走航式ADCP船載適裝結構和工藝研究

朱 飛，顧睿峰

(中船重工鵬力(南京)大氣海洋信息系統有限公司，南京 211153)

0 引 言

走航式聲學多普勒海流剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)可以在船舶航行過程中對其所經過航跡點的水下剖面海流流速、流向進行直接、高效、連續的觀測，具有不擾動流場、測量歷時短、測流范圍大以及可充分利用航渡時間等優點。ADCP可靈活安裝在遠洋捕撈船、運輸船、科考船、各類海洋觀測浮標平臺上使用，廣泛應用于水下平臺作業保障、海洋調查科學研究等各個領域[1]，為海洋動力、氣候變化和海洋生物化學等海洋過程研究提供不可或缺的基礎數據。

船載走航式ADCP測量技術比較成熟，但船載安裝工藝缺陷或考慮不周會導致ADCP船載走航式應用中出現諸如浮游物刮擦和碰撞、船舶航行氣泡干擾、水體生物附著[2]或侵蝕、安裝位置和方向錯誤等一系列問題，從而導致設備測量精度、穩定性和量程降低，甚至是換能器失效或損毀。因此，科學合理的船載適裝結構和工藝對于ADCP效能發揮至關重要。

1 ADCP及走航式應用

1.1 構成

ADCP一般由換能器、信號處理單元、計算機、連接電纜和應用軟件等組成[3]，其中換能器安裝在船底，信號處理單元和計算機安裝于船艙內，換能器和信號處理單元之間用專用電纜連接。

測量矢量流的ADCP一般有多探頭(單波束換能器)組合式換能器和陣列式換能器兩類。本文主要針對第二類,重點闡述其換能器陣列的船載適裝結構和工藝要領，對于安裝要求不高或比較容易的信號處理單元和計算機不作贅述。

1.2 工作原理

通過測量各分層海水中顆粒物對聲波的后向散射多普勒頻移，進而根據多普勒頻移方程計算出徑向剖面流速：

fd=2fs(v/c)cosθ

(1)

式中，fd為多普勒頻移；fs為發射聲波的頻率；v為海流相對速度；c為海水聲速；θ為真實流向與聲波束指向之間的夾角。

一般需要至少3個聲波束測量得到的速度分量聯立方程求解，才能獲得水體深度剖面的真實流速和流向。

1.3 走航式ADCP

走航式ADCP指ADCP設備搭載于船舶等運動平臺，隨船舶的航行移動開展測量工作，得到的是與位置(經度、緯度和水深)、時間信息相關的流速、流向物理參數。

2 走航式ADCP探測影響因素分析

走航式ADCP海流觀測是一個極為復雜的過程，其測量要素的準確性涉及許多因素，除了ADCP自身的因素，還包括換能器安裝位置、安裝方式以及校正措施(方法和儀器)等[4]。

2.1 安裝位置影響

ADCP換能器一般安裝在船舶底部，具體安裝位置非常重要，選擇不當會對設備正常工作帶來極大影響，主要有：

(1) 換能器應當安裝在船舶中前部靠近中軸線的位置，一方面可以保持最大的吃水深度，避免船舶顛簸、海浪沖擊和船底突起物造成的氣泡影響測量環境，另一方面也有利于降低加速度等傳感器的校正算法難度，提高校正效果；

(2) 換能器應當遠離螺旋槳，避免螺旋槳高速旋轉空泡效應導致的氣泡影響測量環境；

(3) 換能器安裝位置周邊應無突起物，保證每個波束周圍有 15°的開闊角度，避免物體遮擋影響聲波傳播；

(4) 換能器安裝位置應遠離其他聲學探測設備，尤其是與該ADCP工作頻率或諧波頻率相近的設備，避免設備之間相互干擾。

2.2 安裝方式影響

陣列式ADCP屬于精密貴重儀器，安裝使用不當很容易造成失效或損壞。船載ADCP安裝一般有直接安裝(陣列表面與水體直接接觸)和加透聲板安裝(陣列表面與水體通過透聲板接觸)兩種方式，直接安裝方式雖然有成本低的優點，但其缺陷也很明顯，主要表現在以下幾點：

(1) 從儀器安全性角度，換能器陣列表面容易被刮擦和撞擊，一旦損傷就破壞了換能器與水體的聲匹配，嚴重影響儀器探測性能，而且很難修復；

(2) 從儀器長效性角度，換能器陣列表面必然會出現生物附著現象，不但難于清理，而且在清理時易對陣列表面造成劃痕等損傷，進而影響儀器探測性能；

(3) 從儀器維修性角度，陣列式ADCP不但電路復雜，而且陣元電路和換能器是一體化的，維修時必須整體拆卸，需要進塢或動用蛙人，難度很大。

由此可見，直接安裝方式僅適合短時間短航程水文調查作業，長時間長航程業務化觀測宜采用加透聲板安裝方式。

2.3 校正措施影響

ADCP對水流的測量是以儀器所處的相對靜止和確定的角度為參照系，船載ADCP無法回避船舶航行固有的航速、航向、橫傾(搖)、縱傾(搖)、上下顛簸等因素的嚴重影響，因此必須利用六軸加速度計和GPS、羅經儀等配合進行補償[5]，才能獲得真實準確的水流參數測量結果。為此，ADCP的安裝需要統籌考慮校準儀器是否與ADCP處在同一或相近的參照系，否則會影響ADCP的測量精度。

