2014年 第59卷 第35期：3462 ~ 3470
论 文
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
www.scichina.com csb.scichina.com
蛟龙号载人潜水器声学系统
朱敏①, 张同伟②*, 杨波①, 刘烨瑶①, 唐嘉陵②
① 中国科学院声学研究所海洋声学技术实验室, 北京 100190; ② 国家深海基地管理中心, 青岛 266061 * 联系人, E-mail: [email protected]
2014-05-04收稿, 2014-06-03接受, 2014-08-14网络版发表
国家高技术研究发展计划(2002AA401004, 2009AA093301, 2009AA093601, SS2014AA091801)资助
摘要 为实现通信、导航、定位、探测等功能, 蛟龙号载人潜水器的声学系统由9种16部声纳组成. 先进的水声数字通信和海底微地形地貌探测能力是蛟龙号4个技术亮点之一. 蛟龙号水声通信机首次实现了7000 m级深度的彩色图像、数据、文字和语音的水声通信传输. 高分辨率测深侧扫声纳实现了7000 m级深度的海底地形地貌精细探测, 成功测绘出了马里亚纳海沟局部的微地形地貌图. 蛟龙号载人潜水器于2009年8~10月、2010年5~7月、2011年7~8月和2012年6~7月完成了1000, 3000, 5000和7000 m级海上试验, 最大下潜深度达到了7062 m, 并于2013年6~9月开展了长达113天的试验性应用航次任务. 试验和应用结果均表明, 蛟龙号载人潜水器声学系统的功能完善、性能先进、运行稳定可靠.
关键词
载人潜水器 蛟龙号 声纳 水声通信机 高分辨率测深 侧扫声纳 超短基线 长基线
载人潜水器可运载科学家到达深海的海山、热液、盆地和洋中脊等复杂海底地形进行巡航、悬停、正确就位和定点坐坡作业, 使得人类身临其境探求深海奥秘的梦想得以实现, 也使人类的智慧在深海作业中得到及时充分地发挥. 因此, 载人潜水器技术成为美、俄、法、日等世界各国投巨资争相研究的热点[1,2].
蛟龙号载人潜水器研制[3~6]是国家高技术研究发展计划重大专项之一, 通过全国近百家优势科研院所的联合攻关, 蛟龙号载人潜水器经历设计、加工制造、总装联调、水池功能性试验等研制阶段, 于2008年初具备了出海试验的技术条件, 并于2009年8~10月、2010年5~7月、2011年7~8月和2012年6~7月, 分别完成了1000, 3000, 5000[7]和7000 m级[8]的海上试验任务, 最大下潜深度达到了7062 m, 这个深度覆盖了地球上99.8%海洋面积. 与国际上同类型的大深度载人潜水器相比, 蛟龙号载人潜水器具有以下4个突出的技术亮点, 其总体性能达到了国际先进水平:
(1) 最大的作业深度——7000 m; (2) 先进的操纵性能和航行控制能力; (3) 先进的水声通信和海底微地形地貌探测能力; (4) 完善的安全保障措施.
蛟龙号载人潜水器可以搭载3名人员(1名潜航员, 2名科学家)到达极端深海环境进行科考作业, 它由结构、液压、控制、声学等系统组成, 不仅可进行照相、摄像和海底地形地貌精细测绘, 而且可以使用机械手等工具抓取海底的水样、沉积物、生物等样品[9].
1 蛟龙号载人潜水器声学系统
由于电磁波在海水中衰减很快, 声波成为水中探测、信息传输的主要手段[10]. 根据蛟龙号载人潜水器应用需要和声学系统的总体技术要求, 蛟龙号载人潜水器声学系统由9种16部声纳组成[11], 分别为水声通信机(2部)、水声电话(1部)、超短基线定位声纳(1部)、长基线定位声纳(1部)、测深侧扫声纳(1部)、
引用格式: 朱敏, 张同伟, 杨波, 等. 蛟龙号载人潜水器声学系统. 科学通报, 2014, 59: 3462–3470
Zhu M, Zhang T W, Yang B, et al. Sonar system of Jiaolong human-occupied vehicle (in Chinese). Chin Sci Bull (Chin Ver), 2014, 59: 3462–3470, doi: 10.1360/N972014-00408
论 文
成像声纳(1部)、声学多普勒测速仪(1部)、避碰声纳(7部)和高度计(1部). 蛟龙号载人潜水器声学系统总体布置图如图1所示.
制; 图像数据首先用基于小波变换的图像压缩技术进行图像压缩[17], 然后用Turbo-TCM码进行纠错编码后, 采用高速的相干通信技术进行调制; 语音和摩尔斯码采用单边带调制技术, 具有高的抗噪声能力; 扩频调制技术具有比较高的抗噪声能力, 用于在恶劣条件下的简单指令传输. 调制好的信号通过DA转换变成模拟信号, 经过功率放大器放大后驱动水声通信机换能器发射到水中.
声波在水中传播到接收端的换能器, 经过接收电路的处理后进行AD转换, 然后分成三路并行进行处理. 第一路按数字通信信号进行同步处理和预处理, 自动识别相干/非相干通信制式并进行相应的处理, 非相干通信信号经过非相干解调和纠错解码得到数据和文字, 相干通信信号经过自适应均衡和Turbo码解码迭代处理后得到图像. 第二路按扩频信号进行检测, 识别后进行解调和纠错后得到指令. 第三路按单边带进行解调, 得到语音和摩尔斯码. 这样数据、图像和语音就从发送端传送到了接收端.
4种制式的发送和接收过程完全自主识别完成, 不需要人工干预进行切换, 极大地简化了操作.
蛟龙号载人潜水器水声通信机分为水面部分和潜水器部分. 水面部分声纳阵由水面支持母船吊放到水中, 实现了空间分集合成技术, 有效克服了多途干扰, 同时使声纳接收阵远离水面支持母船, 降低了水面支持母船强噪声干扰
.
潜水器部分包括两套通
1.1 水声通信机
水声通信机用于在载人潜水器与水面支持母船之间建立实时通信联系. 在下潜作业过程中, 水声通信系统将潜水器的各种信息和现场图片准确传送到水面, 供指挥部做出决策, 指导水下作业; 同时, 潜航员与水面指挥人员通过语音、文字和指令通信可以随时就水下作业情况进行交流[12,13].
蛟龙号载人潜水器水声通信机具有丰富的功能和良好的综合性能, 在国际载人深潜器中处于领先地位. 文献[14]介绍, 美国新型“阿尔文”(Alvin)号载人潜水器到2015年才能有传输图像的功能. 日本“深海6500”(Shinkai6500)载人潜水器[15,16]和法国“鹦鹉螺”(NAUTILE)有专用于传输图像的水声通信功能, 但性能偏低, 后续改进未见文献报道.
蛟龙号水声通信系统是综合性的通信系统, 采用了相干通信技术、非相干通信技术、扩频技术和单边带调制技术4种通信制式, 支持多种类型信息的传输. 图2是水声通信机的通信流程图. 发送端根据需要发送的数据类型自动切换到相应的通信制式. 数据和文字一起组织成数据包, 采用卷积码作为纠错编码, 采用稳健、中等速率的非相干通信制式进行调
图1 蛟龙号载人潜水器声学系统总体布置图
3463
2014
年
12月 第59卷 第35期
图2 (网络版彩色)水声通信机通信流程图
信机主机和4个换能器以及声纳主控器. 两套通信机主机完全相同, 相互独立, 互为备份, 以保证通信的可靠性. 潜水器背部的两个为有指向性换能器, 指向性向上; 潜水器腹部的两个为无指向性换能器. 当潜水器在海底作业时, 吊放声纳阵位于上方, 使用背部的换能器进行通信; 当潜水器在下潜和上浮过程中位于吊放声纳阵上方时, 使用腹部的换能器进行通信. 这保证了在潜水器的整个工作周期内都能够实现与水面支持母船之间的水声通信.
