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科学时报:“蛟龙”号的中科院元素
2011/08/10 | 作者:科学时报 陆琦 | 【 【打印】【关闭】
日前,“蛟龙”号载人潜水器完成5000米级海试任务后起程返航。作为我国第一台自行设计、自主集成研制的载人潜水器,“蛟龙”号又一次创造了中国深海探测的新纪录。
 
“蛟龙”号凭何再创中国深度?总设计师徐芑南表示,相比国际上现有的大深度载人潜水器,“蛟龙”号有三方面国际领先的技术:稳定的贴近海底自动巡航能力、精确的悬停定位能力,这两个条件使“蛟龙”号能够在地形复杂的海底搜索目标,这是其中之一;高速数字化水声通信,可向母船传输文字、语言、图像是“蛟龙”号的另一先进技术;完全由我国自主研制的充油银锌蓄电池是第三大亮点。
 
其中,前两项技术优势都与科研“国家队”中国科学院有关——中国科学院沈阳自动化研究所和中国科学院声学研究所分别承担了“蛟龙”号的控制系统和声学系统的攻关任务。
 
控制系统相当于载人潜水器的“大脑和中枢神经”,其重要性不言而喻。在“蛟龙”号研制过程中,沈阳自动化所的科研团队采用先进的控制策略,有效克服潜水器本体、海洋环境等不确定性干扰,实现潜水器长距离航行时全自动航行控制功能。
 
除了“大脑”之外,载人潜水器也少不了“眼镜、嘴巴、耳朵”等器官。由声学所负责研制的声学系统就充当了这些器官功能。声学系统为“蛟龙”号的深海潜航提供通信、测速、障碍物探测和地形地貌探测等功能。
 
值得一提的是,中科院的两家参研单位有一个共同的特点——自主创新。沈阳自动化所自主研发,从零起步,为“蛟龙”号开发了独一无二的控制系统;而水声通信机和高分辨率测深侧扫声纳是声学所自主创新的成果,核心技术获得多项国家和美国发明专利。正如中科院院长白春礼致两所的贺信中所言:“面向国家战略需求开展创新研究,为我国海洋科技发展取得历史性突破作出了重要贡献。”
 
除了分系统的研制,中科院科研团队还圆满完成了“蛟龙号”海试中分系统的维护保障工作。三年来,沈阳自动化研究所共15人次参加海试,保持在船人数4人以上,刘开周作为试航员多次下潜;声学所共20人次参加海试,杨波、张东升作为试航员多次下潜,均圆满完成任务。
 
首屈一指的“感觉器官”
 
7月21日清晨,中国科学院声学研究所研究员朱维庆急匆匆地从家里赶到实验室——“蛟龙”号载人潜水器5000米级海试在这一天进行第一次下潜试验。作为专项总体组成员,朱维庆要和没去海试现场的项目组成员一起观看视频直播,见证历史性的一刻。
 
中科院声学所是“蛟龙”号副总师单位,负责声学系统研制。看到“蛟龙”号将语音、指令、文字、图像都顺利传回了母船,朱维庆及其团队松了一口气。
 
“由声学所负责研制的声学系统就像是‘蛟龙’号的眼睛、嘴巴、耳朵等器官,为‘蛟龙’号提供了通信、测速、障碍物探测和地形地貌探测等功能。”朱维庆接受《科学时报》采访时表示。
 
“蛟龙”号载人潜水器的声学系统包括:水声通信机、高分辨率测深侧扫声纳、避碰声纳、成像声纳、声学多普勒测速仪。其主要功能分别为:实现潜水器与母船之间的图像、语音、文字和指令通信,测量海底微地形地貌,测量各方位障碍物的距离,探测前方的目标,测量潜水器的三维运动速度和下方的海流速度剖面。
 
声音是振动产生的。在海里,要把讲话的信息传到远处也一样,仅仅是把空气换成海水,但这一传输就要靠另一个“嘴巴”了,这个“嘴巴”就是水声通信机。
 
“蛟龙”号的水声通信机采用先进的水声通信和信号处理技术,能够传送语音、文字、指令、数据和图像等多种信息,与国外载人潜水器的水声通信系统相比,其功能和性能都是首屈一指的。
 
在下潜试验中,水声通信系统将潜水器的信息准确传送到水面指挥部,使指挥部能够实时掌控潜水器的深度、运动速度、舱内温度、湿度、气压、氧浓度等各种信息,如亲临其境,作出决策,指导水下作业,保证下潜安全,提高作业效率;同时,潜航员与水面指挥人员通过语音、文字和指令通信可以随时就试验情况进行交流。
 
“如果水声通信系统出现问题,潜航员与水面指挥人员就完全失去联系。”朱维庆说,“这也就是为什么每次冲击新深度,‘声学专家’杨波必上的原因。”
 
高分辨率测深侧扫声纳,是一种新型的海洋声学探测设备,也是国外载人潜水器不具备、“蛟龙”号独有的设备,可以同时获得精细的三维海底地形和侧扫图。形象地说,地形就像立体照片,它能够反映海底深度,表现为等深线图;侧扫图则是张平面照片,可以理解为获得海底反向散射信号的声像。高分辨率测深侧扫声纳在海洋开发中具有广泛的应用,能探测海底和水中小目标,还能为海底资源分布规律等研究提供基础性和关键性资料。
 
