走航式ADCP船载适装结构和工艺研究

2022-03-31顾睿峰

雷达与对抗 2022年1期

朱飞，顾睿峰

(中船重工鹏力(南京)大气海洋信息系统有限公司，南京 211153)

0 引言

走航式声学多普勒海流剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)可以在船舶航行过程中对其所经过航迹点的水下剖面海流流速、流向进行直接、高效、连续的观测，具有不扰动流场、测量历时短、测流范围大以及可充分利用航渡时间等优点。ADCP可灵活安装在远洋捕捞船、运输船、科考船、各类海洋观测浮标平台上使用，广泛应用于水下平台作业保障、海洋调查科学研究等各个领域[1]，为海洋动力、气候变化和海洋生物化学等海洋过程研究提供不可或缺的基础数据。

船载走航式ADCP测量技术比较成熟，但船载安装工艺缺陷或考虑不周会导致ADCP船载走航式应用中出现诸如浮游物刮擦和碰撞、船舶航行气泡干扰、水体生物附着[2]或侵蚀、安装位置和方向错误等一系列问题，从而导致设备测量精度、稳定性和量程降低，甚至是换能器失效或损毁。因此，科学合理的船载适装结构和工艺对于ADCP效能发挥至关重要。

1 ADCP及走航式应用

1.1 构成

ADCP一般由换能器、信号处理单元、计算机、连接电缆和应用软件等组成[3]，其中换能器安装在船底，信号处理单元和计算机安装于船舱内，换能器和信号处理单元之间用专用电缆连接。

测量矢量流的ADCP一般有多探头(单波束换能器)组合式换能器和阵列式换能器两类。本文主要针对第二类,重点阐述其换能器阵列的船载适装结构和工艺要领，对于安装要求不高或比较容易的信号处理单元和计算机不作赘述。

1.2 工作原理

通过测量各分层海水中颗粒物对声波的后向散射多普勒频移，进而根据多普勒频移方程计算出径向剖面流速：

fd=2fs(v/c)cosθ

(1)

式中，fd为多普勒频移；fs为发射声波的频率；v为海流相对速度；c为海水声速；θ为真实流向与声波束指向之间的夹角。

一般需要至少3个声波束测量得到的速度分量联立方程求解，才能获得水体深度剖面的真实流速和流向。

1.3 走航式ADCP

走航式ADCP指ADCP设备搭载于船舶等运动平台，随船舶的航行移动开展测量工作，得到的是与位置(经度、纬度和水深)、时间信息相关的流速、流向物理参数。

2 走航式ADCP探测影响因素分析

走航式ADCP海流观测是一个极为复杂的过程，其测量要素的准确性涉及许多因素，除了ADCP自身的因素，还包括换能器安装位置、安装方式以及校正措施(方法和仪器)等[4]。

2.1 安装位置影响

ADCP换能器一般安装在船舶底部，具体安装位置非常重要，选择不当会对设备正常工作带来极大影响，主要有：

(1) 换能器应当安装在船舶中前部靠近中轴线的位置，一方面可以保持最大的吃水深度，避免船舶颠簸、海浪冲击和船底突起物造成的气泡影响测量环境，另一方面也有利于降低加速度等传感器的校正算法难度，提高校正效果；

(2) 换能器应当远离螺旋桨，避免螺旋桨高速旋转空泡效应导致的气泡影响测量环境；

(3) 换能器安装位置周边应无突起物，保证每个波束周围有 15°的开阔角度，避免物体遮挡影响声波传播；

(4) 换能器安装位置应远离其他声学探测设备，尤其是与该ADCP工作频率或谐波频率相近的设备，避免设备之间相互干扰。

2.2 安装方式影响

阵列式ADCP属于精密贵重仪器，安装使用不当很容易造成失效或损坏。船载ADCP安装一般有直接安装(阵列表面与水体直接接触)和加透声板安装(阵列表面与水体通过透声板接触)两种方式，直接安装方式虽然有成本低的优点，但其缺陷也很明显，主要表现在以下几点：

(1) 从仪器安全性角度，换能器阵列表面容易被刮擦和撞击，一旦损伤就破坏了换能器与水体的声匹配，严重影响仪器探测性能，而且很难修复；

(2) 从仪器长效性角度，换能器阵列表面必然会出现生物附着现象，不但难于清理，而且在清理时易对阵列表面造成划痕等损伤，进而影响仪器探测性能；

(3) 从仪器维修性角度，阵列式ADCP不但电路复杂，而且阵元电路和换能器是一体化的，维修时必须整体拆卸，需要进坞或动用蛙人，难度很大。

由此可见，直接安装方式仅适合短时间短航程水文调查作业，长时间长航程业务化观测宜采用加透声板安装方式。

2.3 校正措施影响

ADCP对水流的测量是以仪器所处的相对静止和确定的角度为参照系，船载ADCP无法回避船舶航行固有的航速、航向、横倾(摇)、纵倾(摇)、上下颠簸等因素的严重影响，因此必须利用六轴加速度计和GPS、罗经仪等配合进行补偿[5]，才能获得真实准确的水流参数测量结果。为此，ADCP的安装需要统筹考虑校准仪器是否与ADCP处在同一或相近的参照系，否则会影响ADCP的测量精度。

