基于UUV的海洋環境測量系統設計

張龍偉，李中政，董黃偉

基于UUV的海洋環境測量系統設計

張龍偉1，李中政2，董黃偉1

(1. 杭州瑞利海洋裝備有限公司，杭州 310023；2. 92859部隊，天津 300061）

海洋環境測量是世界各國推進海洋戰略的重要抓手，近年來我國海洋環境測量技術取得了很大的發展，本文以水下無人航行器（Unmanned Under-water Vehicle，UUV）為海洋環境測量平臺，簡述UUV水下環境測量的原理和特點。研究基于前視避障聲納及水聲通訊等設備設計防碰撞的測量方法，討論測量效率及應用方法，進行側掃聲納地貌探測、噪聲測量單元水文噪聲測量及聲速測量單元進行聲速剖面測量。

UUV 側掃聲納 噪聲測量 聲速剖面

0 引言

海洋環境物理參量信息對船舶航行安全、海洋生產活動、海上戰場環境保障、氣象水文建模等都具有重大意義[1]，海洋環境信息的掌握是進行海洋開發、海洋環境保護、海洋管理和軍事保障的主要決策依據[2]。海洋環境物理參量調查技術在海洋油氣勘探、海底構造研究、油氣管線調查、海灣大橋工程及海底隧道工程可行性研究等方面均取得了一定成功的經驗。

傳統的海洋環境物理參量服務采用的平臺為水面測量船搭載探測設備的模式進行，近幾年出現的無人艇（USV）、水下遙控機器人（ROV）、水下自控機器人（AUV）等新平臺技術的逐漸成熟，也豐富了探測的手段，并提高了探測的效率。國內外目前有很多研究機構和公司開展了海洋環境物理參量測量平臺自動化方面的研究，UUV是研究中的熱點，在軍事和民用都有廣闊的應用前景。

1 測量系統設計

UUV是一種可潛入水下，依靠自帶能源、自推進、遙控或自主控制，通過配置海洋環境測量設備對海底地貌測繪、水文氣象和海洋水聲監測[3]。本測量系統設計組成如圖1所示。基于UUV的海洋環境測量系統具備體量小、隱蔽性高、自主性強等優點，通過配置不同載荷設備即可執行不同任務，能回收和反復使用，在海洋環境測量、海底地形測繪和水下障礙物搜索定位等方面具備廣泛的應用前景。

圖1 基于UUV的海洋環境測量系統

測量系統主要由平臺子系統和載荷子系統組成。組成框圖如圖2所示。其中載荷子系統安裝于載荷段1中，該倉設計外形與平臺子系統外形尺寸相同，共用流體力學設計規則，之間采用徑向密封及螺釘固定的方式連接，保證在水下航行過程中保持姿態穩定性。密封段與透水段之間采用密封端蓋連接，外部接口均采用水密連接器及水密纜，實現艙段之間的電氣連接。載荷子系統供電從平臺子系統管理單元引出。

圖2 測量系統組成框圖

載荷子系統通過在受力較小及不需要水密的透水部分，選用密度較小的材料進行設計，并在空隙部位增加浮力材料提升重量配平工作。在電子倉內電路板之間間隙也放置浮力材料，進一步增加載荷子系統的配平能力。載荷子系統布局設計如圖3所示。其中側掃聲納單元換能器采用嵌入式安裝方案，將換能器嵌入到UUV外殼開槽中，將換能器線穿入艙體內部，接至電路。換能器安裝角度設定為通用模式的140°。

圖3 載荷子系統設計示意圖

2 功能設計

2.1 通訊功能

在海洋環境中，聲音傳播的距離與頻率緊密相關。為了選取合適的中心頻率，最佳工作頻率計算如下所示[4]：

當通信距離為2 km時，fc=20 kHz；當通信距離為3 km時，通信頻段為16 kHz。所以，綜合考慮技術指標要求和系統的穩定性，并兼容一定的通信帶寬要求，本測量系統選用設備工作頻率設置為8 kHz～16 kHz，通信速率≥6 kbps，通信距離≥22 km，誤碼率≤10-4。

2.2 水下定位功能

水下定位利用信標發射信號到達接收基陣之間的時延差和測量信標到基陣中心的斜距進行，本測量系統使用水下定位設備工作頻段為20～30 kHz，定位精度為1m±1%R（R為斜距，垂直入射角＜60°），作用距離1500 m，可同時定位5個目標。

2.3 前視避障

前視避障功能選用適用于水下成像領域而設計的超小型、低功耗多波束成像聲吶。采用先進的實時多波束形成成像技術和先進的信號處理平臺，實現0.75 cm的距離分辨率和最大60 Hz的圖像刷新率，確保視頻級聲吶成像。設備工作頻率為720 kHz，水平接收波束寬度為1°，垂直發射波束狂賭20°，水平波束開角范圍120°，最遠探測范圍可達120 m。

