贾立双，李家军，冯志涛，张选明

（国家海洋技术中心 天津 300112）

我国海洋国土广大，海洋环境多样，所面临的生态环境保护、海洋防灾减灾、海上交通安全保障、维护海洋权益等任务十分艰巨。目前，我国海洋环境监测技术装备发展水平与发达国家相比有较大差距，技术和设备落后的发展水平与沿海地区迅速发展的经济和日益严重的海洋环境污染状况极不相应，大大制约了海洋经济的发展。为加大海洋强国建设的步伐，提升国家海洋环境监测技术的实力，增强海洋防灾减灾能力，迫切要求我们尽快研制新型的高技术的海洋环境监测设备。

国家“十二五”海洋科学和技术发展规划纲要中明确提出了 “海洋环境监测探测技术装备国产化水平显著提高，初步形成深远海环境监测能力”的发展目标。要实现从浅海向深海的战略转移，需要发展适应深远海探测需要的先进技术与装备。深海声学应答释放器（以下简称声学释放器）是在海洋救助打捞，海洋工程，水下作业中大量使用的设备之一。发展高效可靠的声学释放器，可有效提高深远海监测探测能力，促进海洋环境监测探测技术装备国产化。

1 国外深海声学应答释放器综述

目前国外声学释放器技术发展比较完善，研制了多种型号的声学释放器产品，并逐步向多功能多特性方面发展，比较著名的生产厂商包括美国Benthos公司、法国IXSEA公司、英国Sonardyne公司等。这些公司生产的声学释放器的主要技术特征为：1）声信号工作频率均处于7～15 kHz之间；2）最大水下待机时间一般为2年（IXSEA公司的产品使用锂电池待机时间可达9年）；3）最大水下释放载荷为2～5吨；4）作用距离斜距在 5～10 km（海况条件良好情况下）；5）大多以不锈钢或高强度碳钢为壳体材料；6）水面甲板单元大都具备遥测距离功能及回馈释放是否执行功能；此外有些声学释放器还配备了压力传感器，水面甲板单元可发送命令获取释放器所处深度信息；7）在释放执行机构方面，主要采用高扭矩电机驱动锁紧销上下伸缩或回旋旋转方式释放，也有部分采用气动分离方式（日本NGK公司的产品主要是气动分离）和熔断丝分离方式释放；8）水声换能器方面，通常采用溢流式结构，使陶瓷管内外压力平衡，避免因工作环境高压力（通常几千到上万米）损坏水声换能器；9）电路方面，国外声学释放器普遍采用微功耗值班电路和大功率电路二级供电体制，电路分为电源管理电路、值班解码电路、应答发射电路、释放控制电路等电路。电源管理电路负责各电路上、断电，低功耗值班解码电路长期工作，其他电路则根据水面甲板单元指令完成相应工作，工作完成后系统再次循环进人低功耗值班状态；10）实际使用方面，声学释放器通常采用双机并联结构使用，这样可提高声学释放器释放执行机构在深海工作的可靠性，此外，几乎所有水下释放器还附有牺牲阳极保护装置。

2 深海声学应答释放器设计

“十一五”期间，在国家高技术研究发展计划（863计划）的支持下，国家海洋技术中心开展了声学释放器的研究工作，成功研制了工程样机并完成了海上通信实验。

2.1 结构设计

声学释放器主要由水声换能器、密封壳体、控制电路、电机、释放驱动机构、电池组等组成（见图1）。水声换能器是进行声学信号和电信号相互转换的部件，为保证满足6000米耐压要求，一般采用溢流式结构设计，内部充入蓖麻油。密封壳体为其他部件提供耐压保护，设计上要求能够承受大深度水静压力，且要达到重量轻、体积小、耐海水腐蚀等目标。控制电路是整个声学释放器的核心，负责指令合成判读、信息交互等智能工作。电机及释放驱动机构具体执行释放动作，采用高减速比结构设计并完成扭矩传递。电池组负责为整个装置提供能量，设计上选用容量高、体积重量小的锂电池，考虑声学释放器工作环境温度对电池容量的影响，电池容量设计有30%以上的余量。

图1 释放器结构图Fig.1 Acoustic releaser structure

2.2 电路设计

声学释放器电路主要由控制单元、A/D转换电路、频率发生电路、信号接收滤波电路、信号发射功放电路、电机驱动电路等组成。控制单元采用c8051单片机作为控制核心，该单片机具有丰富的片上资源，自带12位A/D转换器，待机功耗极低。频率发生电路采用直接数字频率合成技术，该技术具有频率合成速度快、精度高、稳定性好的特点。信号接收滤波电路采用两路固定频率滤波方式工作。信号发射功放电路使用两个N沟道mos管组成互补型共源极推挽功率放大电路，实现千伏、百瓦级功率输出。电机驱动采用H型全桥式电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限驱动。实际工作中一般选用大功率达林顿管或场效应管作为开关管。

2.3 程序设计

声学释放器程序要完成编码、解码、释放、应答等一系列工作。本声学释放器的程序采用C语言编写，应用Keil C51编译环境开发。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。使用Keil C51编译后生成的汇编代码高效、紧凑、易于理解。图2为控制程序流程图。

图2 释放器控制程序流程图Fig.2 Acoustic releaser control program process diagram

3 可靠性分析与设计

由于声学释放器所处环境的特殊性以及在技术上的特殊要求，使其可靠性的要求比地面系统及仪器更为严格，为保证声学释放器的性能，应对其可靠性进行深入分析计算并采取相应措施。深海声学应答释放器的可靠度主要包括电子部分、结构部分和声学指令传输部分。