经过7000 m级海试, 水声通信机的性能得到了充分验证. 整个海试和2013年蛟龙号试验性应用航次中, 水声通信机一直通信顺畅, 潜水器和水面支持母船双向传输文字、语音、数据, 潜水器可以向水面支持母船发送图像. 图3是2013年蛟龙号试验性应
用航次中蛟龙号由水声通信机传回水面支持母船的现场图像, 由图可见, 图像质量良好, 水声通信机性能可靠.
1.2 水声电话
水声电话是蛟龙号载人潜水器水声通信机的重要补充, 通过它, 潜航员与水面指挥人员可以就试验和作业情况进行语音交流, 保证了水面支持母船与潜水器之间的水声电话通信联系.
水声电话采用半双工通信方式,
讲话人的语音
经送话器转变成电信号后
,
先被放大, 并经滤波器截取300~3000 Hz的语音频率成分, 经数字信号处理形成单边带信号并加入导频. 声波在水中传播到接收端的换能器, 经过接收电路的处理后进行AD转换,
图3 (网络版彩色)2013年蛟龙号试验性应用航次中蛟龙号由水声通信机传回的现场图像
(a) 潜航员与记者; (b) 冷泉区碳酸盐岩; (c) 冷泉区生物群落
3464
论 文
预处理部分完成前置放大、前置滤波、限幅放大、自动增益控制等模拟信号调理, 然后经信号解调处理模块进行电话信号的解调、解码. 解调后的信号进行降噪声处理, 经适量放大后送扬声器收听.
水声电话水面换能器用电动绞车(含300 m承重电缆)从前甲板左舷吊放到水中10~50 m深度, 为了克服潜水器遮挡的影响, 在潜水器的背部和腹部各安装了1只水声电话换能器. 经过7000 m级海试, 水声电话的性能得到了验证, 水声电话语音通信顺畅.
由时间差计算距离需要知道声速, 因此精确的声速剖面数据是定位精度的保证. 因此每到一个新的作业地点, 必须测量声速剖面并输入到定位系统中. 如果出现剧烈的气象过程(如大风、大雨), 则需要重新测量声速剖面并更新到定位系统中.
超短基线定位声纳声基阵安装在水面支持母船的底部, 由中心的发射换能器和四周的4个接收水听器组成. 潜水器部分由超短基线应答器和同步时钟组成. 超短基线应答器安装在潜水器的背部, 其半球形指向性可覆盖整个上半空间, 保证在水下各种深度和倾角状态下定位系统能够正常工作.
在历次下潜作业过程中, 超短基线定位声纳工作正常, 较好地跟踪了潜水器在下潜、水下作业、上浮过程中的潜水器水下位置. 图4是某潜次的超短基线定位结果, 清楚地描绘出了潜水器的轨迹. 200 m以深的超短基线定位数据共3710个, 跳点489个, 有效数据率86.8%.
1.3 超短基线定位声纳
超短基线定位声纳用于水面支持母船对蛟龙号载人潜水器的定位, 水面支持母船可以实时监控潜水器相对于水面支持母船的位置和相对于大地的坐标, 及时采取措施. 定位数据通过水声通信机发送给潜水器, 用于水下导航.
超短基线定位声纳的定位精度一般在斜距的0.2%~1%, 在大深度时误差较大, 需要和惯导、多普勒计程仪等设备相结合以提高定位精度.
超短基线定位声纳有两种工作方式. 一种是应答模式, 水面分别向各应答器发送询问信号, 各应答器接收到针对自己的询问信号后发送应答信号, 通过计算发出询问信号到收到应答信号的时间差来计算距离. 另一种是触发模式, 如果有缆则触发脉冲通过电缆触发应答器, 如果无缆则需要采用高精度的同步时钟来同步触发应答器和水面系统, 通过计算同步脉冲触发时刻到收到应答信号的时间差计算距离. 在蛟龙号载人潜水器中采用同步时钟触发方式, 在水面支持母船和潜水器上都安装了高精度的同步时钟以保证在整个下潜任务期间触发时刻严格一致.
1.4 长基线定位声纳
超短基线定位的优点是机动灵活, 但缺点是定位精度较差. 在载人潜水器作业支持领域, 一些作业要求更精确的定位, 这就需要长基线定位声纳. 长基线定位声纳的优点是定位精度高, 缺点是需要投放信标阵列, 设备和时间成本高.
长基线定位声纳包括两部分: 一部分是水下移动载体上的换能器; 另一部分是一系列已知位置的固定在海底的应答器, 一般需要至少3个, 并构成一定的几何形状. 应答器之间的距离构成基线, 基线长度在几百米到几千米, 甚至几十千米之间. 在长基线定位系统中
,
被测载体上的测量换能器向各应答器
图4 (网络版彩色)超短基线定位声纳测量的潜水器轨迹
3465
2014年12月 第59卷 第35期
发出询问信号, 并接收各应答器的应答信号, 通过信号传播时延差, 列出解算方程, 最终确定被测载体的三维位置坐标.
从原理上讲, 系统导航定位只需要2个海底应答器就可以, 但是这样会产生目标的偏离模糊问题, 而且不能测量目标的水深, 所以至少需要3个海底应答器才能得到目标的三维坐标. 在有高精度惯导设备支持时, 可以减少信标数量, 最少到1个.
长基线换能器安装在潜水器的背部, 海底应答器布设在距离海底50 m左右的位置, 保证潜水器在近海底作业时信号不会被潜水器自身遮挡. 但在地形起伏较大的区域, 就比较容易出现遮挡问题, 需要根据地形和作业需要来设置海底应答器的位置和距离海底高度.
在保证至少3个长基线定位信标没有被遮挡的情况下, 长基线定位声纳的定位结果是可靠, 定位精度高于超短基线定位声纳. 图5是某潜次长基线定位结果和超短基线定位结果的对比, 图中深色点是长基线定位结果, 浅色点是超短基线定位结果, 长基线定位结果描述的轨迹与潜水器的实际航行状态吻合, 而超短基线的定位结果受到了水面母船的航行轨迹变化的影响.
目标, 实时绘制出现场的三维地图. 它能在复杂的海底上工作, 给出目标的高度, 因此十分适合在钴结壳区域勘察工作和在大洋热液场测量热液喷口“烟囱”的几何尺寸. 国际上已有的载人潜水器上尚未装有此种声纳. 它和水声通信机是蛟龙号载人潜水器4个技术亮点之一.
测深侧扫声纳是通过分析声纳阵接收到信号的方向来获得海底的位置. 图6给出了测深侧扫声纳工作原理示意图. T1是发射换能器, R1～R8是8个接收换能器单元, 声纳阵面法线与水平面成30°. 通过分析各接收信号的相位差, 计算出海底回波的方向; 根据回波到达的时间推算海底的距离; 二者相结合即可获取海底位置. 蛟龙号载人潜水器上装备的测深侧扫声纳采用先进的多子阵海底自动检测——信号子空间的信号参数估计技术, 使其能够把不同方向同时到达的回波区分开来, 并能自动检测海底.
