海洋论坛▏海底观测网非接触式水下接驳系统的设计与实现
海洋占据地球表面超过70％，其中不仅蕴含丰富的生物资源和矿产资源，而且海洋对生态环境和气候变化具有重大影响。21世纪是海洋的世纪，海洋是人类社会可持续发展的基石，而开发、利用海洋的前提是要先认识、了解海洋本身．随着海洋科学与技术的进步发展，海底观测网由于其长期、实时和连续观测等优点而得到世界的关注与应用，而水下运载器由于其动态、大范围观测等特点也吸引了各国研究人员的目光。然而，无论单独使用海底观测网还是水下运载器对海洋进行观测都存在各自固有的缺陷。例如：海底观测网由于其布放地点固定，因而只能对某一特定区域进行静态观测；水下运载器因为其携带能源有限或受其母船限制，所以其续航能力普遍不强、监测数据容量有限．为扬长避短，充分利用上述观测平台各自的优势，一种融合海底观测网与水下运载器，尤其是自主水下航行器（AUV）的技术应运而生，该技术即为基于海底观测网的水下接驳技术。
水下接驳技术自上世纪90年代出现以来随即引得诸多高校、研究所、企业的关注与研究实践。然而，水下接驳技术是一项综合性较强、复杂度较高的技术，包括接驳站的建立与连接、水下信号与电能传输、自主水下航行器导航回坞等核心技术，主要用于解决自主水下航行器在无水面船舶辅助回收等人员参与的情形下自动完成水下信号与电能传输并安全停靠的问题。而根据水下信号与电能传输方式的差异，水下接驳技术可分为接触式水下接驳技术和非接触式水下接驳技术。2种接驳技术的区别主要在于前者采用接触式的方法如水下湿插拔的方式完成水下信号与电能传输，而后者则采用非接触式方法如电磁耦合的方式实现对应的功能。
相比于湿插拔技术，非接触式传输技术具有结构简单、运行可靠、不受腐蚀且成本低的特点，特别适用于长期置于水下运行，本文采用非接触式水下接驳技术实现了海底观测网水下接驳系统。针对水下非接触式接驳系统的实际需求，结合水下实际应用环境，本文实现了接驳系统的设计，研究了接驳系统的关键结构设计，分析并设计了水下非接触信号传输和水下非接触电能传输，开发了中央控制系统，且基于分析研究结果实现了该系统并对系统相关功能进行了试验测试。
一、系统总体方案
图1 海底观测网非接触接驳系统总体方案图
海底观测网非接触式接驳系统的总体方案如图1所示。系统主要由海底观测网、水下接驳站和自主水下航行器构成，水下接驳站通过标准12芯水密缆、光电转接腔和光电复合缆连接至海底观测网，以此获得海底观测网提供的375V直流供电和以太网通信接口；完成入坞任务后的自主水下航行器则通过非接触信号和电能传输的方式与水下接驳站形成电气连接，以此获得能源补给和实现实时通信通路。
作为整个系统的主体部分，水下接驳站主要实现电能转换及传输、信息交互、回坞导引、入坞监控、环境监测等功能．电源管理板将375V直流电转换成水下接驳站内相关设备所需的直流电压，为水下接驳站内所有设备提供电力支持；嵌入式PC作为水下接驳站的控制核心，外接电源管理板、高压继电器、电子罗盘、超短基线（USBL）、交换机、无线通信服务器、声学多普勒流速剖面仪（ADCP）、水下灯等部件，基本监测对象包括设备供电情况、腔体温度、电能传输状况、信号传输速率、海水流速和流向、自主水下航行器回坞状况等，基本控制对象包括设备供电与电能传输通断、水下灯开关与亮度调节、水声通信、对自主水下航行器的导引等；非接触信号传输天线、水下接驳站与自主水下航行器两侧的无线通信模块，构成非接触信号传输链路，实现水下接驳站与自主水下航行器两侧的非接触信号传输；逆变电路将直流电转换为交流电，并通过非接触电能传输线圈将电能传输至自主水下航行器端，自主水下航行器内部的整流板将交流电转换为直流电，通过充电电路完成对动力电池的充电，从而完成从水下接驳站到自主水下航行器的非接触电能传输。
