水下声学定位系统性能测试仪研制

任文静，雷 宇，卢 涛，刘 俊

(东方地球物理公司西安物探装备分公司 陕西 西安 710077)

0 引 言

近年来，随着海上地震勘探的迅速发展，勘探工作量也在逐年增加，因此对海上定位系统及其配套产品提出了更高的需求。海上石油勘探中最常用的一种方法就是海底电缆(OBC)勘探，它是利用投放在海底的地震信号接收器(检波器)来接收地震信号。在实际施工中，由于受到海流、潮汐、船速以及沉降速度的影响，检波器很难准确地与投放位置相同，这种位置误差直接影响地震勘探采集质量。为了有效地测量和监测检波器的实际位置，需要采用定位系统对其位置进行二次定位[1]。声学定位设备以其不占用放炮时间、定位精度高而备受海上勘探的青睐。东方地球物理公司成功研制了具有独立自主知识产权的能够满足OBC二次定位的“BPS声学定位系统”，已广泛应用于海底电缆勘探中。随着BPS声学定位产品批量化走向市场，研制能够测试其性能的仪器成为生产单位和使用单位迫切的需求。现有的声学定位产品主要包括应答器和主控机，主控机的发射声源级及接收灵敏度，应答器的发射声源级及接收灵敏度是该系统两项非常重要性能指标，对整个系统的性能起着至关重要的作用。水下声学定位系统测试仪就是测试应答器和主控机的发射声源级及接收灵敏度。

1 系统组成及功能

水下声学定位系统性能测试仪是一个小型、可移动的声学定位设备测试仪器，能够测试水下声学定位系统主控机及应答器的发射声源级及接收灵敏度，准确判断该产品的声学性能。一方面为水下声学定位产品生产提供测试仪器，建立检测标准，保证产品质量;同时向用户提供便捷的定位产品检测仪器，满足用户在现场使用过程中对声学定位设备的验收、月检、故障判断等需求，保障野外施工可靠顺利的实施。

水下声学定位系统测试仪由消声水槽、主控机及测试软件构成。消声水槽包括消声水箱容器、标准水听器、发射换能器。测试主机包括计算机、采集板、功放板及前放板。仪器总体设计如图1所示。消声水槽主要功能是提供一个水声测试环境，主控机主要实现接收软件指令，根据指令执行发射特定的激发信号，接收标准水听器采集到的信号，进行处理并上传给测试软件。测试软件主要功能是下发指令，根据主控机上传信息计算发射声源级及接收灵敏度并判断待测产品的声学性能。

图1 仪器总体设计图

2 测试方法

水下声学定位系统性能测试仪采用对比测试方法，主要测试水下声学定位系统中应答器及主控机的性能。应答器测试指标包括应答器发射声源级、接收灵敏度及应答率。主控机测试指标包括主控机发射声源级及接收灵敏度。测量环境是测试仪中小型消声水槽。测量时将测量换能器、标准水听器、应答器或主控机声学探头放在消声水箱的中间位置，即同一水平面，相互距离0.5 m。

应答器测试方法：测量换能器模拟主控机发射特定的编码信号，使得应答器能够正常回应，降低发射功率，直到应答器回应的临界状态。标准水听器测得此时对应的测量换能器的发射声源级由下式计算[2-3]:

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

(1)

式中，SLm为测量换能器发射的对应应答器接收灵敏度的声源级；U0为达到应答器的临界状态时，标准水听器接收到测量换能器的发射信号对应的开路电压；d0为标准水听器与测量换能器的距离,0.5 m；M0为标准水听器灵敏度。

标准水听器接收到应答器的发射信号，计算应答器的发射声源级:

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

(2)

式中，SL为应答器的发射声源级；Ux为标准水听器接收到应答器的发射信号对应的开路电压;dx为标准水听器与应答器声学换能器的距离；M0为标准水听器灵敏度。

当达到应答器接收的临界状态时，应答器与标准水听器接收到的声压值相同，因此应答器的接收灵敏度为：

M=20lg(U0)-M0

(3)