3.1 电子部分

本课题的电子电路采用模块化设计，使用故障率很低的集成电路和军工级器件，有效地降低了整个电路的故障率。根据挨勒斯（Elares）表中各种元器件的失效率，可计算得水下释放器电路的总故障率λ约为3.352 3×10-6，电路可靠度R1=e-λT=0.943（T为工作时间2年=17 520小时）。

3.2 结构部分

水下释放器机械结构的失效主要包括壳体受拉力及压力引起的强度失效、壳体密封失效、电机失效、传递机构失效、释放机构失效等。预分配机械部分的可靠度R2为0.92，其中，在强度设计中取安全系数n=1.5时，则机械强度可靠度为0.997 2；根据经验，壳体密封和电机的可靠度均可达0.99以上；则预分配给传递机构和释放机构的可靠度为0.941 0。该部件的可靠性通过对传递机构进行简化设计和标准化设计，对释放机构进行疲劳设计和耐环境设计，同时加强可靠性实验来保证。

3.3 声学指令传输部分

设计接收信号的检测阈值为26 dB，则单个脉冲信号的检测概率 P（D）为 0.995，虚警概率 P（FA）为 0.01。 单组编码包括 10 个脉冲，其检测概率为：P′（D）=[P（D）]10=0.995 10≈0.95。编码由两个通道组成，则虚警误动作概率为（p（FA）*2）10/28=4×10－20。设释放器在位工作时间内，出现误动作的概率为P′（FA）， 则：1－P′（FA）=（1－4×10－20）t′/t， 其中 t为单组编码用时，t′为释放器在位时间。因为（4×10－20）＜＜1，二项式展开后，可认为：P′（FA）≈t′/t×4×10－20，按设计 t=1.536 s，t′=2 年=63 072 000 s，则在 2 年内虚警引起的误动作概率为 P′（FA）=1.642 5×10－12。因此，声学应答释放器单机可靠度预计：R=R1*R2=0.943*0.92*（1－1.642 5×10－12）=0.867 6。 若采用双机并联，其可靠度为：R双=（2－R）*R=（2－0.867 6）*0.867 6=0.982 5。

3.4 可靠性设计

由于声学释放器长期在海洋底部较低温度环境工作，将承受高水静压力作用及海水的腐蚀。因此系统设计时应采取相应的措施，提高系统的安全性和可靠性：1）设计和制作电子电路时注意元器件的选用及减额使用问题；2）机械设计方面按照概率工程设计的要求，使设计的零件在满足可靠度的前提下，达到安全可靠、价格低、重量轻、体积小；3）总体设计及封装方面应用环境防护技术，采取热设计、冲击和振动的防护设计、化学防护设计、电磁兼容设计等防范措施。

4 海上试验

4.1 试验设计

为检验研制的声学释放器工程样机的通信性能，2012年3月份，科研人员在青岛崂山海域对其进行海上通信实验。实验使用GPS定位仪校验距离，同时使用一台Oceano－2500进口声学释放器作为比测设备，声学释放器与甲板单元分别置于两艘渔船上，按不同距离进行通信测距及释放实验。

4.2 实验结果与分析

表1为实验结果记录表。分析表1测试结果可以发现，国产释放器与进口释放器距离测值相比较，大致相同，且试验中多次测值均比较稳定无明显变化。在实验中发现，测试距离在8 000～10 000 m时，国产释放器与进口释放器测距、释放均稳定可靠；11 000 m以远国产释放器与进口释放器整体通信效果较差。

从表1中还可以发现声学释放器距离测量值与GPS显示值存在一定差距，分析其原因为：1）GPS进行定位时两船还存在相对移动；2）声学释放器进行计算时采用的声速值与实际声速存在差异。

表1 距离测量与释放试验结果Tab.1 Result of distance measurement and release experiment

5 结束语

声学释放器是海洋环境监测、海洋开发和海洋资源调查、海洋工程建设等多个领域中不可或缺的主要设备之一。同时，声学释放器在海洋军事监测中也大量应用，未来海上试验场区水下监测工作站的建设和水下通讯网络的建设也离不开性能优越的声学应答释放器。此外，目前国内使用的声学释放器几乎全部依赖进口，每年需耗费大量的外汇。因此，研制具有自主知识产权的深海高可靠声学应答释放器刻不容缓，势在必行。

本文介绍的声学释放器工程样机浅海通信性能与进口释放器基本相当，还需进一步进行深海长时间的通信待机实验，以便完善其性能，验证可靠性，早日实现声学释放器国产化。

[1]张学坪.QSF3－1型声学应答释放器的可靠性分析[J].海洋

技术，1993，12（4）:4－15.ZHANG Xue-ping.Raliability analysis of QSF3－1 model acoustic responder releaser[J].Ocean Technology，1993，12（4）:4－15.

[2]陈雄洲，聂晓敏，陈霞，等.深海释放器的技术发展展望[C].2008海洋前沿技术论坛论文集，广州，2008.

[3]聂祥羿，王自强，高自升．应用DDS芯片AD9835开发的一种高精度频率信号发生器[J]．电子技术应用，2001（6）:62－64.NIE Xiang-yi， WNAG Zi-qiang，GAO Zi-shen.A high precision frequency signal generator based on the application of AD9835 DDSchip[J].Application of Electronic Technique，2001（6）:62－64.

[4]潘啄金，孙德龙，夏秀峰.C8051F单片机应用解析[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002

[5]模拟器件公司器件手册[R].CMOSDDSModulator.AD7008.

[6]吴永亭，周兴华，杨龙.水下声学定位系统及其应用[J].海洋测绘，2003，23（4）:18－21.WU Yong-ting，ZHOU Xing-hua，YANG Long.Underwater acoustic positioning system and its application[J].Hydrographic Surveying and Charting，2003，23（4）:18－21.