二、系统设计
⒈系统结构设计
⑴导引结构设计
接驳系统导引结构直接关系到自主水下航行器所需的导引精度、接驳过程的难易程度，目前较为常见的导引结构有十字型导引结构、杆－夹型导引结构、飞机降落型导引结构和喇叭口型导引结构。考虑对自主水下航行器改动程度小、导引精度要求低、实用性强等因素，本文选择喇叭口型导引结构方案．该结构方案需要在水下接驳站的前端安装喇叭状导引口，在回坞过程中，只要能够进入喇叭口的导引范围，自主水下航行器便能够顺利完成接驳任务．喇叭口导引结构的设计主要需要考虑喇叭口的开口形状、喇叭口的开口角度、导引辐条的材质、喇叭口的入口直径等因素，有关文献中对喇叭状导引结构的设计及该结构自主水下航行器的入坞要求进行了详细的分析论述，最终采用的接驳系统喇叭状导引结构如图2所示。该喇叭口的入口直径为1.2m，开口角为76°，且导引辐条采用聚碳酸酯工程塑料。
图2 接驳系统喇叭状导引结构
⑵耐压腔体设计
海底观测网水下接驳站要求能工作于2000m深度的深海海底，需要将接驳站的电气设备封装于密封腔体内，并要求腔体能够抵抗2000m深度的高水压。由于钛合金具有抗腐蚀能力强、强度高等优点，根据使用要求，选用TC4（Ti-6AL-4V）作为接驳站的耐压密封材料。根据仪器设备的空间需求，确定耐压腔体内径为322m，长度为490mm。根据压力容器设计准则，耐压腔体的壁厚需满足：
式中：S为腔体壁厚；Pmax为最大工作压力；Di为腔体内径；φ为焊缝系数，本文取0.8；［σ］为最大许用应力；C为壁厚附加量。上述设计耐压腔体属于短圆筒，根据式⑴得到名义壁厚以后，还需进行稳定性校核：
式中：［P］为许用压力；Pcr为临界压力；m为安全系数；D为圆筒中径；L为腔体长度；S0为腔体的计算壁厚；E为弹性模量．经计算并校核后，取耐压腔体的厚度为14mm。
耐压腔体端盖厚度的计算公式为：
式中：Dc为计算直径；K为结构特征系数；P为设计压力；[σ]t为设计温度下材料的许用应力。考虑到端盖开孔需补强附加量，其厚度增加10％，最终取其厚度为30mm。
⒉非接触信号传输设计
自主水下航行器进入接驳站后，需要使用非接触信号传输系统实现自主水下航行器与接驳站之间的通信，将自主水下航行器监测到的数据传输到接驳站，进而通过海底观测网传回岸基站；同时，岸基操作人员可以通过非接触信号传输系统远程修改自主水下航行器的程序、设定新的作业任务。相比于水下声通信、光通信和电磁耦合通信等方式，水下高频电磁波通信技术具有通信速率高、易实现全双工通信和易组网等特点，因此本文采用高频电磁波通信技术实现水下近距离高速的非接触信号传输。
⑴信号传播衰减分析
天线发射的电磁波信号在传输过程中存在自由空间损耗和介质损耗，从而造成信号传播衰减。其中，自由空间损耗指信号发散产生的损耗，即接收天线只接收特定方向的信号，其他方向的电磁波信号相当于损耗掉，是电磁波在空气传播过程中的主要损耗；介质损耗是由于介质吸收电磁波造成的损耗。水介质具有高介电常数和高电导率，假设水是一种各向同性的均匀导电媒介，取基本参数如下：水介电常数ε＝717pF/m，水电导率σ＝4S/m，水磁导率μ＝0.4πμH/m。假定在水中传播的电磁波频率为1.0GHz，则损耗角正切为σ/ωε＝887.9≥1，因此水介质为良导体，则电磁波传播过程中的介质损耗较大且为：
LB＝20lgead ⑷
