任文靜，雷 宇，盧 濤，劉 俊

(東方地球物理公司西安物探裝備分公司 陜西 西安 710077)

0 引 言

近年來(lái)，隨著海上地震勘探的迅速發(fā)展，勘探工作量也在逐年增加，因此對(duì)海上定位系統(tǒng)及其配套產(chǎn)品提出了更高的需求。海上石油勘探中最常用的一種方法就是海底電纜(OBC)勘探，它是利用投放在海底的地震信號(hào)接收器(檢波器)來(lái)接收地震信號(hào)。在實(shí)際施工中，由于受到海流、潮汐、船速以及沉降速度的影響，檢波器很難準(zhǔn)確地與投放位置相同，這種位置誤差直接影響地震勘探采集質(zhì)量。為了有效地測(cè)量和監(jiān)測(cè)檢波器的實(shí)際位置，需要采用定位系統(tǒng)對(duì)其位置進(jìn)行二次定位[1]。聲學(xué)定位設(shè)備以其不占用放炮時(shí)間、定位精度高而備受海上勘探的青睞。東方地球物理公司成功研制了具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的能夠滿足OBC二次定位的“BPS聲學(xué)定位系統(tǒng)”，已廣泛應(yīng)用于海底電纜勘探中。隨著B(niǎo)PS聲學(xué)定位產(chǎn)品批量化走向市場(chǎng)，研制能夠測(cè)試其性能的儀器成為生產(chǎn)單位和使用單位迫切的需求。現(xiàn)有的聲學(xué)定位產(chǎn)品主要包括應(yīng)答器和主控機(jī)，主控機(jī)的發(fā)射聲源級(jí)及接收靈敏度，應(yīng)答器的發(fā)射聲源級(jí)及接收靈敏度是該系統(tǒng)兩項(xiàng)非常重要性能指標(biāo)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能起著至關(guān)重要的作用。水下聲學(xué)定位系統(tǒng)測(cè)試儀就是測(cè)試應(yīng)答器和主控機(jī)的發(fā)射聲源級(jí)及接收靈敏度。

1 系統(tǒng)組成及功能

水下聲學(xué)定位系統(tǒng)性能測(cè)試儀是一個(gè)小型、可移動(dòng)的聲學(xué)定位設(shè)備測(cè)試儀器，能夠測(cè)試水下聲學(xué)定位系統(tǒng)主控機(jī)及應(yīng)答器的發(fā)射聲源級(jí)及接收靈敏度，準(zhǔn)確判斷該產(chǎn)品的聲學(xué)性能。一方面為水下聲學(xué)定位產(chǎn)品生產(chǎn)提供測(cè)試儀器，建立檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量;同時(shí)向用戶(hù)提供便捷的定位產(chǎn)品檢測(cè)儀器，滿足用戶(hù)在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中對(duì)聲學(xué)定位設(shè)備的驗(yàn)收、月檢、故障判斷等需求，保障野外施工可靠順利的實(shí)施。

水下聲學(xué)定位系統(tǒng)測(cè)試儀由消聲水槽、主控機(jī)及測(cè)試軟件構(gòu)成。消聲水槽包括消聲水箱容器、標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器、發(fā)射換能器。測(cè)試主機(jī)包括計(jì)算機(jī)、采集板、功放板及前放板。儀器總體設(shè)計(jì)如圖1所示。消聲水槽主要功能是提供一個(gè)水聲測(cè)試環(huán)境，主控機(jī)主要實(shí)現(xiàn)接收軟件指令，根據(jù)指令執(zhí)行發(fā)射特定的激發(fā)信號(hào)，接收標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器采集到的信號(hào)，進(jìn)行處理并上傳給測(cè)試軟件。測(cè)試軟件主要功能是下發(fā)指令，根據(jù)主控機(jī)上傳信息計(jì)算發(fā)射聲源級(jí)及接收靈敏度并判斷待測(cè)產(chǎn)品的聲學(xué)性能。