在潜水器左舷和右舷各安装一套高分辨率测深侧扫声纳换能器阵, 实现对两侧海底的同步测量. 换能器阵的长轴与潜水器本体的长轴平行, 换能器面法线与水平面成30°. 换能器阵安装在潜水器的4号和5号站之间, 此处是潜水器的圆柱段, 换能器阵安装后的线型较好, 安装支架独立于承重框架, 降低了重复起吊过程引起的结构形变对测量精度的影响.
图7给出了某潜次(蛟龙号7000 m级海试)测深
1.5 高分辨率测深侧扫声纳
高分辨率测深侧扫声纳
[18~20]
安装在载人潜水器侧扫声纳获得的海底微地形地貌图, 地形图的等深线间隔为2 m, 海底的诸多细节得到了合理展示, 侧
的两侧, 能够测量海底的微地形地貌和海底、水中的
图5 某潜次长基线定位声纳与超短基线定位声纳的定位结果对比
3466
论 文
像声纳安装在潜水器艏部上方.
成像声纳通过一个具有扇形波束特性的换能器发射短脉冲, 到达海底后被反射回来. 换能器通过机械转动来回扫描海底, 把不同方向的回波组合在一起就获得了海底的声图, 如图8所示.
图9是某潜次作业过程中潜水器坐底时成像声纳获取的海底图像, 量程为100 m, 可以看到30 m左右海底有连续的阴影, 表明有剧烈的高度变化.
1.7 声学多普勒测速仪
声学多普勒测速仪安装在潜水器的腹部, 换能器头朝下, 主要用于测量蛟龙号载人潜水器相对于海底的运动速度以及潜水器下方的海流剖面. 现场的流场数据和潜水器相对海底的运动速度是载人潜
图6 (网络版彩色)测深侧扫声纳工作原理示意图
水器航行控制和实现动力悬停所必需的.
图10是某潜次测量得到的潜水器运动速度, 最大水平速度2.0 kn (1 kn 0.5 m/s), 最大下潜速度1.1 kn, 最大上浮速度1.2 kn, 空白部分是因为潜器坐底, 测速数据无效. 水平速度表示潜水器的水平运动速度, 潜航员需要根据作业任务适时调整潜水器的水平运动速度. 当进行取样作业时, 需要悬停或坐底, 此时水平速度为0或接近于0; 当近底拍摄作业时, 水平速度相对较高; 当发现感兴趣目标(生物、岩石、结核、结壳等)时, 需要不断调整水平速度以接近目
扫图和地形图相对照, 可以获得更多的信息.
1.6 成像声纳
在载人潜水器的前部装有机械扫描成像声纳, 用于探测前方水中目标及海底地貌, 供驾驶员对周围地形环境进行超视距观察, 一方面搜索目标, 另一方面规避障碍物, 保证潜器安全. 为保证其视野, 成
图7 (网络版彩色)测深侧扫声纳获得的海底微地形地貌图(7000 m级海试)
(a) 微地形图; (b) 侧扫图
3467
2014
年12月 第
59
卷 第35期
图8 波束扫描获得海底声图
图9 (网络版彩色)海底图像
标, 此时水平速度变化较大.
1.8 避碰声纳
当载人潜水器在水下巡航时, 避碰声纳实时监测载人潜水器到四周不同方向障碍物的距离, 为驾驶员安全驾驶提供规避信息, 避免与障碍物发生碰撞, 同时下方的避碰声纳作为测高仪提供潜水器距底高度数据, 用于定高航行控制
.
为了保证足够的处
置时间, 避碰声纳的作用距离是100 m.
避碰声纳是一种回波测距声纳, 其工作原理为: 发射一个窄波束的短脉冲, 当脉冲遇到障碍物时就
会产生回波, 测量出回波相对于发射时刻的延时T,
图10 (网络版彩色)声学多普勒测量的潜水器运动速度
3468 就可以计算出障碍物与潜水器之间的距离d=cT/2, 其中c是声速.
载人潜水器的主要运动方向是前进和升沉, 出现障碍物可能性最大的是前方和下方, 因此前方和下方共布置了5个避碰声纳, 以更好地测量前方和下方障碍物的信息. 在复杂地形工作时需要注意侧面
的障碍物, 因此在两侧分别布置了一个避碰声纳. 上方出现障碍物的可能性较小, 潜水器一般也不倒车, 因此上方和后方没有设专门的避碰声纳, 分别用前上方和后下方的避碰声纳兼顾. 7个避碰声纳采用分布式设计, 各避碰声纳独立工作.
1.9 高度计
高度计安装在潜水器的腹部, 换能器头朝下, 提
供潜水器相对于海底的距离, 测量范围0~50 m, 其精度为0.1%, 用于定高航行控制. 当测深侧扫声纳工作时, 该数据可与测深侧扫声纳获得的高度数据相互修正.
与避碰声纳的工作原理类似, 高度计也是一种回波测距声纳, 只是它的工作频率更高, 测距精度更高, 相应的作用距离也更短, 只有50 m.
2 声学系统的协同工作
在蛟龙号载人潜水器中各声纳都发射声波, 如果一个声纳在发射而另一个声纳在接收, 则发射信号会对接收中的声纳造成干扰, 尤其是当两个声纳距离比较近或工作频带接近时干扰会比较严重, 甚至造成被干扰的声纳无法正常工作. 为此需要对各
声纳的工作频率和安装位置进行合理的设计, 并通
过同步来协同工作. 在必要的时候还必须关闭若干
声纳来保证关键声纳的工作.
2.1 声学系统频率分配
根据潜水器总体指标的要求, 声学系统中各声纳的工作频率进行了适当的分配. 基于通信距离和通信速率的要求, 水声电话的工作频带和水声通信机的工作频带有所重叠. 综合考虑定位距离和可靠性, 超短基线定位声纳和长基线定位声纳采用国外成熟产品, 其工作频率与水声电话和水声通信机的工作频率接近. 测深侧扫声纳、声学多普勒测速仪、
成像声纳、避碰声纳和高度计均工作在高频段, 其频率选择既要满足作用距离和测量精度的需要, 又要
论 文
与其他声纳的工作频带保持距离. 不利于驾驶员观察. 因此成像声纳不能受控于同步信号. 其他声纳对成像声纳的干扰表现为声图上稀疏的短线, 对图像信息的判读没有大的影响. 成像声纳对其他声纳的影响不大. 高度计频率与其他声纳的频率相差较大, 对其他声纳的影响不大, 它不受外部同步信号的控制.
2.2 声纳的同步
在合理安排频率后, 声纳之间的干扰主要是一个声纳的发射信号干扰另一个声纳的接收过程, 如果各声纳同时发射, 则可以同时接收而互不干扰. 发射同步带来的问题就是作用距离短的声纳要等待作用距离长的声纳接收完毕, 这样其发射周期就拉长了.
考虑到水声电话是水声通信机的备份, 一般只在下潜初始阶段和上浮至水面前使用, 他们之间通过分时段工作来解决相互干扰问题.
水声通信机与超短基线和长基线定位声纳的工作频率接近. 为了让长基线定位密度最大化, 水声通信机与长基线定位声纳采用异步工作模式, 长基线定位声纳的工作周期尽可能短, 水声通信机通过强化信号处理算法, 完全克服了长基线定位信号的干扰, 而长基线定位声纳也不受水声通信信号的影响.
超短基线定位声纳受水声通信信号的干扰比较严重, 必须分时工作, 以保证正常工作. 在水面支持母船和载人潜水器上都安装有同步时钟, 当潜水器在水下工作时, 两台同步时钟按相同的间隔给出同步信号, 各声纳按同步信号分时协同工作. 通过这种分时工作的方式, 能够完全克服定位声纳与水声通信机之间的干扰, 并最大限度地利用了定位声纳两次发射之间的空隙, 把分时对通信速率的影响降到了最低.