2.4 噪聲測量

噪聲測量單元性能指標如下：

工作頻率范圍： 20 Hz～10 kHz；

水聽器聲壓靈敏度（含前放）：≥-170dB（前放增益26 dB），一致性±1.5 dB；

前放增益調節：20 dB、26 dB、32 dB、38dB

采樣頻率：最大64 kHz，可調節；

精度：24位；

自噪聲：不大于38 dB re uPa/√Hz @ 1kHz；

測量信號動態范圍：100.6 dB；

2.5 地貌測量

側掃聲納式基于回聲探測原理進行水下目標探測，工作時換能器按照設計頻率發射和接收聲波，并得到一系列回波。由于換能器接收到的水底各點回波的時間有先后之分，當聲波船舶距離越遠時，換能器接收到回波的時間越長，且距離越遠回波信號越弱[5]，回波強度如圖3所示。

圖4 側掃聲納回波強度示意圖

側掃聲納技術指標參數如表1所示。

表1 技術指標參數

2.6 聲速測量

聲速測量單元是專門用于測量聲波在水中傳播速度的儀器，可通過RS232協議與計算機進行通信。

3 測量方法

UUV能夠順利完成任務必須有一條安全最優的路徑提供保障。在路徑規劃中，所生成的路徑質量對UUV的安全航行和成功完成任務起到了至關重要的作用[6]。本系統為測量系統設計一種“弓”自行測量路徑，設計路徑如圖4所示。

圖4 UUV測量路徑規劃示意圖

其中AB及其平行線為測量單元測量路徑，BC及其平行線為轉向區域。為滿足側掃聲納獲取到的地貌數據質量，設計中的路徑間隔為100 m。測量平臺根據側掃聲納數據進行底跟蹤處理，可獲取到距離海底的高度信息作為離底高度參數。前視避障聲納可實時獲取到測量系統前進方向聲學影像信息，根據回波信息將前進方向左右各45°以每度一位共90位，零表示安全，1表示有障礙物。平臺子系統控制單元根據前視避障聲納數據保障探測作業安全。

4 試驗與測試情況

海底側掃聲圖像可分類為：目標圖像、地貌圖像和水體圖像等。

目標圖像包括沉船、礁石、電纜、水下障礙物及水下建筑物等。同時根據判釋聲圖的不同需要，還可作進一步分類。

地貌圖像包括沙帶、沙川、斷巖、溝槽及各種混合形成的地貌圖像。

水體圖像包括水中散體條紋、溫度躍層、尾流塊狀、水中氣泡等圖像。

聲圖像的相關特性和各自特征其依據是圖像形狀、色調、大小、陰影和相關體等。形狀是指各類圖形的外貌輪廓，色調是指襯度和圖像深淺的灰度。大小是指各類圖像在聲圖上的幾何形狀大小，陰影是指聲波被遮檔的區域，相關體是指伴隨某種圖像同時出現的不定形狀的圖像。

測試數據如圖5～圖7所示。

圖5 測量系統獲取到的地貌數據

圖6 測量系統獲取到的聲速數據

圖7 測量系統獲取到的噪聲數據

5 結語

本文中UUV測量系統采用模塊化設計，平臺子系統和載荷子系統設計為分倉模式，通過合理設計。有關航行及平臺安全系統集中設計在平臺子系統中。有關水文環境測量功能單元單獨設計艙段。各艙段配置為弱正浮力，通過設計為統一機械接口可完成組合或單一載荷單元作業模式，使測量系統具備功能可調節性。根據探測功能需求可進行快速更替載荷段，使測量系統具備多功能用途。

目前UUV平臺多采用螺旋槳作為推進裝置，可以通過改進UUV推進系統為泵噴系統，來降低推進系統噪聲，提升噪聲測量單元對水文環境噪聲測量能力。

[1] 劉振沖, 船載海洋水文環境測量系統研究與設計[D]. 江蘇科技大學, 2016.

[2] 陳奎英, 興海強國—加快海洋信息化建設步伐[J]. 海洋信息. 2004,（2）: 4-7.

[3] 陳強, 國外UUV系統在海洋調查中的應用, 艦船科學技術. 2012, (10): 133-136.

[4] 王蕾, 懸跨海底管道的側掃聲納檢測方法[J]. 石油機械. 2013, 41(5): 50-54.

[5] 于輝, 自主式水下機器人路徑規劃的研究, 華中科技大學. 2014, (10).

[6] 于大海, 弱通信條件下的多水下機器人任務分配方法研究[D]. 哈爾冰工程大學, 2013.

Design of a marine environment measurement system based on UUV

Zhang Longwei1，Li Zhongzheng2，Dong Huangwei1

(1. Hangzhou Ruili Marine equipment Co., Ltd., Hangzhou, 310023; 2. Unit 92859, Tianjing 300061, China)

TM612

A

1003-4862（2023）08-0038-04

2023-06-01

張龍偉(1988-)，男，工程師。主要從事電子電路、磁學及地球物理勘測方向技術研究。E-mail: 940600624@qq.com