3 船载ADCP安装结构和工艺

3.1 结构和工艺总体设计

船载ADCP优先选择增设透声板的安装结构形式，将换能器安装在可以平衡水压的密闭安装舱内，并根据不同工作频率选择相匹配的透声板，主要由安装舱、整流罩、水箱、透声板、安装井以及必要的密封组件构成，如图1所示。配合使用整流罩的透声板能有效解决因船只运动产生的气泡造成的流噪声对换能器的干扰，在间接提升信噪比的同时很好地平衡了增设透声板导致的作用距离变小的缺点，可以获得更好的数据质量和量程。

图1 船载ADCP安装结构剖视图

3.2 船体改造设计

安装井、整流罩与船体焊接成一体，透声板则通过金属固定环与安装舱法兰螺栓连接，水箱须设置高于船体吃水线的位置，并配有与安装舱相连接的进水管和排气管。

安装井口一般略大于安装舱外圆直径5 mm左右。安装舱装入后与安装井法兰螺栓连接实现船体密封，且两者之间的间隙须填满密封胶。因此，无论ADCP安装舱内部是否装有换能器，均须与船体紧密连接，并定期进行密封检查。

水箱的箱体高度一般须大于船舶最大吃水差，容积宜为安装舱容积的1.5倍，并在规定的水压下进行密性试验。

3.3 透声板设计

与其他声学探测仪器设备类似，ADCP的探测性能对于声噪声非常敏感。为了达到最好的性能，须减轻或者滤除流噪声，因此在ADCP换能器探头和水体之间增设透声板来隔绝流动的水，进而避免在换能器表面产生流噪声。

在安装设计时，应在透声板与换能器之间留有一定的距离(实验结果为6.4 mm～12.7 mm)，以规避波束反射[6]造成的交叉干扰，同时还须考虑在换能器安装舱内壁增设吸声材料，以降低声波信号反射造成的混响。

3.3.1 透声板厚度设计

大量的试验验证表明：基于聚碳酸酯材料的透声板在抗张强度、耐腐蚀以及在不同频率下声波吸收的稳定性方面都表现优异，但厚度对声波信号的衰减仍影响较大。

图2～6分别是0.25～3.0 in不同厚度透声板在不同工作频率下的单程衰减、双程衰减和量程损失仿真数据结果。可以看出，0.375 in厚度的透声板在不同工作频率ADCP上的应用都表现优异，其次为0.75 in厚度。

图2 30°波束角38 kHz-ADCP的声信号衰减

图3 30°波束角75 kHz-ADCP的声信号衰减

图4 30°波束角150 kHz-ADCP的声信号衰减

图5 20°波束角75 kHz-ADCP的声信号衰减

图6 20°波束角150 kHz-ADCP的声信号衰减

3.3.2 透声板的介入损耗仿真计算

通过建立数学模型对优选厚度的透声板在不同工作频率ADCP中的介入损耗进行了仿真计算，仿真结果也基本符合试验实测结果，如图7～图11所示。图中，Uniform Ave.IL指在X轴表示的频带范围内的整体平均介入损耗，Weighted Ave.IL指在ADCP频率带宽内的平均介入损耗，X轴为频率，Y轴为预期的介入损耗，线1表示ADCP在最大带宽下的主波束，线2表示该厚度的透声板在该频段范围内的预期损耗。

图7 不同厚度透声板(@0 ℃，38 kHz)在30°波束角介入损耗

图8 0.375 in厚度透声板(@0 ℃，75 kHz)不同波束角介入损耗

图9 0.75 in厚度透声板(@0 ℃，75 kHz)不同波束角介入损耗

图10 0.375 in厚度透声板(@0 ℃，150 kHz)不同波束角介入损耗

图11 0.75 in厚度透声板(@0 ℃，150 kHz)不同波束角介入损耗

3.4 安装舱设计

安装舱由圆柱舱体、水密盖板、水密管法兰以及必要的消音和密封组件构成，如图12所示。图中，圆柱腔体有两层环形板，底部环形板用于安装透声板，换能器则通过减震器安装在中部环形板上；舱体内壁须安装阻尼板并粘贴吸声材料；水密盖板、水密管法兰分别用于安装舱主体及换能器过线密封，二者对于船体密封至关重要，一般还须在过线处增设Roxtec密封组件。