测深侧扫声纳、声学多普勒测速仪、7个避碰声纳的发射速率和脉冲宽度接近, 可以采用发射同步技术. 其中测深侧扫声纳的作用距离最长, 达300 m, 发射周期小于1 s, 这对多普勒测速仪和避碰声纳是可以接受的. 因此将采用测深侧扫声纳的同步输出来同步多普勒测速仪和避碰声纳.
前视成像声纳为机械扫描型, 本身成像速度较慢, 如果其受外部同步信号的控制则会大大降低扫描速率, 成像时间变长, 在潜水器运动时图像失真,
3 总结
蛟龙号载人潜水器声学系统为潜水器作业提供了通信、导航、定位、探测等功能, 和国外载人潜水器声学系统相比, 功能更完善, 综合性能更先进. 水声通信机和水声电话用于在载人潜水器与水面支持母船之间建立实时通信联系; 超短基线定位声纳用于水面支持母船对蛟龙号的定位, 实时监控潜水器相对于水面支持母船的位置, 并获取相对于大地的经纬度坐标; 长基线定位声纳为潜水器提供更高精度的导航定位数据; 测深侧扫声纳用于测量海底的微地形地貌; 前视成像声纳用于探测前方水中目标及海底地貌, 供驾驶员对周围地形环境进行超视距观察; 声学多普勒测速仪能够同时测量出潜水器的运动速度, 下方不同深度上若干层的流速和流向, 以及潜器距海底的距离; 避碰声纳安能够测量潜水器上、下、左、右、前、后各方障碍物的距离, 帮助驾驶员规避障碍物, 保证潜器安全; 高度计为航行控制提供高精度距底高度数据.
2012年6月蛟龙号载人潜水器最大下潜深度达到7062 m, 创造了国际上同类作业型载人潜水器下潜深度记录, 标志着我国已经具备在全球99.8%以上海域开展深海资源研究和勘探的能力, 实现了我国深海技术的重大突破. 2013年蛟龙号试验性应用航次对我国载人深潜事业意义重大, 是我国海洋研究历史上一个非常重要的事情. 我国科学家首次搭乘自己的潜水器去深海调查, 让我们真正进入国际 深潜俱乐部. 蛟龙号声学系统在其中发挥了重要的作用.
致谢 7000 m载人潜水器蛟龙号声学系统研制、改进和海试系列任务由科技部下达, 中船重工第702研究所、中国科
学院声学研究所、中国科学院沈阳自动化研究所为蛟龙号主要研制单位, 中国大洋协会作为业主, 国家海洋局
是蛟龙号海试的组织部门, 中国大洋协会具体负责海试的组织实施, 向阳红09船为海试母船, 众多的单位参与其中. 蛟龙号的成功是整个蛟龙团队团结协作、拼搏奉献的成果. 感谢领导、专家、同事和参试队员在蛟龙号声学系统研制和海试过程中给予支持和帮助.
3469
2014年12月 第59卷 第35期
参考文献
1 封锡盛, 李一平. 海洋机器人30年. 科学通报, 2013, 58: 2–7
2 刘涛, 王璇, 王帅, 等. 深海载人潜水器发展现状及技术进展. 中国造船, 2012, 53: 233–243 3 崔维成, 徐芑南, 刘涛, 等. 7000 m 载人潜水器研发简介. 上海造船, 2008, 73: 14–17
4 李向阳, 刘峰. 蛟龙号载人潜水器研制及海试的组织. 中南大学学报(自然科学版), 2011, 42: 10–12 5 刘峰, 崔维成, 李向阳. 中国首台深海载人潜水器——蛟龙号. 中国科学: 地球科学, 2011, 40: 1617–1620 6 崔维成. “蛟龙”号载人潜水器关键技术研究与自主创新. 船舶与海洋工程, 2012, 89: 1–8 7 崔维成, 刘峰, 胡震, 等. 蛟龙号载人潜水器的5000米级海上试验. 中国造船, 2011, 52: 1–14 8 崔维成, 刘峰, 胡震, 等. 蛟龙号载人潜水器的7000米级海上试验. 船舶力学, 2012, 16: 1131–1143 9 刘开周, 祝普强, 赵洋, 等. 载人潜水器“蛟龙”号的控制系统研究. 科学通报, 2013, 58: 40–48
10 马远良, 鄢社锋, 杨坤德. 匹配场噪声抑制: 原理及对水听器拖曳线列阵的应用. 科学通报, 2003, 48: 1274–1278 11 朱敏, 杨波, 张东升, 等. 7000米载人潜水器培训教材: 声学系统, 2008
12 朱维庆, 朱敏, 王军伟, 等. 水声高速图像传输信号处理方法. 声学学报, 2007, 32: 385–397
13 朱维庆, 朱敏, 武岩波, 等. 载人潜水器“蛟龙”号的水声通信信号处理. 声学学报, 2012, 37: 565–573
14 Kudo K. Overseas trends in the development of human occupied deep submersibles and a proposal for Japan’s way to take. Sci Technol
Trends, 2008, 26: 104–123
15 Suzuki M, Sasaki T, Tsuchiya T. Digital acoustic image transmission system for deep-sea research submersible. OCEANS’92 Proceedings,
1992. 567–570
16 Nanba N, Morihana H, Nakamura E, et al. Development of deep submergence research vehicle “SHINKAI 6500”. Techn Rev Mitsubish
Heavy Industr Ltd, 1990, 27: 157–168
17 Zhu W Q, Zhu M, Wang J W, et al. Signal processing for high speed underwater acoustic transmission of image. OCEANS 2007- Europe,
2007. 1–6
18 朱维庆, 朱敏, 刘晓东, 等. 海底微地貌测量系统. 海洋测绘, 2003, 23: 27–31 19 朱维庆, 刘晓东, 张东升, 等. 高分辨率测深侧扫声纳. 海洋技术, 2006, 24: 29–35
20 孙宇佳, 刘晓东, 张方生, 等. 浅水高分辨率测深侧扫声纳系统及其海上应用. 海洋工程, 2009, 27: 96–102
Sonar system of Jiaolong human-occupied vehicle
ZHU Min1, ZHANG TongWei2, YANG Bo1, LIU YeYao1 & TANG JiaLing2
1 2
Laboratory of Ocean Acoustic Technology, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; National Deep Sea Center, Qingdao 266061, China
The sonar system of Jiaolong human-occupied vehicle has nine types of sonar devices (16 devices in total) for communication, navigation, positioning, and detection. One of the four technical features of Jiaolong is the vehicle’s advanced underwater acoustic digital communication and underwater micro-topography measurement capabilities. The underwater acoustic transmission of images, human voice, data and text from a depth of 7000 m to the ocean surface was accomplished for the first time by the acoustic communication system of Jiaolong. The micro-topography was measured at a depth of 7000 m with high-resolution bathymetric side-scanning sonar, and a small area was mapped three-dimensionally in high resolution in the Mariana Trench. In the periods from August to October 2009, May to July 2010, July to August 2011, and June to July 2012, tests were completed at depths of 1000, 3000, 5000, and 7000 m respectively, and the maximum dive depth reached was 7062 m. A voyage was then undertaken over 113 days from June to September 2013 to test applications. The sea trials show that the advanced technology of the sonar system is reliable and realizes the designed performance.
