)換能器陣安裝在船舶底部或側(cè)舷,由中心的發(fā)射換能器和四周的多個水聽器組成。水下部分主要是指應(yīng)答器,如果工作在同步時鐘觸發(fā)模式,還需包括同步時鐘。

表2 典型深水淺地層剖面探測系統(tǒng)對比
2.5.3 典型系統(tǒng)
國際上主要的超短基線定位系統(tǒng)生產(chǎn)廠商主要有:iXblue、Kongsberg、Sonardyne、LinkQuest、Evo?logics等幾家公司。表3給出了國外典型遠(yuǎn)程超短基線定位系統(tǒng)對比。超短基線定位系統(tǒng)需要從定位精度、作用距離、覆蓋范圍和是否具有通信功能等方面進(jìn)行綜合評估。總體而言,這三款遠(yuǎn)程超短基線定位系統(tǒng)各具特色:iXblue Posidonia II最大的特點是組合兼容性強(qiáng),數(shù)據(jù)融合技術(shù)獨特,當(dāng)它與該公司的其他導(dǎo)航設(shè)備,如OCTANS運動傳感器、PHINS慣導(dǎo),聯(lián)合使用時,性能可達(dá)到最優(yōu);特殊的換能器技術(shù)和先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)使得Kongsberg HiPAP102具有精度高、重復(fù)性好、可靠性高等特點;Sonardyne Ranger 2的數(shù)字通信速率達(dá)到1.5kbps-15kbps,真正實現(xiàn)了聲學(xué)定位和高速數(shù)字通信的無縫銜接,而且基于多脈沖堆棧技術(shù)可以在任何水深環(huán)境下獲得高達(dá)1 s的數(shù)據(jù)更新率;LinkQuest TrackLink 10000HA和Evologics S2CR 7∕17D更側(cè)重于數(shù)字通信功能,其定位功能在深海方面的應(yīng)用相對較少。

表3 典型遠(yuǎn)程超短基線定位系統(tǒng)對比
2.6.1 基本功能
長基線定位系統(tǒng)是超短基線定位系統(tǒng)的重要補充,其最大的優(yōu)點是在較大范圍內(nèi)和在較深海水情況下,導(dǎo)航定位具有較高的精度,一般系統(tǒng)的作用距離可達(dá)十多千米,定位精度可達(dá)3m~5m。在載人潛水器作業(yè)支持領(lǐng)域,除需要超短基線系統(tǒng)了解與支持母船的定位位置外,還需要長基線系統(tǒng)為潛水器提供更精確的獨立的定位保障平臺,為載人潛水器在較大范圍和在較深海水環(huán)境下提供高精度的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù),保障深潛作業(yè)安全性;在大洋科考領(lǐng)域,可用于AUV、ROV等水下探測設(shè)備的高精度水下定位。
2.6.2 系統(tǒng)組成
長基線定位系統(tǒng)包括兩部分,一部分是水下移動載體上的問答機(jī)(收發(fā)換能器),另一部分是一系列已知位置的固定在海底的應(yīng)答器,至少3個,并構(gòu)成一定的幾何形狀。應(yīng)答器之間的距離構(gòu)成基線,基線長度在幾百米到幾公里,甚至幾十公里之間。如果工作在同步模式,問答器和應(yīng)答機(jī)上還需要分別配備高精度同步時鐘。
2.6.3 典型系統(tǒng)
國際上主要的深海長基線定位系統(tǒng)主要有:iXblue RAMSES6000、Kongsberg cPAP、Sonardyne ROVNav 6。深海長基線定位系統(tǒng)需要從定位精度、作用距離和覆蓋范圍等方面進(jìn)行綜合評估。總體而言,iXblue RAMSES6000最大的特點是組合兼容性強(qiáng),數(shù)據(jù)融合技術(shù)獨特,可與iXblue公司的Posidonia II超短基線和PHINS慣導(dǎo)構(gòu)成一套完整的模塊化水下導(dǎo)航系統(tǒng),提供穩(wěn)健、高更新率的定位信息;Kongsberg cPAP系列長基線定位系統(tǒng)都擁有相同的軟件和硬件平臺,其聲學(xué)定位操作站可以采用批處理方式對長基線陣型進(jìn)行快速校準(zhǔn);So?nardyne ROVNav 6采用Wideband 2信號處理技術(shù)可以應(yīng)對嘈雜的環(huán)境,其配套Compatt信標(biāo)具備水聲通信功能,具備陣型快速測量能力。
2.7.1 基本功能
分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)是進(jìn)行環(huán)境探測的必要裝備,主要用于不同游泳生物如魚群類和大型浮游生物如磷蝦的種類、數(shù)量與分布,評估生物種群大小及行動追蹤。除此之外,分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)也可用于海底可燃冰、冷泉、熱液等形成的羽狀流、氣泡團(tuán)等的探測。
2.7.2 系統(tǒng)組成
分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)主要包括:對應(yīng)不同頻率的換能器、收發(fā)單元、操控臺和外圍輔助傳感器(姿態(tài)傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)等)。
2.7.3 典型系統(tǒng)
國際上主要的分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)主要有:SimradEK60和BioSonicsDT-X。其中BioSonicsDT-X主要是便攜式投放,也可固定安裝在船上使用,但其以前用戶主要在湖泊和河流中使用,在海洋環(huán)境中能否進(jìn)行長期工作需要檢驗;Simrad EK 60是一款適應(yīng)海上長期工作的海洋生物資源聲學(xué)探測儀器,其發(fā)射功率可調(diào),數(shù)據(jù)采集范圍大,且具有強(qiáng)大的特殊功能。國際上進(jìn)行海洋生物研究的大型科考船大部分都安裝的EK 500或EK 60(EK 500升級產(chǎn)品)。
