蛟龙号载人潜水器声学系统

2014年第59卷第35期：3462~3470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,2014,59:3462–3470ZhuM,ZhangTW,YangB,etal.SonarsystemofJiaolonghuman-occupiedvehicle(inChinese).ChinSciBull(ChinVer),2014,59:3462–3470,doi:10.1360/N972014-00408《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESS论文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②①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:[e-mail]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7000m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7000m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7000m级海上试验,最大下潜深度达到了7062m,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7000m级[8]的海上试验任务,最大下潜深度达到了7062m,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——7000m;(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)、3463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.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图1蛟龙号载人潜水器声学系统总体布置图2014年12月第59卷第35期3464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7000m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300~3000Hz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3465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300m承重电缆)从前甲板左舷吊放到水中10~50m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7000m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.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.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.200m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%.1.4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2014年12月第59卷第35期3466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50m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