human-occupied vehicle, Jiaolong, sonar, underwater acoustic communication system, high-resolution bathymetric side-scanning sonar, ultra-short base line, long base line
doi: 10.1360/N972014-00408
3470
2014年 第59卷 第35期：3462 ~ 3470
论 文
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
www.scichina.com csb.scichina.com
蛟龙号载人潜水器声学系统
朱敏①, 张同伟②*, 杨波①, 刘烨瑶①, 唐嘉陵②
① 中国科学院声学研究所海洋声学技术实验室, 北京 100190; ② 国家深海基地管理中心, 青岛 266061 * 联系人, E-mail: [email protected]
2014-05-04收稿, 2014-06-03接受, 2014-08-14网络版发表
国家高技术研究发展计划(2002AA401004, 2009AA093301, 2009AA093601, SS2014AA091801)资助
摘要 为实现通信、导航、定位、探测等功能, 蛟龙号载人潜水器的声学系统由9种16部声纳组成. 先进的水声数字通信和海底微地形地貌探测能力是蛟龙号4个技术亮点之一. 蛟龙号水声通信机首次实现了7000 m级深度的彩色图像、数据、文字和语音的水声通信传输. 高分辨率测深侧扫声纳实现了7000 m级深度的海底地形地貌精细探测, 成功测绘出了马里亚纳海沟局部的微地形地貌图. 蛟龙号载人潜水器于2009年8~10月、2010年5~7月、2011年7~8月和2012年6~7月完成了1000, 3000, 5000和7000 m级海上试验, 最大下潜深度达到了7062 m, 并于2013年6~9月开展了长达113天的试验性应用航次任务. 试验和应用结果均表明, 蛟龙号载人潜水器声学系统的功能完善、性能先进、运行稳定可靠.
关键词
载人潜水器 蛟龙号 声纳 水声通信机 高分辨率测深 侧扫声纳 超短基线 长基线
载人潜水器可运载科学家到达深海的海山、热液、盆地和洋中脊等复杂海底地形进行巡航、悬停、正确就位和定点坐坡作业, 使得人类身临其境探求深海奥秘的梦想得以实现, 也使人类的智慧在深海作业中得到及时充分地发挥. 因此, 载人潜水器技术成为美、俄、法、日等世界各国投巨资争相研究的热点[1,2].
蛟龙号载人潜水器研制[3~6]是国家高技术研究发展计划重大专项之一, 通过全国近百家优势科研院所的联合攻关, 蛟龙号载人潜水器经历设计、加工制造、总装联调、水池功能性试验等研制阶段, 于2008年初具备了出海试验的技术条件, 并于2009年8~10月、2010年5~7月、2011年7~8月和2012年6~7月, 分别完成了1000, 3000, 5000[7]和7000 m级[8]的海上试验任务, 最大下潜深度达到了7062 m, 这个深度覆盖了地球上99.8%海洋面积. 与国际上同类型的大深度载人潜水器相比, 蛟龙号载人潜水器具有以下4个突出的技术亮点, 其总体性能达到了国际先进水平:
(1) 最大的作业深度——7000 m; (2) 先进的操纵性能和航行控制能力; (3) 先进的水声通信和海底微地形地貌探测能力; (4) 完善的安全保障措施.
蛟龙号载人潜水器可以搭载3名人员(1名潜航员, 2名科学家)到达极端深海环境进行科考作业, 它由结构、液压、控制、声学等系统组成, 不仅可进行照相、摄像和海底地形地貌精细测绘, 而且可以使用机械手等工具抓取海底的水样、沉积物、生物等样品[9].
1 蛟龙号载人潜水器声学系统
由于电磁波在海水中衰减很快, 声波成为水中探测、信息传输的主要手段[10]. 根据蛟龙号载人潜水器应用需要和声学系统的总体技术要求, 蛟龙号载人潜水器声学系统由9种16部声纳组成[11], 分别为水声通信机(2部)、水声电话(1部)、超短基线定位声纳(1部)、长基线定位声纳(1部)、测深侧扫声纳(1部)、
引用格式: 朱敏, 张同伟, 杨波, 等. 蛟龙号载人潜水器声学系统. 科学通报, 2014, 59: 3462–3470
Zhu M, Zhang T W, Yang B, et al. Sonar system of Jiaolong human-occupied vehicle (in Chinese). Chin Sci Bull (Chin Ver), 2014, 59: 3462–3470, doi: 10.1360/N972014-00408
论 文
成像声纳(1部)、声学多普勒测速仪(1部)、避碰声纳(7部)和高度计(1部). 蛟龙号载人潜水器声学系统总体布置图如图1所示.
制; 图像数据首先用基于小波变换的图像压缩技术进行图像压缩[17], 然后用Turbo-TCM码进行纠错编码后, 采用高速的相干通信技术进行调制; 语音和摩尔斯码采用单边带调制技术, 具有高的抗噪声能力; 扩频调制技术具有比较高的抗噪声能力, 用于在恶劣条件下的简单指令传输. 调制好的信号通过DA转换变成模拟信号, 经过功率放大器放大后驱动水声通信机换能器发射到水中.
声波在水中传播到接收端的换能器, 经过接收电路的处理后进行AD转换, 然后分成三路并行进行处理. 第一路按数字通信信号进行同步处理和预处理, 自动识别相干/非相干通信制式并进行相应的处理, 非相干通信信号经过非相干解调和纠错解码得到数据和文字, 相干通信信号经过自适应均衡和Turbo码解码迭代处理后得到图像. 第二路按扩频信号进行检测, 识别后进行解调和纠错后得到指令. 第三路按单边带进行解调, 得到语音和摩尔斯码. 这样数据、图像和语音就从发送端传送到了接收端.
4种制式的发送和接收过程完全自主识别完成, 不需要人工干预进行切换, 极大地简化了操作.
蛟龙号载人潜水器水声通信机分为水面部分和潜水器部分. 水面部分声纳阵由水面支持母船吊放到水中, 实现了空间分集合成技术, 有效克服了多途干扰, 同时使声纳接收阵远离水面支持母船, 降低了水面支持母船强噪声干扰
.
潜水器部分包括两套通
1.1 水声通信机
水声通信机用于在载人潜水器与水面支持母船之间建立实时通信联系. 在下潜作业过程中, 水声通信系统将潜水器的各种信息和现场图片准确传送到水面, 供指挥部做出决策, 指导水下作业; 同时, 潜航员与水面指挥人员通过语音、文字和指令通信可以随时就水下作业情况进行交流[12,13].
蛟龙号载人潜水器水声通信机具有丰富的功能和良好的综合性能, 在国际载人深潜器中处于领先地位. 文献[14]介绍, 美国新型“阿尔文”(Alvin)号载人潜水器到2015年才能有传输图像的功能. 日本“深海6500”(Shinkai6500)载人潜水器[15,16]和法国“鹦鹉螺”(NAUTILE)有专用于传输图像的水声通信功能, 但性能偏低, 后续改进未见文献报道.
蛟龙号水声通信系统是综合性的通信系统, 采用了相干通信技术、非相干通信技术、扩频技术和单边带调制技术4种通信制式, 支持多种类型信息的传输. 图2是水声通信机的通信流程图. 发送端根据需要发送的数据类型自动切换到相应的通信制式. 数据和文字一起组织成数据包, 采用卷积码作为纠错编码, 采用稳健、中等速率的非相干通信制式进行调
图1 蛟龙号载人潜水器声学系统总体布置图
3463
2014
年
12月 第59卷 第35期
图2 (网络版彩色)水声通信机通信流程图
信机主机和4个换能器以及声纳主控器. 两套通信机主机完全相同, 相互独立, 互为备份, 以保证通信的可靠性. 潜水器背部的两个为有指向性换能器, 指向性向上; 潜水器腹部的两个为无指向性换能器. 当潜水器在海底作业时, 吊放声纳阵位于上方, 使用背部的换能器进行通信; 当潜水器在下潜和上浮过程中位于吊放声纳阵上方时, 使用腹部的换能器进行通信. 这保证了在潜水器的整个工作周期内都能够实现与水面支持母船之间的水声通信.