3 船載ADCP安裝結構和工藝

3.1 結構和工藝總體設計

船載ADCP優先選擇增設透聲板的安裝結構形式，將換能器安裝在可以平衡水壓的密閉安裝艙內，并根據不同工作頻率選擇相匹配的透聲板，主要由安裝艙、整流罩、水箱、透聲板、安裝井以及必要的密封組件構成，如圖1所示。配合使用整流罩的透聲板能有效解決因船只運動產生的氣泡造成的流噪聲對換能器的干擾，在間接提升信噪比的同時很好地平衡了增設透聲板導致的作用距離變小的缺點，可以獲得更好的數據質量和量程。

圖1 船載ADCP安裝結構剖視圖

3.2 船體改造設計

安裝井、整流罩與船體焊接成一體，透聲板則通過金屬固定環與安裝艙法蘭螺栓連接，水箱須設置高于船體吃水線的位置，并配有與安裝艙相連接的進水管和排氣管。

安裝井口一般略大于安裝艙外圓直徑5 mm左右。安裝艙裝入后與安裝井法蘭螺栓連接實現船體密封，且兩者之間的間隙須填滿密封膠。因此，無論ADCP安裝艙內部是否裝有換能器，均須與船體緊密連接，并定期進行密封檢查。

水箱的箱體高度一般須大于船舶最大吃水差，容積宜為安裝艙容積的1.5倍，并在規定的水壓下進行密性試驗。

3.3 透聲板設計

與其他聲學探測儀器設備類似，ADCP的探測性能對于聲噪聲非常敏感。為了達到最好的性能，須減輕或者濾除流噪聲，因此在ADCP換能器探頭和水體之間增設透聲板來隔絕流動的水，進而避免在換能器表面產生流噪聲。

在安裝設計時，應在透聲板與換能器之間留有一定的距離(實驗結果為6.4 mm～12.7 mm)，以規避波束反射[6]造成的交叉干擾，同時還須考慮在換能器安裝艙內壁增設吸聲材料，以降低聲波信號反射造成的混響。

3.3.1 透聲板厚度設計

大量的試驗驗證表明：基于聚碳酸酯材料的透聲板在抗張強度、耐腐蝕以及在不同頻率下聲波吸收的穩定性方面都表現優異，但厚度對聲波信號的衰減仍影響較大。

圖2～6分別是0.25～3.0 in不同厚度透聲板在不同工作頻率下的單程衰減、雙程衰減和量程損失仿真數據結果。可以看出，0.375 in厚度的透聲板在不同工作頻率ADCP上的應用都表現優異，其次為0.75 in厚度。

圖2 30°波束角38 kHz-ADCP的聲信號衰減

圖3 30°波束角75 kHz-ADCP的聲信號衰減

圖4 30°波束角150 kHz-ADCP的聲信號衰減

圖5 20°波束角75 kHz-ADCP的聲信號衰減

圖6 20°波束角150 kHz-ADCP的聲信號衰減

3.3.2 透聲板的介入損耗仿真計算

通過建立數學模型對優選厚度的透聲板在不同工作頻率ADCP中的介入損耗進行了仿真計算，仿真結果也基本符合試驗實測結果，如圖7～圖11所示。圖中，Uniform Ave.IL指在X軸表示的頻帶范圍內的整體平均介入損耗，Weighted Ave.IL指在ADCP頻率帶寬內的平均介入損耗，X軸為頻率，Y軸為預期的介入損耗，線1表示ADCP在最大帶寬下的主波束，線2表示該厚度的透聲板在該頻段范圍內的預期損耗。

圖7 不同厚度透聲板(@0 ℃，38 kHz)在30°波束角介入損耗

圖8 0.375 in厚度透聲板(@0 ℃，75 kHz)不同波束角介入損耗

圖9 0.75 in厚度透聲板(@0 ℃，75 kHz)不同波束角介入損耗

圖10 0.375 in厚度透聲板(@0 ℃，150 kHz)不同波束角介入損耗

圖11 0.75 in厚度透聲板(@0 ℃，150 kHz)不同波束角介入損耗

3.4 安裝艙設計

安裝艙由圓柱艙體、水密蓋板、水密管法蘭以及必要的消音和密封組件構成，如圖12所示。圖中，圓柱腔體有兩層環形板，底部環形板用于安裝透聲板，換能器則通過減震器安裝在中部環形板上；艙體內壁須安裝阻尼板并粘貼吸聲材料；水密蓋板、水密管法蘭分別用于安裝艙主體及換能器過線密封，二者對于船體密封至關重要，一般還須在過線處增設Roxtec密封組件。

圖12 安裝艙結構剖視圖

3.5 實船應用驗證

為實施遠洋漁船對太平洋西北部、印度洋中西部等漁區的海洋氣象水文的志愿觀測，2020年末至2021年初，多艘遠洋漁船的走航式ADCP采用本文方案完成了加改裝工作。經過長時間的走航觀測以及休漁期的常規上塢檢修，實船應用效果良好，未出現設備故障及觀測數據缺失的現象。

4 結束語

本文介紹了ADCP的工作原理和走航應用，分析了影響走航式ADCP探測性能的因素，詳細闡述了船載安裝結構和工藝，著重探討了透聲板在船載ADCP安裝應用中的重要性，經仿真、試驗和實踐進一步驗證了本文相關船載安裝工藝要點的正確性及有效性，為走航式ADCP船載安裝提供了依據和參考。