海洋科技▏无人船声学探测设备集成设计优化方法研究
一、引 言
目前，绝大部分海洋调查所使用的设备为声学设备，越精密的声学设备对噪声、气泡等影响越敏感，极易造成数据质量的下降，影响调查结果，而调查船作为海上作业的载体，对声学设备的影响不可忽视。船对声学设备的影响主要包括三个方面：船体噪声、气泡层和固流耦合引起的声学设备湿端振动。其中船体噪声又称为舰船辐射，该噪声分为3类：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。
传统的载人调查船集成声学探测设备常用的固定方式为以下两种：临时舷侧安装和船底固定安装。临时舷侧安装多采用临时支架保证调查船方便拆装，但舷侧安装的临时支架所产生的振动及噪声水平均不可控；船底固定式安装又分为吊舱式、凸出式和嵌入式3种安装方式：吊舱式是换能器单元悬吊在船底下方；凸出式是换能器单元紧贴船体，安装在突出船体的导流罩内；嵌入式即将换能器单元直接嵌入船底，与船底共型。
进入21世纪，随着通信、人工智能等技术的发展，制约无人船艇发展的诸多技术瓶颈得以部分解决，各国加大了无人艇的研发力度，无人艇迎来了一段高速发展期。针对海洋调查领域，目前已有超过10个国家的40多个海洋研究单位开发了几十款不同用途的无人船，并开展了多种海洋应用，例如海洋测绘、声学通信中继、海洋环境监测等。美国密歇根大学Brown等开发了无人船“BathyBoat”，应用于湖泊水深、环境测量。英国普利茅斯大学开发了无人船“Springer”，搭载了水质监测传感器，应用于海洋环境监测。麻省理工大学开发的水声通讯中继无人船“SCOUT”，完成了多个USV和AUV间通信试验。意大利研发的双体“Charlie”号无人艇对南极洲海洋表层进行取样，收集水气界面数据；国内新光公司研发的“天象1号”无人艇在奥帆赛期间作为气象应急装备提供气象保障服务；云洲智能公司设计并制造的“M80”无人艇在中国第34次南极科考中成功进行罗斯海部分海域全覆盖水深地形测量工作。
无人船是一种可执行某类指定任务，并基于任务目的进行功能、性能设计的水面机器人，作为一种新型的无人搭载平台，相比于传统载人调查船，其优势在于灵活机动，安全、隐蔽性强，在海底探测方向的运用可应付水面复杂环境、恶劣气象条件、以及政治敏感区的海洋调查。然而由于尺度效应的影响，将大型调查船上声学设备的安装集成方式照搬到无人船上存在很大主观性和不确定性。其次无人船体量小，布置空间有限，动力系统和探测设备湿端比较近，振动、噪声很容易传导到声学设备位置处，影响设备工作。
针对以上问题，本文提出一种无人船集成声学设备的优化设计方案，通过水动力仿真模拟和实船测试的技术手段从船型选择、优化设计，动力系统优化和测量设备布置等方面逐步进行设计分析，着重解决小体量、浅吃水无人船船体振动强、气泡乱流大、对外界环境干扰敏感等问题，最终获得高质量测量结果。
二、适用于声学测量设备的无人船平台设计
⒈船型选择
表层海水中气泡的产生主要有2个因素，如图1所示。一方面是由表层海水运动产生的碎浪引起。船舶航行时在船艏处会产生船艏兴波，艏兴波破过程中会将空气拍进表层海水形成气泡层。这些气泡分布广泛、数量众多，会吸收、反射甚至阻隔声波的传播，如果大量气泡流向换能器底部将导致多波束系统无法正常工作。另一方面由船体表面的凹凸引起的海水扰动产生，主要存在于船体表面附近。其次船体表面存在的开孔，如艏侧推、月池、通海阀箱等都会产生气泡。
(a)理论示意图
(b)水动力仿真示意图
图1 附面层对船底声学设备干扰示意图
按照传统作业方式选用单体船在原理上很难避免上述两种因素产生气泡，通常只能通过设计手段削弱气泡对测量设备的影响。例如：①换能器吃水尽可能深；②换能器采用各类导流罩配合安装，削弱乱流和气泡的影响；③通过大量的数值模拟和实物测试发现对于横向上升角小于13°的宽平船底，换能器很容易受到气泡的影响；④换能器表面周围的船体应尽可能光滑和水平，如有缝隙和螺丝孔需用胶填平。