经过7000 m级海试, 水声通信机的性能得到了充分验证. 整个海试和2013年蛟龙号试验性应用航次中, 水声通信机一直通信顺畅, 潜水器和水面支持母船双向传输文字、语音、数据, 潜水器可以向水面支持母船发送图像. 图3是2013年蛟龙号试验性应
用航次中蛟龙号由水声通信机传回水面支持母船的现场图像, 由图可见, 图像质量良好, 水声通信机性能可靠.
1.2 水声电话
水声电话是蛟龙号载人潜水器水声通信机的重要补充, 通过它, 潜航员与水面指挥人员可以就试验和作业情况进行语音交流, 保证了水面支持母船与潜水器之间的水声电话通信联系.
水声电话采用半双工通信方式,
讲话人的语音
经送话器转变成电信号后
,
先被放大, 并经滤波器截取300~3000 Hz的语音频率成分, 经数字信号处理形成单边带信号并加入导频. 声波在水中传播到接收端的换能器, 经过接收电路的处理后进行AD转换,
图3 (网络版彩色)2013年蛟龙号试验性应用航次中蛟龙号由水声通信机传回的现场图像
(a) 潜航员与记者; (b) 冷泉区碳酸盐岩; (c) 冷泉区生物群落
3464
论 文
预处理部分完成前置放大、前置滤波、限幅放大、自动增益控制等模拟信号调理, 然后经信号解调处理模块进行电话信号的解调、解码. 解调后的信号进行降噪声处理, 经适量放大后送扬声器收听.
水声电话水面换能器用电动绞车(含300 m承重电缆)从前甲板左舷吊放到水中10~50 m深度, 为了克服潜水器遮挡的影响, 在潜水器的背部和腹部各安装了1只水声电话换能器. 经过7000 m级海试, 水声电话的性能得到了验证, 水声电话语音通信顺畅.
由时间差计算距离需要知道声速, 因此精确的声速剖面数据是定位精度的保证. 因此每到一个新的作业地点, 必须测量声速剖面并输入到定位系统中. 如果出现剧烈的气象过程(如大风、大雨), 则需要重新测量声速剖面并更新到定位系统中.
超短基线定位声纳声基阵安装在水面支持母船的底部, 由中心的发射换能器和四周的4个接收水听器组成. 潜水器部分由超短基线应答器和同步时钟组成. 超短基线应答器安装在潜水器的背部, 其半球形指向性可覆盖整个上半空间, 保证在水下各种深度和倾角状态下定位系统能够正常工作.
在历次下潜作业过程中, 超短基线定位声纳工作正常, 较好地跟踪了潜水器在下潜、水下作业、上浮过程中的潜水器水下位置. 图4是某潜次的超短基线定位结果, 清楚地描绘出了潜水器的轨迹. 200 m以深的超短基线定位数据共3710个, 跳点489个, 有效数据率86.8%.
1.3 超短基线定位声纳
超短基线定位声纳用于水面支持母船对蛟龙号载人潜水器的定位, 水面支持母船可以实时监控潜水器相对于水面支持母船的位置和相对于大地的坐标, 及时采取措施. 定位数据通过水声通信机发送给潜水器, 用于水下导航.
超短基线定位声纳的定位精度一般在斜距的0.2%~1%, 在大深度时误差较大, 需要和惯导、多普勒计程仪等设备相结合以提高定位精度.
超短基线定位声纳有两种工作方式. 一种是应答模式, 水面分别向各应答器发送询问信号, 各应答器接收到针对自己的询问信号后发送应答信号, 通过计算发出询问信号到收到应答信号的时间差来计算距离. 另一种是触发模式, 如果有缆则触发脉冲通过电缆触发应答器, 如果无缆则需要采用高精度的同步时钟来同步触发应答器和水面系统, 通过计算同步脉冲触发时刻到收到应答信号的时间差计算距离. 在蛟龙号载人潜水器中采用同步时钟触发方式, 在水面支持母船和潜水器上都安装了高精度的同步时钟以保证在整个下潜任务期间触发时刻严格一致.
1.4 长基线定位声纳
超短基线定位的优点是机动灵活, 但缺点是定位精度较差. 在载人潜水器作业支持领域, 一些作业要求更精确的定位, 这就需要长基线定位声纳. 长基线定位声纳的优点是定位精度高, 缺点是需要投放信标阵列, 设备和时间成本高.
长基线定位声纳包括两部分: 一部分是水下移动载体上的换能器; 另一部分是一系列已知位置的固定在海底的应答器, 一般需要至少3个, 并构成一定的几何形状. 应答器之间的距离构成基线, 基线长度在几百米到几千米, 甚至几十千米之间. 在长基线定位系统中
,
被测载体上的测量换能器向各应答器
图4 (网络版彩色)超短基线定位声纳测量的潜水器轨迹
3465
2014年12月 第59卷 第35期
发出询问信号, 并接收各应答器的应答信号, 通过信号传播时延差, 列出解算方程, 最终确定被测载体的三维位置坐标.
从原理上讲, 系统导航定位只需要2个海底应答器就可以, 但是这样会产生目标的偏离模糊问题, 而且不能测量目标的水深, 所以至少需要3个海底应答器才能得到目标的三维坐标. 在有高精度惯导设备支持时, 可以减少信标数量, 最少到1个.
长基线换能器安装在潜水器的背部, 海底应答器布设在距离海底50 m左右的位置, 保证潜水器在近海底作业时信号不会被潜水器自身遮挡. 但在地形起伏较大的区域, 就比较容易出现遮挡问题, 需要根据地形和作业需要来设置海底应答器的位置和距离海底高度.
在保证至少3个长基线定位信标没有被遮挡的情况下, 长基线定位声纳的定位结果是可靠, 定位精度高于超短基线定位声纳. 图5是某潜次长基线定位结果和超短基线定位结果的对比, 图中深色点是长基线定位结果, 浅色点是超短基线定位结果, 长基线定位结果描述的轨迹与潜水器的实际航行状态吻合, 而超短基线的定位结果受到了水面母船的航行轨迹变化的影响.
目标, 实时绘制出现场的三维地图. 它能在复杂的海底上工作, 给出目标的高度, 因此十分适合在钴结壳区域勘察工作和在大洋热液场测量热液喷口“烟囱”的几何尺寸. 国际上已有的载人潜水器上尚未装有此种声纳. 它和水声通信机是蛟龙号载人潜水器4个技术亮点之一.
测深侧扫声纳是通过分析声纳阵接收到信号的方向来获得海底的位置. 图6给出了测深侧扫声纳工作原理示意图. T1是发射换能器, R1～R8是8个接收换能器单元, 声纳阵面法线与水平面成30°. 通过分析各接收信号的相位差, 计算出海底回波的方向; 根据回波到达的时间推算海底的距离; 二者相结合即可获取海底位置. 蛟龙号载人潜水器上装备的测深侧扫声纳采用先进的多子阵海底自动检测——信号子空间的信号参数估计技术, 使其能够把不同方向同时到达的回波区分开来, 并能自动检测海底.