式中：d为水中发射端与接收端两天线之间的距离；α为水中的衰减常数，与电磁波角频率ω、水介电常数ε、水电导率σ、相对磁导率μ有关，其计算公式：
而传播过程中的空间损耗为：
式中：vp为电磁波在水中的传播速度；f为电磁波的频率．选取不同频率，可得电磁波信号在水传播过程中的衰减情况如图3所示。可见，在水中传播的信号随距离变化呈近似线性情况衰减，且信号频率越高衰减越大。
图3 不同频率电磁波在水中传播的衰减情况
⑵设备选型及封装
电磁波信号在传播过程中的功率平衡方程为：
PT－SR＝LM＋LB＋LS＋LF－GT－GR ⑹
式中：PT为发射端的发射功率；SR为接收端的接收灵敏度；LM为系统链路余量；LF为天线与馈线间的馈线损耗；GT和GR分别为发射端和接收端的天线增益；LB和LS为式⑷和⑸讨论的信号传播过程中的损耗。在利用WiFi的高频电磁波无线通信中，一般该系统的链路余量LM≥10dB。WiFi规范的工作频段有2.4和5GHz，考虑到频率越高衰减越大，本文选用2.4 GHz的无线设备实现全双工通信，具体型号为TP-LINK TL-WR740N。
图4 入坞后AUV与接驳站的相对位置
该设备的发射功率PT为17dBm，接收灵敏度为-85dBm；选用3dBi的小型全向型螺旋天线，并采用50Ω的水密同轴电缆作为馈线连接天线与无线设备，总馈线损耗LF约为1dBm。完成入坞后自主水下航行器与水下接驳站的相对位置如图4所示。发射端与接收端的天线距离为15cm。结合上节的讨论及公式⑹，此时系统链路余量为49.98dB，满足WiFi无线传输需求。
由于金属腔体的屏蔽作用，非接触信号传输系统的天线不能置于耐压金属腔体内部，需单独进行防水耐压封装。玻璃钢具有强度高（拉伸强度可达300MPa，压缩强度可达130MPa）、质量轻、电绝缘性好的特点，且可以透过电磁波，因此本文选择玻璃钢对天线进行密封。密封的天线通过水密同轴电缆连接至主电路腔体内部，与无线设备形成电气连接，封装后的天线如图5所示。
图5 防水密封的天线
⒊非接触电能传输设计
AUV在能量不充足情况下回坞进入水下接驳站以获取能量补给是水下接驳系统的一项重要功能，本文采用非接触电能传输方式将电能从水下接驳站侧传输至AUV。非接触电能传输方式主要有声学传输、电容传输、光传输、电磁耦合传输和电磁谐振传输，尽管电磁耦合传输方式不能实现远距离的非接触电能传输，但该传输方式是目前非接触式电能传输能力最强的方式，可满足千瓦级别的无线电能传输，且该技术目前最为成熟，因此本文采用电磁耦合传输方式实现水下接驳系统的非接触电能传输。尽管在水环境中，非接触电能传输存在涡流损耗问题，但文献中研究结果显示在小间隙情况下的非接触电能传输中，系统其它损耗如电路损耗、线圈铜损、磁芯损耗均比涡流损耗严重。AUV入坞后，非接触电能传输初次级线圈位置如图4所示，满足小间隙的假设条件。因此，在非接触电能传输设计中，本文暂时忽略水环境影响，着重考虑非接触电能传输电路拓扑和耦合线圈的设计问题。
⑴电路拓扑的设计
水下接驳系统采用海底观测网的次级接驳盒标准375VDC接口作为电源输入，而AUV端的仪器设备均采用直流供电，因此基于电磁耦合方式的非接触电能传输需经过逆变、电磁耦合和整流滤波等过程。而电磁耦合电能传输系统具有较大漏感，其功率因数较低，为提高传输能力，常采用电容进行补偿。感应耦合系统的拓扑结构按照在初级或次级使用电容的连接方式不同，主要可分为单侧谐振补偿和双侧谐振补偿。有关文献中对该拓扑结构进行了分析研究，由于次级串联补偿电路拓扑结构具有在较大负载范围内可稳压输出、单侧补偿实现简单、不同谐振频率下输出功率稳定、频率变化影响小等优点，本文选择该电路拓扑实现非接触电能传输。