2.8.1 基本功能
船載走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)是大型現(xiàn)代載人潛水器支持母船不可或缺的基本配置,主要用于深海海區(qū)海流流速流向的現(xiàn)場測量和分析。在載人潛水器作業(yè)環(huán)境保障領(lǐng)域,通過對作業(yè)海區(qū)海流情況進(jìn)行精確測量和分析,為載人深潛作業(yè)的開展提供基礎(chǔ)海流資料,實現(xiàn)載人深潛輔助調(diào)查研究,保障深潛作業(yè)安全性;在科學(xué)研究領(lǐng)域,利用該設(shè)備進(jìn)行長期的觀測可以積累大量各海區(qū)現(xiàn)場海流資料,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)。
2.8.2 系統(tǒng)組成
走航式ADCP主要包括:換能器、收發(fā)單元、操控臺和外圍輔助傳感器。
2.8.3 典型系統(tǒng)
國際上主要的船載走航式ADCP主要有:Tele?dyne RDI OS-38、Rowe Technologies Inc(RTI)、RT?DA40和杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所SLC38。走航式AD?CP需要從測速精度、作用距離和分層數(shù)等方面進(jìn)行綜合評估。總體而言,杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所SLC38型產(chǎn)品為國產(chǎn)儀器,已有應(yīng)用先例;Tele?dyne RDI OS-38產(chǎn)品成熟,用戶較多;RTI RTDA40作為即將推出的最新產(chǎn)品,參數(shù)指標(biāo)優(yōu)于前兩者,但目前尚未推廣使用。
2.9.1 基本功能
水聲通信系統(tǒng)用于在載人潛水器與水面支持母船之間建立實時通信聯(lián)系。在下潛作業(yè)過程中,水聲通信系統(tǒng)將潛水器的各種信息和現(xiàn)場圖片準(zhǔn)確傳送到水面,供指揮部做出決策,指導(dǎo)水下作業(yè);同時,潛航員與水面指揮人員通過語音、文字和指令通信可以隨時就水下作業(yè)情況進(jìn)行交流。水聲通信系統(tǒng)也可用于其他水下載體的通信。
2.9.2 系統(tǒng)組成
載人潛水器水聲通信機(jī)分為水面母船部分和潛水器部分。水面母船的水聲通信系統(tǒng)包括1套吊放式水聲通信機(jī)和1套船載式水聲通信機(jī)。二者均可實現(xiàn)數(shù)據(jù)與語音的通信,可互為備份,提高可靠性。船載通信機(jī)安裝于母船的底部,通過升降機(jī)構(gòu)伸入水下,可以方便母船的航行操控,提高潛水器下潛的安全性。吊放通信機(jī)通過絞車和吊纜將水聲通信機(jī)布放入水,可以通過放纜長度來控制通信機(jī)入水深度,降低噪聲干擾,避開溫躍層影響。
2.9.3 典型系統(tǒng)
目前,國際上其它載人潛水器都不具有水聲圖像傳輸功能。例如,美國阿爾文號載人潛水器上裝有水聲電話機(jī),沒有用于圖像傳輸?shù)乃曂ㄐ旁O(shè)備。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所研發(fā)的綜合水聲通信系統(tǒng)的工作頻率為8kHz~13kHz,最大作用距離為8 km~10 km,最大工作深度為7000 m。
船載聲學(xué)系統(tǒng)的典型安裝方式主要有內(nèi)嵌安裝、導(dǎo)流罩安裝、Gondola安裝、升降鰭、通海井、聲學(xué)吊陣和側(cè)舷桿等。其中,前三種安裝方式比較適合大型聲學(xué)換能器陣安裝,但需要進(jìn)船塢維修;后四種安裝方式適合中小型聲納換能器陣安裝,其優(yōu)點是可船上維修,而無需進(jìn)塢。
深水多波束測深系統(tǒng)的換能器陣是最大的,它安裝的要求也是最高的,主要有內(nèi)嵌式、導(dǎo)流罩和Gondola等三種安裝方式,具體選擇哪種安裝方案需要根據(jù)船體情況、經(jīng)濟(jì)性和聲學(xué)設(shè)備性能等方面進(jìn)行綜合折中。中淺水多波束測深系統(tǒng)換能器尺寸小于深水多波束,其安裝方式與深水多波束相同;深水淺地層剖面探測系統(tǒng)的換能器尺寸較大,主要采用與與深水多波束相同的安裝方式;深水單波束測深系統(tǒng)、船載走航式ADCP和分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)一般采用升降鰭安裝方式;超短基線定位系統(tǒng)一般采用通海井安裝方式;兩套水聲通信系統(tǒng)分別采用通海井式和聲學(xué)吊陣兩種方式安裝,互為備份;長基線定位系統(tǒng)不需要固定安裝在船底。
從狹義上講,載人潛水器支持母船的聲學(xué)系統(tǒng)主要用于載人潛水器支持和深潛作業(yè)環(huán)境調(diào)查,其中直接用于載人潛水器支持的有深海超短基線定位系統(tǒng)、深海長基線定位系統(tǒng)和水聲通信系統(tǒng),用于深潛作業(yè)環(huán)境調(diào)查的有深水多波束測深系統(tǒng)、中淺水多波束測深系統(tǒng)、深水單波束測深系統(tǒng)、深水淺地層剖面探測系統(tǒng)、分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)和船載走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀。從廣義上講,這些聲學(xué)系統(tǒng)也都可以用于執(zhí)行大洋科學(xué)調(diào)查任務(wù)。
這些聲學(xué)系統(tǒng)所能達(dá)到的性能,除了取決于設(shè)備自身的性能外,還與它們在船體上的安裝方式、安裝精度、船舶輻射噪聲、船底氣泡湍流等因素有關(guān)。