测量换能器模拟主控机发射编码，使应答器能正常回应，重复试验N次(例如，N取为10)，测试应答器应答的次数为M，得到应答器的应答率为：

η=M/N×100%

(4)

3 硬件设计

3.1 消声容器设计

水下声学定位系统性能测试仪作为一个声纳测试仪器，最基本的就是要提供一个水声环境，信号在水中反射主要包括镜反射、散射、内反射声波及共振效应[5]。反射声具有多普勒频移、脉冲声信号的持续时间拉长、回声包络的不规则性等特征[6]。 为了准确测试系统器的声性能，必须消除信号在水中反射造成的这些干扰。该仪器专门设计消声容器，隔离外部干扰，消除内部多径效应，为整个系统高精度测试提供保障。消声水槽由箱体、接收换能器、发射换能器三部分组成。水箱的形状确定为方形，为了方便移动，同时根据需要发射和接收信号的频率，计算得到消声容器的尺寸设计为1.5 m×1.5 m×1.3 m较为合适。水箱材料选用玻璃钢，可耐海水、酸、碱、盐的腐蚀及大气老化环境。 为了减小信号干涉，在玻璃钢水箱的内壁及表面水层设计了一层厚16 mm的消声材料层。吸声效果明显。测量换能器包括一个接收换能器和一个发射换能器，谐振频率在40 kHz附近的高频换能器，因为在消声水箱内，发射响应不要求太高，但在测试灵敏度时必须有高的线性度，才能准确测试灵敏度性能。标准水听器采用球形水听器，工作频率为20 Hz～150 kHz。该水听器在低频的接收灵敏度很平坦，满足接收频段信号要求。

2.2 测试主机设计

测试主机是整个测试仪的核心部件，负责发射不同的测试信号。接收水听器探测到水下声学定位系统测试仪主控机及应答器的回应信号，通过对信号的处理计算，判断主控机及应答器的性能好坏[7]。测试主机主要由以下几个重要模块构成：电源模块、信号源、信号大小控制、DSP、FPGA、RAM、功率放大、窄带滤波器接收、模数转换、程控放大器、数据处理、以及USB接口通信。测试主机流程框图如图2所示。

图2 测试主机流程框图

4 软件实现

软件需要实现的功能包括模拟主控机及应答器发射相应的编码信号，采集测量换能器的信号，信号的显示、数据存储、数据处理，计算得到应答器及主控机接收灵敏度及发射声源级，对应答器及主控机工作距离的估计，同时将采集数据输出到文本文件中，方便数据的存储并可打印输出。测试系统软件使用LABVIEW图形化编程语言进行编写[8]，在台式电脑或者便携式PC机上运行。测试人员只需进行简单的操作即可迅速了解该软件，外部设备连接完成以后，用户在测试界面通过输入相应的参数要求，点击按钮运行程序，便可以进行相应的测试工作。

软件主要包括脉冲信号生成模块、数据采集、处理及显示模块。脉冲信号生成模块用来产生测试所需的模拟应答器及主控机发射信号。

数据采集与处理模块主要是对采样率及存储等模块的设置，采集水听器的数据，并对数据进行计算、判断处理，其流程图如图3所示。

图3 数据采集与处理模块流程图

用户通过测试界面对该软件进行控制，通过下拉列表对A/D、D/A通道进行选择，手动或通过增减按钮输入信号频率，单击按钮，开始进行测试，程序运行后，界面将出现在屏幕居中位置，如果出错，程序会弹出错误提示窗口，用户应根据提示内容进行相应操作，并重新运行程序。在测试项目中，可以单独选择测试发射声源级及接收灵敏度，也可同时测试两项指标。测试完成后会保存数据并形成测试报告。

5 结束语

水下声学定位系统测试仪为声学定位设备提供了一种检测手段和方法，保证了声学定位设备的生产质量。同时可移动的消声水箱、便携的主机系统、全面的测试报告为用户在野外验收、月检、故障维修提供了更为便捷的手段，保障野外施工能可靠顺利地实施。