在潜水器左舷和右舷各安装一套高分辨率测深侧扫声纳换能器阵, 实现对两侧海底的同步测量. 换能器阵的长轴与潜水器本体的长轴平行, 换能器面法线与水平面成30°. 换能器阵安装在潜水器的4号和5号站之间, 此处是潜水器的圆柱段, 换能器阵安装后的线型较好, 安装支架独立于承重框架, 降低了重复起吊过程引起的结构形变对测量精度的影响.
图7给出了某潜次(蛟龙号7000 m级海试)测深
1.5 高分辨率测深侧扫声纳
高分辨率测深侧扫声纳
[18~20]
安装在载人潜水器侧扫声纳获得的海底微地形地貌图, 地形图的等深线间隔为2 m, 海底的诸多细节得到了合理展示, 侧
的两侧, 能够测量海底的微地形地貌和海底、水中的
图5 某潜次长基线定位声纳与超短基线定位声纳的定位结果对比
3466
论 文
像声纳安装在潜水器艏部上方.
成像声纳通过一个具有扇形波束特性的换能器发射短脉冲, 到达海底后被反射回来. 换能器通过机械转动来回扫描海底, 把不同方向的回波组合在一起就获得了海底的声图, 如图8所示.
图9是某潜次作业过程中潜水器坐底时成像声纳获取的海底图像, 量程为100 m, 可以看到30 m左右海底有连续的阴影, 表明有剧烈的高度变化.
1.7 声学多普勒测速仪
声学多普勒测速仪安装在潜水器的腹部, 换能器头朝下, 主要用于测量蛟龙号载人潜水器相对于海底的运动速度以及潜水器下方的海流剖面. 现场的流场数据和潜水器相对海底的运动速度是载人潜
图6 (网络版彩色)测深侧扫声纳工作原理示意图
水器航行控制和实现动力悬停所必需的.
图10是某潜次测量得到的潜水器运动速度, 最大水平速度2.0 kn (1 kn 0.5 m/s), 最大下潜速度1.1 kn, 最大上浮速度1.2 kn, 空白部分是因为潜器坐底, 测速数据无效. 水平速度表示潜水器的水平运动速度, 潜航员需要根据作业任务适时调整潜水器的水平运动速度. 当进行取样作业时, 需要悬停或坐底, 此时水平速度为0或接近于0; 当近底拍摄作业时, 水平速度相对较高; 当发现感兴趣目标(生物、岩石、结核、结壳等)时, 需要不断调整水平速度以接近目
扫图和地形图相对照, 可以获得更多的信息.
1.6 成像声纳
在载人潜水器的前部装有机械扫描成像声纳, 用于探测前方水中目标及海底地貌, 供驾驶员对周围地形环境进行超视距观察, 一方面搜索目标, 另一方面规避障碍物, 保证潜器安全. 为保证其视野, 成
图7 (网络版彩色)测深侧扫声纳获得的海底微地形地貌图(7000 m级海试)
(a) 微地形图; (b) 侧扫图
3467
2014
年12月 第
59
卷 第35期
图8 波束扫描获得海底声图
图9 (网络版彩色)海底图像
标, 此时水平速度变化较大.
1.8 避碰声纳
当载人潜水器在水下巡航时, 避碰声纳实时监测载人潜水器到四周不同方向障碍物的距离, 为驾驶员安全驾驶提供规避信息, 避免与障碍物发生碰撞, 同时下方的避碰声纳作为测高仪提供潜水器距底高度数据, 用于定高航行控制
.
为了保证足够的处
置时间, 避碰声纳的作用距离是100 m.
避碰声纳是一种回波测距声纳, 其工作原理为: 发射一个窄波束的短脉冲, 当脉冲遇到障碍物时就
会产生回波, 测量出回波相对于发射时刻的延时T,
图10 (网络版彩色)声学多普勒测量的潜水器运动速度
3468 就可以计算出障碍物与潜水器之间的距离d=cT/2, 其中c是声速.
载人潜水器的主要运动方向是前进和升沉, 出现障碍物可能性最大的是前方和下方, 因此前方和下方共布置了5个避碰声纳, 以更好地测量前方和下方障碍物的信息. 在复杂地形工作时需要注意侧面
的障碍物, 因此在两侧分别布置了一个避碰声纳. 上方出现障碍物的可能性较小, 潜水器一般也不倒车, 因此上方和后方没有设专门的避碰声纳, 分别用前上方和后下方的避碰声纳兼顾. 7个避碰声纳采用分布式设计, 各避碰声纳独立工作.
1.9 高度计
高度计安装在潜水器的腹部, 换能器头朝下, 提
供潜水器相对于海底的距离, 测量范围0~50 m, 其精度为0.1%, 用于定高航行控制. 当测深侧扫声纳工作时, 该数据可与测深侧扫声纳获得的高度数据相互修正.
与避碰声纳的工作原理类似, 高度计也是一种回波测距声纳, 只是它的工作频率更高, 测距精度更高, 相应的作用距离也更短, 只有50 m.
2 声学系统的协同工作
在蛟龙号载人潜水器中各声纳都发射声波, 如果一个声纳在发射而另一个声纳在接收, 则发射信号会对接收中的声纳造成干扰, 尤其是当两个声纳距离比较近或工作频带接近时干扰会比较严重, 甚至造成被干扰的声纳无法正常工作. 为此需要对各
声纳的工作频率和安装位置进行合理的设计, 并通
过同步来协同工作. 在必要的时候还必须关闭若干
声纳来保证关键声纳的工作.
2.1 声学系统频率分配
根据潜水器总体指标的要求, 声学系统中各声纳的工作频率进行了适当的分配. 基于通信距离和通信速率的要求, 水声电话的工作频带和水声通信机的工作频带有所重叠. 综合考虑定位距离和可靠性, 超短基线定位声纳和长基线定位声纳采用国外成熟产品, 其工作频率与水声电话和水声通信机的工作频率接近. 测深侧扫声纳、声学多普勒测速仪、
成像声纳、避碰声纳和高度计均工作在高频段, 其频率选择既要满足作用距离和测量精度的需要, 又要
论 文
与其他声纳的工作频带保持距离. 不利于驾驶员观察. 因此成像声纳不能受控于同步信号. 其他声纳对成像声纳的干扰表现为声图上稀疏的短线, 对图像信息的判读没有大的影响. 成像声纳对其他声纳的影响不大. 高度计频率与其他声纳的频率相差较大, 对其他声纳的影响不大, 它不受外部同步信号的控制.
2.2 声纳的同步
在合理安排频率后, 声纳之间的干扰主要是一个声纳的发射信号干扰另一个声纳的接收过程, 如果各声纳同时发射, 则可以同时接收而互不干扰. 发射同步带来的问题就是作用距离短的声纳要等待作用距离长的声纳接收完毕, 这样其发射周期就拉长了.
考虑到水声电话是水声通信机的备份, 一般只在下潜初始阶段和上浮至水面前使用, 他们之间通过分时段工作来解决相互干扰问题.
水声通信机与超短基线和长基线定位声纳的工作频率接近. 为了让长基线定位密度最大化, 水声通信机与长基线定位声纳采用异步工作模式, 长基线定位声纳的工作周期尽可能短, 水声通信机通过强化信号处理算法, 完全克服了长基线定位信号的干扰, 而长基线定位声纳也不受水声通信信号的影响.
超短基线定位声纳受水声通信信号的干扰比较严重, 必须分时工作, 以保证正常工作. 在水面支持母船和载人潜水器上都安装有同步时钟, 当潜水器在水下工作时, 两台同步时钟按相同的间隔给出同步信号, 各声纳按同步信号分时协同工作. 通过这种分时工作的方式, 能够完全克服定位声纳与水声通信机之间的干扰, 并最大限度地利用了定位声纳两次发射之间的空隙, 把分时对通信速率的影响降到了最低.