相较单体船需要通过各种手段来削弱干扰因素，双体船在自身特性上做针对性优化改进就能很好的规避上述风险：双体船由两个片体提供浮力，通过连接桥实现两个片体的连接，将声学设备布置在两个片体间的中纵线上并通过升降器控制设备工作入水深度，保证设备底面与船底平齐，既能防止设备触底，又能很好的规避附面层和船体兴波、乱流对声学设备的影响；双体船采用双机双桨推进，片体间距大导致船体回转扭矩更大，同时推进装置与声学设备湿端不同轴，空化噪声和叶片振动噪声的传导减弱；目前海洋调查类船舶一般采用循线航行，根据船舶原理分析，增加船的长宽比和方形系数可以提高船舶的直线稳定性，双体船显著的大长宽比和方形系数会大大提高其循线航行精度。因此认为双体船型在船型的选择上更适合在海洋调查中应用。
⒉船型优化
根据上述分析认为双体船型更适合海洋调查应用，但并不意味着所有双体船型都合适，船型选型后需要根据测量设备的实际使用需求对船型做针对性优化设计，从而获得可完成该任务最佳的设计船型。例如本文中设计的M40多用途海洋测绘无人船（该船型已申请船型设计专利），其船型的优化设计主要通过水动力仿真模拟和样机测试对比完成，见图2，具体设计思路如下（见图3，文件中注解序号对应示意图中的标号）：
(a)水动力仿真效果图
(b)实船实测效果图
图2 船首优化设计仿真与实船实测对比示意图
图3 船型优化设计点示意图
⑴M40A海底探测无人船采用内斜式船艏，可以有效抑制艏兴波的破碎，并将水线下可能产生的附面层气泡诱导到表层水面，而不是密布在船底表面，从而避免探测设备周围水中进入气泡，对其产生不良影响。
⑵M40A船艏处采用折角式外飘设计，保证静水5～6kn航行时折角不与艏兴波波峰接触，不会使艏兴波破碎；高海况下航行时，可以起到分流、减摇的作用，同时降低甲板大面积上浪的可能性。
⑶水线以下采用瘦长圆舭船型，有利于低速航行减阻，水线以上的船侧壁采用外斜式设计（小水线面船的设计概念），船体上下起伏时可增大运动阻尼，降低船体纵摇、横摇和垂荡运动的幅值、同时提供更大的舱内空间和甲板面积，便于设备的安装、布置。
⑷水面以上船尾封板后延，并采用三角形断面设计，尾封板后延可以提供较大的储备浮力，减小船体航行时艉倾和纵摇幅值；三角形断面设计可以避免船体纵摇时下尾板将空气拍击进螺旋桨上方的水中，降低螺旋桨出现飞车的可能性；
⑸船体尾板水面处采用后延式收缩设计，可以减缓船体尾涡的大小，避免尾涡过深增加阻力和产生螺旋桨飞车降低推进效率。
⒊动力系统选型优化
本文设计的无人艇主要是为了应对海洋调查，通过多次的海洋调查经验发现船体的噪声源主要来自船上的机械单元和螺旋桨，为了得到更高质量的测量数据，多波束测深系统的换能器必须尽量避开这些噪声源。
对于动力系统的选型，根据实测经验发现燃油发动机运作时的振动与噪声普遍较大，对测量设备的工作会产生一定的负面影响，相比较而言
电动推进器的振动与噪音要远远低于燃油推进器。高品质的电动推进器在低转速状态下的振动噪声对设备的影响几乎可以忽略不计，而且电动推进器简单的操作原理更便于实现无人化控制，降低设计与维修难度，减少舱内布局的复杂度，腾出更多的空间布置其它设备。
对于推进系统的设计优化，海洋调查类船舶一个不可避免的影响因素是螺旋桨的高速旋转产生的空泡振动对声学设备的影响，因此需要选用低转速、低噪音的推进器，桨叶也需要做防空泡优化设计。
⒋声学探测设备布置
在声学探测设备（RESON T20、KONGSBERG M3等）的布置上，为了规避船壳附面层对设备的影响，将设备布置在两个片体间的中纵线上，保证设备与螺旋桨不同轴，减弱桨叶空化效应对声学探测设备的影响；声学设备通过转接法兰盘安装在垂直升降推杆的底部，通过升降机构保证设备的入水深度，工作时设备入水，入水深度为400mm，保证设备底面与船底平齐，既能防止设备触底损坏，又能很好的削弱附面层和船体兴波、乱流对设备的影响，将设备工作性能实现最佳化；非工作时将设备升起至水面以上，降低船舶航行时的阻力，提高船舶最高航速，增强船舶的机动性能和续航力，实现能源的合理利用。