该次级串联补偿拓扑对应的电路结构如图6所示。为了简化水下电磁耦合电能传输系统，此处把直流降压模块和AUV充电电路等效成电阻R。其中：Ug为直流电压源，即次级接驳盒输入的375VDC；Q1～Q4为4个IGBT开关管；C1～C4为IGBT的并联电容；LP为初级线圈自感；LS为次级线圈自感；CS为次级串联补偿电容；D1～D4为整流二极管；C为输出滤波电容；松耦合器为定制的初级与次级胶封空心线圈。
图６ 非接触电能传输的电路结构
⑵耦合线圈的设计
耦合线圈的设计主要包括线材的选取、线圈尺寸的确定、线圈匝数的计算和线圈封装等。电磁耦合电能传输系统中，线圈中通过高频交流电，由于集肤效应和邻近效应，线圈中会产生交流电阻，进而增加线圈铜损。为减小线圈铜损，本文设计的线圈采用直径为１．５ｍｍ的利兹线绕制而成．考虑AUV接驳入坞的方式和线圈的对准问题，本文采用无磁芯的圆筒形空心线圈作为非接触电能传输的松耦合器。AUV入坞后，初级和次级空心线圈的相对位置如图4所示，基于接驳系统的结构和尺寸，初级和次级空心线圈的内径分别选定为300和282mm。根据课题组之前的设计经验，本文将次级线圈的电感选为610μH。而线圈的直径、匝数和电感等满足如下经验公式：
L＝KLμ0μsN2cSc/lc ⑺
式中：L为线圈电感；μ0为真空磁导率；μs为相对磁导率；Nc为线圈匝数；Sc为线圈截面积；lc为线圈轴向长度；KL为取决于线圈半径和长度的系数。根据公式⑺，可计算得到次级线圈的匝数为39.6，最终圆整定为40。考虑到本文中两线圈的耦合系数小，将初级线圈的匝数选定为50。最终在非接触电能传输系统的50KHz工作频率下测得的初级和次级空心线圈的基本参数如表1所示。
表1 空心线圈耦合器的基本参数
线圈的防水、耐压密封是进行耦合线圈设计的关键，而线圈密封的难点在于在有限的空间中，不影响线圈传输性能的前提下，实现深水耐压密封。由于金属在交变磁场中会产生涡流，影响电能传输，所以耐压腔体密封的可能性被排除。本文采用内外压平衡的方式进行密封，并选择环氧树脂进行胶封。最终，线圈采用工程塑料而非金属材料制作线圈基座来减小损耗，并控制初次级线圈间的间距尽量减小电磁波在海水中的衰减，而且使用树脂胶封的而非耐压腔体的方式实现线圈防水耐压密封，完成防水耐压密封的初级和次级线圈如图7所示。
图7 防水密封的线圈
⒋中央控制系统设计
本文的海底观测网非接触式水下接驳系统采用嵌入式PC作为中央控制系统的核心处理单元，作为水下接驳站的控制核心。基于WinCC组态软件设计的上位机软件系统，通过OPC Server与下位机嵌入式PC进行通信配合，从而实现设备控制、状态监测、数据处理和报警处理功能，如图8所示。
图8 上位机功能模块图
图8中：设备控制，主要用来对导航灯、摄像灯、摄像机、ADCP和非接触充电系统进行相应的操作控制，对导航灯的控制主要用于配合自主水下航行器的末端视觉导引，通过对摄像灯开关控制和亮度调节以及对摄像机焦距的在线调节可进行水下视觉监测，对ADCP的操作配置可实现对不同深度水层的流速和流向的测量，对非接触充电系统的控制可实现对非接触充电的开关操作；状态监测，主要用于监测喇叭口的姿态信息，接驳站附近的流速流向信息，腔体内部温度、湿度、漏水等信息，非接触充电的充电电压、充电电流、电能传输效率、电池容量等信息，非接触信号传输速率信息；数据处理，用于以图表的形式归档显示状态监测得到的数据，并将数据序列打包存储于本地；报警处理，用于对腔体漏水、温度过高、对接失败、充电异常等状况进行报警提醒与紧急处理。