测深侧扫声纳、声学多普勒测速仪、7个避碰声纳的发射速率和脉冲宽度接近, 可以采用发射同步技术. 其中测深侧扫声纳的作用距离最长, 达300 m, 发射周期小于1 s, 这对多普勒测速仪和避碰声纳是可以接受的. 因此将采用测深侧扫声纳的同步输出来同步多普勒测速仪和避碰声纳.
前视成像声纳为机械扫描型, 本身成像速度较慢, 如果其受外部同步信号的控制则会大大降低扫描速率, 成像时间变长, 在潜水器运动时图像失真,
3 总结
蛟龙号载人潜水器声学系统为潜水器作业提供了通信、导航、定位、探测等功能, 和国外载人潜水器声学系统相比, 功能更完善, 综合性能更先进. 水声通信机和水声电话用于在载人潜水器与水面支持母船之间建立实时通信联系; 超短基线定位声纳用于水面支持母船对蛟龙号的定位, 实时监控潜水器相对于水面支持母船的位置, 并获取相对于大地的经纬度坐标; 长基线定位声纳为潜水器提供更高精度的导航定位数据; 测深侧扫声纳用于测量海底的微地形地貌; 前视成像声纳用于探测前方水中目标及海底地貌, 供驾驶员对周围地形环境进行超视距观察; 声学多普勒测速仪能够同时测量出潜水器的运动速度, 下方不同深度上若干层的流速和流向, 以及潜器距海底的距离; 避碰声纳安能够测量潜水器上、下、左、右、前、后各方障碍物的距离, 帮助驾驶员规避障碍物, 保证潜器安全; 高度计为航行控制提供高精度距底高度数据.
2012年6月蛟龙号载人潜水器最大下潜深度达到7062 m, 创造了国际上同类作业型载人潜水器下潜深度记录, 标志着我国已经具备在全球99.8%以上海域开展深海资源研究和勘探的能力, 实现了我国深海技术的重大突破. 2013年蛟龙号试验性应用航次对我国载人深潜事业意义重大, 是我国海洋研究历史上一个非常重要的事情. 我国科学家首次搭乘自己的潜水器去深海调查, 让我们真正进入国际 深潜俱乐部. 蛟龙号声学系统在其中发挥了重要的作用.
致谢 7000 m载人潜水器蛟龙号声学系统研制、改进和海试系列任务由科技部下达, 中船重工第702研究所、中国科
学院声学研究所、中国科学院沈阳自动化研究所为蛟龙号主要研制单位, 中国大洋协会作为业主, 国家海洋局
是蛟龙号海试的组织部门, 中国大洋协会具体负责海试的组织实施, 向阳红09船为海试母船, 众多的单位参与其中. 蛟龙号的成功是整个蛟龙团队团结协作、拼搏奉献的成果. 感谢领导、专家、同事和参试队员在蛟龙号声学系统研制和海试过程中给予支持和帮助.
3469
2014年12月 第59卷 第35期
参考文献
1 封锡盛, 李一平. 海洋机器人30年. 科学通报, 2013, 58: 2–7
2 刘涛, 王璇, 王帅, 等. 深海载人潜水器发展现状及技术进展. 中国造船, 2012, 53: 233–243 3 崔维成, 徐芑南, 刘涛, 等. 7000 m 载人潜水器研发简介. 上海造船, 2008, 73: 14–17
4 李向阳, 刘峰. 蛟龙号载人潜水器研制及海试的组织. 中南大学学报(自然科学版), 2011, 42: 10–12 5 刘峰, 崔维成, 李向阳. 中国首台深海载人潜水器——蛟龙号. 中国科学: 地球科学, 2011, 40: 1617–1620 6 崔维成. “蛟龙”号载人潜水器关键技术研究与自主创新. 船舶与海洋工程, 2012, 89: 1–8 7 崔维成, 刘峰, 胡震, 等. 蛟龙号载人潜水器的5000米级海上试验. 中国造船, 2011, 52: 1–14 8 崔维成, 刘峰, 胡震, 等. 蛟龙号载人潜水器的7000米级海上试验. 船舶力学, 2012, 16: 1131–1143 9 刘开周, 祝普强, 赵洋, 等. 载人潜水器“蛟龙”号的控制系统研究. 科学通报, 2013, 58: 40–48
10 马远良, 鄢社锋, 杨坤德. 匹配场噪声抑制: 原理及对水听器拖曳线列阵的应用. 科学通报, 2003, 48: 1274–1278 11 朱敏, 杨波, 张东升, 等. 7000米载人潜水器培训教材: 声学系统, 2008
12 朱维庆, 朱敏, 王军伟, 等. 水声高速图像传输信号处理方法. 声学学报, 2007, 32: 385–397
13 朱维庆, 朱敏, 武岩波, 等. 载人潜水器“蛟龙”号的水声通信信号处理. 声学学报, 2012, 37: 565–573
14 Kudo K. Overseas trends in the development of human occupied deep submersibles and a proposal for Japan’s way to take. Sci Technol
Trends, 2008, 26: 104–123
15 Suzuki M, Sasaki T, Tsuchiya T. Digital acoustic image transmission system for deep-sea research submersible. OCEANS’92 Proceedings,
1992. 567–570
16 Nanba N, Morihana H, Nakamura E, et al. Development of deep submergence research vehicle “SHINKAI 6500”. Techn Rev Mitsubish
Heavy Industr Ltd, 1990, 27: 157–168
17 Zhu W Q, Zhu M, Wang J W, et al. Signal processing for high speed underwater acoustic transmission of image. OCEANS 2007- Europe,
2007. 1–6
18 朱维庆, 朱敏, 刘晓东, 等. 海底微地貌测量系统. 海洋测绘, 2003, 23: 27–31 19 朱维庆, 刘晓东, 张东升, 等. 高分辨率测深侧扫声纳. 海洋技术, 2006, 24: 29–35
20 孙宇佳, 刘晓东, 张方生, 等. 浅水高分辨率测深侧扫声纳系统及其海上应用. 海洋工程, 2009, 27: 96–102
Sonar system of Jiaolong human-occupied vehicle
ZHU Min1, ZHANG TongWei2, YANG Bo1, LIU YeYao1 & TANG JiaLing2
1 2
Laboratory of Ocean Acoustic Technology, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; National Deep Sea Center, Qingdao 266061, China
The sonar system of Jiaolong human-occupied vehicle has nine types of sonar devices (16 devices in total) for communication, navigation, positioning, and detection. One of the four technical features of Jiaolong is the vehicle’s advanced underwater acoustic digital communication and underwater micro-topography measurement capabilities. The underwater acoustic transmission of images, human voice, data and text from a depth of 7000 m to the ocean surface was accomplished for the first time by the acoustic communication system of Jiaolong. The micro-topography was measured at a depth of 7000 m with high-resolution bathymetric side-scanning sonar, and a small area was mapped three-dimensionally in high resolution in the Mariana Trench. In the periods from August to October 2009, May to July 2010, July to August 2011, and June to July 2012, tests were completed at depths of 1000, 3000, 5000, and 7000 m respectively, and the maximum dive depth reached was 7062 m. A voyage was then undertaken over 113 days from June to September 2013 to test applications. The sea trials show that the advanced technology of the sonar system is reliable and realizes the designed performance.
human-occupied vehicle, Jiaolong, sonar, underwater acoustic communication system, high-resolution bathymetric side-scanning sonar, ultra-short base line, long base line
doi: 10.1360/N972014-00408
3470