半潜式海上钻井平台水下安防预警系统声兼容分析

王彦鹏 冯其瑞 王怀锋

（中海油安全技术服务有限公司，天津，300450）

海洋蕴藏了全球超过70%的油气资源，深海是油气资源的接替区，为解决我国油气资源供需缺口，海洋油气资源开发逐步向深海发展。我国研制的某半潜式深水钻井平台目前主要用于南海海域深水勘探、开发等作业。近几年以来，该平台在我南海西沙群岛附近的油气勘探，周边国家通过民船、伪装渔船的武装船只、海警，以及水下蛙人等各种手段[1]多次进行大规模骚扰。水下无人作战平台（如水下无人潜航器）、水下蛙人等水下装备和技术的快速发展，对海上钻井平台的安全造成了严重的威胁，因此深海海上钻井平台对水下安防预警系统具有迫切需求。目前对水下小目标的安防预警手段主要以反蛙人声呐为主，其信号监测主要基于声波传导的方式，半潜式钻井平台上不仅振动噪声源设备多、声功率大，而且设备频谱覆盖了低频、中频和高频[2]7-10，严重影响水下安防预警系统监测信号的接收[3]，因此研究海上钻井平台和水下安防预警系统的声兼容具有重要意义。

1 噪声源分析

半潜式海上钻井平台噪声源是多种多样的，且各种噪声源发声机理各不相同，主要噪声源可分为周围海洋环境噪声和自身噪声。

1.1 海洋环境噪声

该平台作业海区处于南海深海水域，因此海洋环境噪声属于深海噪声范畴。深海噪声在整个频带内是多重性的，噪声谱也是复杂的。目前海上平台对水下小目标的预警主要以反蛙人声呐为主，而反蛙人声呐一般采用高频主动声呐对蛙人进行探测，声呐工作频率一般在几十kHz到百kHz，声频段主要集中在深海平均环境噪声谱曲线[4]中的IV频带，这一频带的特征谱以5～6 dB/oct下降，在3级海况时，60 kHz的谱级噪声仅为32 dB左右。

1.2 自噪声

自噪声主要包括：相关声学设备的声信号，电气、机械等设备产生的噪声，风机、通风机、空调机等空气动力噪声，发电机、油气输送泵等结构噪声，以及推进器的螺旋桨噪声和螺旋桨的空化噪声。发电机位于平台下甲板，空气压缩机位于平台主甲板；各种泵主要位于平台主甲板、中甲板以及下甲板；风机主要位于平台上层建筑以及各甲板的舱室。各设备分散在各甲板、下浮体、立柱和上船体等各个位置[2]30-34，这些激励源的振动加速度主要频率范围在500 Hz～10 kHz，该频段内最大加速度幅值超过 100 dB（Ref=1 μg）。

平台的振源、噪声源分散在平台各个位置，发生干涉、反射和衍生等现象的可能性较小，干扰叠加影响也较小。平台自身钢结构、甲板与主体钢结构、机械设备与平台结构等之间的连接均是刚性连接，因此平台本身就是一个良好的声能量传播导体。螺旋桨空化噪声通常主要集中在100 Hz～10 kHz，螺旋桨噪声在100 Hz以下，处于低频段。该平台现有的主要水下声学设备如表1所示。

表1 现有的主要声学设备

从表1可以看出，平台现有的水下声学设备主要有定位、信标、测深等设备，种类较多，且其工作频段丰富。测深仪主要用于航行，水声定位系统用于作业等定位情况，设备在使用过程中的布放深度均在距船底5 m的范围内。此外，平台还配备有一些海洋信息采集设备，如风速仪、雷达系统、动力定位系统等。

2 平台声环境测量

某半潜式深水钻井平台声环境测量系统如图 1所示，水听器通过电缆连接至数据汇集器，数据汇集器将水听器信号通过传输线缆传送至滤波放大器进行滤波放大，对输出信号进行采集、记录和分析。根据水下噪声声压谱（密度）级计算公式[5]：