三、试验验证
基于前述各子系统的设计，实现了海底观测网非接触式水下接驳系统。为了保证系统的可靠性、有效性及兼容性，在进行海试之前，在陆上搭建试验系统，对系统的各子功能模块进行了验证试验，试验包括腔体耐压测试、非接触信号传输测试、非接触电能传输测试、中央控制系统测试。其中，腔体耐压测试在实验室的大高压舱进行；而非接触信号传输、非接触电能传输和中央控制系统的测试则在对河口水库试验站通过湖水测试完成。
⒈腔体耐压测试
水下接驳站的设计工作水深为2000m，耐压腔体能够抗高压、不漏水且稳定可靠工作是系统能够正常工作的前提条件。取安全系数为1.25，对耐压腔体进行25MPa的耐压试验．测试过程包括压力冲击测试和保压测试。压力冲击测试为将待测的压力部件放置到高压舱内部，开启加压器械，使高压舱内部压力从0缓慢上升至25MPa，然后再缓慢降低高压舱水压至0，重复上述过程3次，以此来模拟仪器设备在布放与回收过程中受到的压力冲击状况。
耐压测试为将待测压力部件放置到高压舱内部，加压到25MPa并进行24h保压，以此模拟仪器设备长时间放置于深海环境的工作状况。图9（ａ）为进行腔体耐压测试现场场景，图9（ｂ）为进行腔体保压测试过程中压力表显示的压力值。腔体耐压测试结果显示壳体无任何损伤且壳内无漏水情况，表明腔体满足设计要求，能工作于2000m深度。
图9 腔体耐压测试
⒉湖水测试场景
项目组于2016年在对河口水库试验站进行了非接触式水下接驳系统的湖水测试，包括对非接触信号传输、非接触电能传输和中央控制系统的联合试验，试验场景如图10所示。此时水下接驳系统的喇叭口中心与水面相距1m。后续几节所述的非接触信号传输、非接触电能传输和中央控制系统的测试结果均为水下接驳系统浸没于湖水中即如图10所示场景下测试所得。
图10 湖水测试现场
监测基于FTP协议下载与上传此ZIP压缩文件的非接触传输速率情况。其中，存在下载速率略高于上传速率的主要原因在于Wireshark软件记录的网络传输速率不仅与网络状况有关，还与网络中的作为服务器或客户端的设备性能如存储器件的读写能力有关，因此上传与下载速率有所差异。尽管存在该差异，测试结果仍表明该非接触信号传输系统能够进行稳定、可靠且高速率的信号传输，即使传输大文件也未出现掉线和传输中断情况。
⒊非接触信号传输测试
非接触信号传输是AUV进入接驳站后接驳站与AUV之间所需完成的主要任务。在主控模块和岸基控制与显示终端分别建立FTP服务器和FTP客户端，利用FTP协议进行文件传输以测量非接触信号传输系统的传输速率。其中，本文定义从客户端传输文件至服务器为文件上传，反之则为文件下载。图11所示为岸基控制与显示终端上的FTP客户端软件FileZilla上传268.89MB ZIP压缩文件所示的传输界面，此时的传输速率为2.0MB/s。图12所示为2017年1月18日网络封包分析软件Wireshark监测基于FTP协议下载与上传此ZIP压缩文件的非接触传输速率情况．其中，存在下载速率略高于上传速率的主要原因在于Wireshark软件记录的网络传输速率不仅与网络状况有关，还与网络中的作为服务器或客户端的设备性能如存储器件的读写能力有关，因此上传与下载速率有所差异．尽管存在该差异，测试结果仍表明该非接触信号传输系统能够进行稳定、可靠且高速率的信号传输，即使传输大文件也未出现掉线和传输中断情况。
图11 基于FTP协议的非接触信号传输
图12 Wireshark软件监测的非接触信号传输速率
⒋非接触电能传输测试