如图4所示，设备在纵向位置的布局是通过水动力仿真模拟]完成的，根据设计航速的工作情况模拟船舶航行姿态和船体兴波情况，最终将设备布置在6节航速时两个片体兴波在中纵线上形成的高液位处，入水深度400mm以上。如此布置有如下优点：设备位于高液位处，附面层中的气泡、乱流将减弱对设备的干扰；船首航行产生的碎波、乱流会随波浪流往水面上层流动，水面下层流场均匀；该位置靠近船舶重心，会保证设备和船体的运动一致性，有利于数据处理；设备入水深度相对较深，会降低在高海况下设备出水失效的风险。
图4 声学探测设备布置的仿真模拟示意图
三、实船测试验证
如图5所示，在实船测试中该船搭载T20型多波束测量系统、Wave master组合惯导系统和无线宽带全向通信天线，通过遥控基站发送测量任务，无人船通过以上仪器自主完成水深测量并实时回传数据至基站。
测试作业地点位于广东省江门市某段航道西侧，该测区存在清淤船挖泥船定点作业，航道上常有运沙船等大型船只经过，测量条件相对复杂。2017年12月7日，该船在2级海况下完成1000米x600米测区水下地形全覆盖测量，测线总长约26公里，其中主测线约25公里，联络测线约1公里。
(a)实船工作现场示意图
(b)实船工作软件界面示意图
图5 实船现场作业状态示意图
通过实测数据分析，无人船在逆流、顺流、船浪影响等状态下最大偏航距离约为0.8m，多波束开角为130°，模式为等距模式，经对测量数据处理，形成0.1m网格的1000m×600m全覆盖水深图，水深范围在3.5～13m，中间水域为人工开凿的航道，深度介于9～13m之间，部分地区有沙包突起，近边壁水深最浅，最浅约为3.5m，人工开挖航道与边壁有明显陡坎，水域中可见少量锚系拖痕，其中作业水域发现5.5m×5.5m的不明物体，推测为水下沉块。
通过测量数据结果分析：船的整体航向保持性较好，多波束脚印分布均匀，边缘波束损失较小，噪点极少，对声学设备的噪声影响很低，所测数据优良，数据满足95%置信区间小于0.25（见图6），达到IH044特优级标准，满足我国《海道测量规范》。
图6 测绘数据95%置信区间小于0.25示意图
四、结束语
本文通过对海洋调查工作中存在的作业难点进行分析总结，以水动力仿真模拟为依托，通过对船型、动力系统选型优化和设备合理布置等设计方法的研究，提出了一种小体量、浅吃水无人船集成声学探测设备的优化方法。
在实船测试验证中，上述设计有效削弱了测量过程中气泡、振动和噪声等外界干扰因素对测量结果的影响，测试数据良好，证明本文提出的无人船声学探测设备集成设计方法的研究是可行的。
但是相比国外，我国无人船的发展还处于初级阶段，尤其是无人船在海洋调查领域的应用仍旧处于探索当中，如何将小体量、浅吃水无人船与测量设备高效集成，提高工作效率和测量精度仍将是后续深入研究的重点。
【作者简介】本文作者/高剑客 刘涵 蒲进菁 何正来 王根宝，均来自珠海云洲智能科技有限公司。第一作者高剑客，1991年出生，男，山东威海人，工程师，硕士，主要从事船舶设计与优化研究；通讯作者蒲进菁，1981年出生，男，甘肃人，珠海云洲智能科技有限公司海洋应用技术总监，博士，主要从事无人船应用研究。文章发表于《海洋测绘》（2019年第2期），参考文献略，用于学习与交流，本文编发取得了作者的认可，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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