式中，Lps为水下噪声声压谱（密度）级，基准值为1 μPa/√Hz，Lpf为测得的中心频率为f的频带声压级，△f为相对1 Hz带宽。

式中，i为频带，Ui为接收噪声信号电压有效值，U0为基准电压1 V，Mi为水听器灵敏度级，基准值为1 V/μPa，Gi为接收系统放大倍数。因此通过测得接收噪声信号电压有效值Ui即可计算出水下噪声声压谱级。测量系统采样率设为250 kHz，水听器频段响应范围20 Hz～200 kHz，在测量带宽内系统噪声谱级低于45 dB。

图1 声环境测量系统

对某半潜式深水钻井平台的声环境测量位置如图2所示，根据现场调研和作业情况，选取四个测量布放点分别为 A-艏部、B-左舷、C-右舷和 D-艉部。

图2 平台声环境测量位置仰视图

在三级海况，平台弃井作业状态下，经不同时段多次测量发现各测点噪声谱级差异不大，不同入水深度测得噪声对比如图3所示。左舷水下10 m受平台工况和声学设备影响最小，分析原因为该平台作业吃水深度为19 m，在入水10 m和20 m处测量时两侧浮体起声障作用。

图3 左舷（B点）位置不同入水深度测得噪声对比

从图4对比可以看出，该作业状态下，四个测量点左舷噪声最低，艉部其次，右舷噪声最高。右舷噪声高的原因经分析认为是该区域机械或声学设备噪声较高，影响较大。同理，如图5和图6所示，在三级海况，平台钻井作业状态下，同样测得左舷水下10 m受平台工况和声学设备影响最小。

平台钻井和弃井两次不同工况下测得左舷入水10 m对比曲线如图7所示。可以看出左舷在弃井状态下除64.7 kHz和相关线谱明显较低外，其余频段噪声谱级无明显差异，并且在两种工况下30～64 kHz和75～125 kHz两个频段较为平坦，干扰谱线较少。

图4 同一入水深度不同位置测量点噪声对比

图5 左舷（B点）位置不同入水深度测得噪声对比

图6 同一入水深度不同位置测量点噪声对比（10 m）

图7 左舷（B点）入水10 m声环境测量对比

为进一步验证平台左舷入水10 m处测量点具有较好的声环境，通过不同时间段进行多次测量，对55 kHz频点进行分析，如图8所示。可以看出，该频点处噪声谱级变化较小，表明平台左舷入水10 m处声环境较为稳定。

图8 不同时间段测得55 kHz处噪声谱级

3 水下安防预警系统声兼容

基于上述声环境测量数据，进行声呐探测性能理论仿真，为优化水下安防预警系统的接收信噪比和探测性能提供理论依据。由于水下安防预警系统主体为反蛙人声呐，是一种收发分置型主动声呐，主动声呐方程为[5]：

式中，SL为声源级，TL为传播损失，TS为目标强度，NL为噪声级，DI为接收指向性指数，DT为检测阈。以带推进器蛙人目标强度TS=-20 dB、噪声级NL=60 dB进行理论仿真，在单程损失为77 dB的条件下，为获取系统最大探测距离，对中心频率30、55、70以及100 kHz进行仿真，如图9所示。

图9 水下安防预警系统探测频段性能仿真

该平台的定位声呐、海底信标工作频率均为30 kHz，可通过模拟及数字滤波技术，对频带外噪声及强干扰信号进行有效衰减；海底信标工作频段为12 kHz，远离水下安防预警系统的工作频段，对系统工作无影响；测深仪的工作频段覆盖范围比较宽，避开在右舷附近安装或通过水下安防预警系统分时工作的方式，避免对其产生干扰。由于声呐工作频率越高，水下声信号吸收衰减越大，限制了声呐的探测距离，根据图7曲线分析，结合平台的声学设备声频段和探测仿真结果，为了有较远的目标探测距离，水下安防预警系统的优选频段为 30～64 kHz。

4 结论

本文首次对半潜式深水钻井平台进行了噪声源分析和声环境测量，论证了水下安防预警系统与某半潜式深水钻井平台及其所处海洋环境的声兼容性，得出了水下安防预警系统较优的安装位置和适合的工作频率，为半潜式海上钻井平台水下安防预警系统声呐设计提供了理论依据和数据支撑。但由于钻井平台自身结构特点，单一台反蛙人声呐无法满足全方位水下小目标的监测，因此在多台设备组合下的声兼容需要进一步研究。