圖1 儀器總體設(shè)計(jì)圖

2 測(cè)試方法

水下聲學(xué)定位系統(tǒng)性能測(cè)試儀采用對(duì)比測(cè)試方法，主要測(cè)試水下聲學(xué)定位系統(tǒng)中應(yīng)答器及主控機(jī)的性能。應(yīng)答器測(cè)試指標(biāo)包括應(yīng)答器發(fā)射聲源級(jí)、接收靈敏度及應(yīng)答率。主控機(jī)測(cè)試指標(biāo)包括主控機(jī)發(fā)射聲源級(jí)及接收靈敏度。測(cè)量環(huán)境是測(cè)試儀中小型消聲水槽。測(cè)量時(shí)將測(cè)量換能器、標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器、應(yīng)答器或主控機(jī)聲學(xué)探頭放在消聲水箱的中間位置，即同一水平面，相互距離0.5 m。

應(yīng)答器測(cè)試方法：測(cè)量換能器模擬主控機(jī)發(fā)射特定的編碼信號(hào)，使得應(yīng)答器能夠正?；貞?yīng)，降低發(fā)射功率，直到應(yīng)答器回應(yīng)的臨界狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器測(cè)得此時(shí)對(duì)應(yīng)的測(cè)量換能器的發(fā)射聲源級(jí)由下式計(jì)算[2-3]:

SLm=20log(U0)+20log(d0)-M0

(1)

式中，SLm為測(cè)量換能器發(fā)射的對(duì)應(yīng)應(yīng)答器接收靈敏度的聲源級(jí)；U0為達(dá)到應(yīng)答器的臨界狀態(tài)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器接收到測(cè)量換能器的發(fā)射信號(hào)對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓；d0為標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器與測(cè)量換能器的距離,0.5 m；M0為標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器靈敏度。

標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器接收到應(yīng)答器的發(fā)射信號(hào)，計(jì)算應(yīng)答器的發(fā)射聲源級(jí):

SL=20log(Ux)+20log(dx)-M0

(2)

式中，SL為應(yīng)答器的發(fā)射聲源級(jí)；Ux為標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器接收到應(yīng)答器的發(fā)射信號(hào)對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓;dx為標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器與應(yīng)答器聲學(xué)換能器的距離；M0為標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器靈敏度。

當(dāng)達(dá)到應(yīng)答器接收的臨界狀態(tài)時(shí)，應(yīng)答器與標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器接收到的聲壓值相同，因此應(yīng)答器的接收靈敏度為：

M=20lg(U0)-M0

(3)

測(cè)量換能器模擬主控機(jī)發(fā)射編碼，使應(yīng)答器能正常回應(yīng)，重復(fù)試驗(yàn)N次(例如，N取為10)，測(cè)試應(yīng)答器應(yīng)答的次數(shù)為M，得到應(yīng)答器的應(yīng)答率為：

η=M/N×100%

(4)

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 消聲容器設(shè)計(jì)

水下聲學(xué)定位系統(tǒng)性能測(cè)試儀作為一個(gè)聲納測(cè)試儀器，最基本的就是要提供一個(gè)水聲環(huán)境，信號(hào)在水中反射主要包括鏡反射、散射、內(nèi)反射聲波及共振效應(yīng)[5]。反射聲具有多普勒頻移、脈沖聲信號(hào)的持續(xù)時(shí)間拉長(zhǎng)、回聲包絡(luò)的不規(guī)則性等特征[6]。 為了準(zhǔn)確測(cè)試系統(tǒng)器的聲性能，必須消除信號(hào)在水中反射造成的這些干擾。該儀器專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)消聲容器，隔離外部干擾，消除內(nèi)部多徑效應(yīng)，為整個(gè)系統(tǒng)高精度測(cè)試提供保障。消聲水槽由箱體、接收換能器、發(fā)射換能器三部分組成。水箱的形狀確定為方形，為了方便移動(dòng)，同時(shí)根據(jù)需要發(fā)射和接收信號(hào)的頻率，計(jì)算得到消聲容器的尺寸設(shè)計(jì)為1.5 m×1.5 m×1.3 m較為合適。水箱材料選用玻璃鋼，可耐海水、酸、堿、鹽的腐蝕及大氣老化環(huán)境。 為了減小信號(hào)干涉，在玻璃鋼水箱的內(nèi)壁及表面水層設(shè)計(jì)了一層厚16 mm的消聲材料層。吸聲效果明顯。測(cè)量換能器包括一個(gè)接收換能器和一個(gè)發(fā)射換能器，諧振頻率在40 kHz附近的高頻換能器，因?yàn)樵谙曀鋬?nèi)，發(fā)射響應(yīng)不要求太高，但在測(cè)試靈敏度時(shí)必須有高的線性度，才能準(zhǔn)確測(cè)試靈敏度性能。標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器采用球形水聽(tīng)器，工作頻率為20 Hz～150 kHz。該水聽(tīng)器在低頻的接收靈敏度很平坦，滿足接收頻段信號(hào)要求。