大功率高效率的水下非接触电能传输是水下接驳系统需要实现的核心功能，是对AUV 进行能源补给的前提。在此次非接触电能传输测试中，利用开关电源模拟海底观测网的次级接驳盒，分别对水下接驳系统的主控设备和非接触电能传输设备提供375V直流电。测试中，利用电压电流测量模块对非接触电能传输系统的初级输入端（见图6中的Ug端，以下以初级侧表示）、次级输出端（见图6中的R端，以下以次级侧表示）和AUV腔体内的充电端进行电压电流情况监测。图13显示在16:25与16:30时刻分别开启与关闭非接触电能传输过程中，初级侧、次级侧和充电侧的电压、电流和功率情况．在这5min的非接触充电过程中，由于开关电源的恒压供电，初级侧、次级侧和充电侧的电压基本保持不变；而随着充电进行、AUV电池容量上升，充电电流逐渐下降。其间，次级侧电压为209.2V，初级侧电压为375.5v，两者电压比值较次级线圈与初级线圈匝数比小，主要由于该线圈为不带磁芯的无芯线圈，耦合系数较小。非接触充电过程中，初级侧最大功率达683w，此时充电功率为536.7w，非接触电能传输效率达78.5％，与上文设计过程考虑的小间隙情况下的电磁耦合方式的非接触电能传输衰减不大的假定吻合。
图13 非接触电能传输情况
⒌中央控制系统测试
为验证中央控制系统运行的有效性，对海底的观测网非接触式水下接驳系统进行了整体控制与监测测试，并对上位机软件进行了验证测试，图14所示为测试过程中上位机软件的主界面。通过上位机与水下接驳站嵌入式PC控制器的协同配合，嵌入式PC控制器能够接收到上位机发送的各项控制命令，实现对各仪器设备的控制；同时，嵌入式PC控制器将接驳站的各状态信息和AUV通过非接触信号传输系统传递的信息打包发送至上位机，上位机接收到嵌入式PC控制器发送的信息数据包，在上位机界面中进行实时显示并完成本地存储。此外，上位机还可显示安装于接驳站的水下摄像头捕获的视频图像，对AUV的回坞过程进行监测，图15所示为水下摄像头拍摄的AUV进入水下接驳站的画面截图。
图14 上位机软件界面
图15 水下摄像头的监测画面
四、结语
依据构建海洋立体观测网络的愿景，充分利用海底观测网和自主水下航行器的各自优势，本文设计并实现了海底观测网非接触式水下接驳系统。该系统的设计包括接驳系统的结构设计、非接触信号传输设计、非接触电能传输设计、中央控制系统设计．针对各部分设计和实现结果，进行了各功能模块的试验测试，试验结果表明耐压腔体满足深水高压工作要求，利用高频电磁波通信技术可实现水下高速非接触信号传输，基于电磁耦合方式可完成大功率、高效率的电能传输，上位机与嵌入式PC控制器的联合使用可构建有效的中央控制系统。湖上的联合测试还验证了各功能模块间的兼容性和联合工作运行的可靠性，为海上试验提供了理论和试验基础．后续的工作可从提高系统运行可靠性、提升部件模块化程度、适应海上试验场景等方面予以改进优化。
【作者简介】本文作者/张涛 李德骏 林鸣威 张梦辉 杨灿军，均来自浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室；第一作者张涛，男，1991年出生，湖北省恩施州人，博士生，主要研究方向为深海机电设备、水下接驳；本文为基金项目，国家“863”高科技研究发展计划项目（2013AA09A414）、国家自然科学基金资助项目（41676089）；文章来自《上海交通大学学报》（2018年第7期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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