2.2 測(cè)試主機(jī)設(shè)計(jì)

測(cè)試主機(jī)是整個(gè)測(cè)試儀的核心部件，負(fù)責(zé)發(fā)射不同的測(cè)試信號(hào)。接收水聽(tīng)器探測(cè)到水下聲學(xué)定位系統(tǒng)測(cè)試儀主控機(jī)及應(yīng)答器的回應(yīng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)信號(hào)的處理計(jì)算，判斷主控機(jī)及應(yīng)答器的性能好壞[7]。測(cè)試主機(jī)主要由以下幾個(gè)重要模塊構(gòu)成：電源模塊、信號(hào)源、信號(hào)大小控制、DSP、FPGA、RAM、功率放大、窄帶濾波器接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換、程控放大器、數(shù)據(jù)處理、以及USB接口通信。測(cè)試主機(jī)流程框圖如圖2所示。

圖2 測(cè)試主機(jī)流程框圖

4 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能包括模擬主控機(jī)及應(yīng)答器發(fā)射相應(yīng)的編碼信號(hào)，采集測(cè)量換能器的信號(hào)，信號(hào)的顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理，計(jì)算得到應(yīng)答器及主控機(jī)接收靈敏度及發(fā)射聲源級(jí)，對(duì)應(yīng)答器及主控機(jī)工作距離的估計(jì)，同時(shí)將采集數(shù)據(jù)輸出到文本文件中，方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)并可打印輸出。測(cè)試系統(tǒng)軟件使用LABVIEW圖形化編程語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)[8]，在臺(tái)式電腦或者便攜式PC機(jī)上運(yùn)行。測(cè)試人員只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作即可迅速了解該軟件，外部設(shè)備連接完成以后，用戶(hù)在測(cè)試界面通過(guò)輸入相應(yīng)的參數(shù)要求，點(diǎn)擊按鈕運(yùn)行程序，便可以進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試工作。

軟件主要包括脈沖信號(hào)生成模塊、數(shù)據(jù)采集、處理及顯示模塊。脈沖信號(hào)生成模塊用來(lái)產(chǎn)生測(cè)試所需的模擬應(yīng)答器及主控機(jī)發(fā)射信號(hào)。

數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要是對(duì)采樣率及存儲(chǔ)等模塊的設(shè)置，采集水聽(tīng)器的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、判斷處理，其流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集與處理模塊流程圖

用戶(hù)通過(guò)測(cè)試界面對(duì)該軟件進(jìn)行控制，通過(guò)下拉列表對(duì)A/D、D/A通道進(jìn)行選擇，手動(dòng)或通過(guò)增減按鈕輸入信號(hào)頻率，單擊按鈕，開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試，程序運(yùn)行后，界面將出現(xiàn)在屏幕居中位置，如果出錯(cuò)，程序會(huì)彈出錯(cuò)誤提示窗口，用戶(hù)應(yīng)根據(jù)提示內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)操作，并重新運(yùn)行程序。在測(cè)試項(xiàng)目中，可以單獨(dú)選擇測(cè)試發(fā)射聲源級(jí)及接收靈敏度，也可同時(shí)測(cè)試兩項(xiàng)指標(biāo)。測(cè)試完成后會(huì)保存數(shù)據(jù)并形成測(cè)試報(bào)告。

5 結(jié)束語(yǔ)

水下聲學(xué)定位系統(tǒng)測(cè)試儀為聲學(xué)定位設(shè)備提供了一種檢測(cè)手段和方法，保證了聲學(xué)定位設(shè)備的生產(chǎn)質(zhì)量。同時(shí)可移動(dòng)的消聲水箱、便攜的主機(jī)系統(tǒng)、全面的測(cè)試報(bào)告為用戶(hù)在野外驗(yàn)收、月檢、故障維修提供了更為便捷的手段，保障野外施工能可靠順利地實(shí)施。