令声学所尤为自豪的是,“蛟龙”号的水声通信机和高分辨率测深侧扫声纳是声学所自主创新的成果,核心技术获得多项国家和美国发明专利。
 
“科学研究是一个累积的过程。”朱维庆回忆,上世纪80年代中后期,声学所进行了数字水声通信研究。在“七五”期间研制了基于多频移键控技术的非相干水声通信机样机,在“八五”和“九五”期间开展了基于多相移键控技术的相干水声通信机关键技术研究,并研制了通信机样机。“十五”期间,通过“863”重大项目7000米载人潜水器(现在称为“蛟龙”号载人潜水器)的研制任务,声学所研制了自适应多普勒补偿的自最佳判决反馈自适应均衡器与Turbo码级联工作的中程高速水声通信机工程样机。
 
从实验室的物理分析到一次次的海上试验,通过理论—实践—理论的过程,声学所自主研制的水声通信机逐渐达到世界领先水平。
 
其实,“蛟龙”号的水声通信系统可以跟踪国外,照搬美国“艾尔文”号所采用的水声电话技术。但朱维庆及其科研团队一直坚持“搞科研必须不断走在前面”的信念,“蛟龙”号的水声通信系统同时采用了相干水声通信、非相干水声通信、扩频水声通信、水声电话四种通信技术手段,使“电话变电视”。
 
“如果错过了‘蛟龙’号这个机会,再想发展水声通信技术就难了。”朱维庆认为,科研工作者要智勇双全,“敢干,敢自己干。”
 
“蛟龙”号声学系统科研团队被称为“娃娃兵”,因为除了朱维庆已74岁高龄,包括副总设计师朱敏在内的其他成员大都是“70后”、“80后”。“但‘娃娃兵’很有前途。”朱维庆希望有越来越多德才兼备的年轻人投身到深海技术的研究队伍之中,为下一个深海目标贡献力量。
 
独一无二的“大脑和中枢神经”
 
“今年海试由于任务增加、各参研单位跟船出海名额削减,我就没去,让给一线操作人员了。”接受《科学时报》采访时,电话那头的王晓辉尽管略显遗憾,但更多的是自信和欣慰。“根据各方情况反馈,我们负责的控制系统表现非常稳定,现场没有太多需要攻关、改进、调试的部分。”
 
虽然目前与海试现场无法进行电话沟通,但是,作为“蛟龙”号副总设计师,中国科学院沈阳自动化研究所水下机器人研究室主任王晓辉通过电子邮件及时了解了此次“蛟龙”号5000米级海试的最新进展。
 
中科院沈阳自动化所是“蛟龙”号载人潜水器项目的主要参研单位之一,承担了载人潜水器控制系统的研究开发工作。
 
载人潜水器是智能机器,即使有人坐在里面操作,仍需要很多自动化控制功能。控制系统被形象地比喻为载人潜水器的“大脑和中枢神经”。它采集载人驾驶员的操作指令及各种传感器的反馈信息,通过控制系统的分析和判断,输出指令控制各种执行机构,使潜水器完成各种动作,同时又将全部信息进行存储,重要信息在人机界面上进行显示,为潜航员驾驶和指挥员决策提供参考依据。
 
“蛟龙”号的控制系统主要分为航行控制、导航定位、综合信息显示与控制3个部分。“这3个部分都是我们负责,因为这对于从事水下机器人研发超过30年的中科院沈阳自动化所来说,正是强项。”王晓辉说。
 
航行控制,除了常规的信息检测与操作控制,还有两个更高级的功能。
 
一个是自动航行。潜航员只需按一下开关,发出指令让潜水器沿着某一航向航行,整个航向的保持就交给控制系统自动完成了。除了航向,潜水器还可自动保持在一定的水下深度、离海底的高度。自动航行可使潜航员在驾驶潜水器时,减轻部分劳动强度,放心从事其他工作。
 
另一个是悬停定位。潜航员对某一目标进行机械手作业时需要潜水器保持稳定,也需要控制系统来完成,使潜水器在机械手作业时不受海流、浮力、重力等影响,这样潜航员就可以集中精力操纵机械手。
 
“蛟龙”号总设计师徐芑南认为,自动航行功能和悬停定位功能是“蛟龙”号的领先优势之一,这两项功能使“蛟龙”号便于目标搜索和定位,可以在海底自由前后航行。
 
在陆地上可以通过GPS进行定位,但在水下由于没有参考点,定位非常困难。潜水器在水下的导航需要导航传感器加一定的导航控制软件来实现。
 
目前常用的方式是通过声学来定位,确定潜水器与母船之间的相对位置。“‘蛟龙’号的定位传感器系统由声学所负责,我们将传感器的信息解算后给出潜水器的位置状态。”王晓辉强调,“蛟龙”号的很多技术单靠一家单位无法实现,必须依靠各单位通力协作。“参加‘蛟龙’号攻关的约100家国内科研机构与企业是一个团队。”
 
综合信息显示与控制系统负责搜集各个传感器信息,将信息以直观的形式表现在载人舱内的计算机屏幕上,随时供潜航员掌握,并将反馈信息、指令信息等能搜集到的各类信息全部记录在硬盘上,同时,潜水器通过水声通讯与水面控制台交互信息,控制系统负责把信息解算出来,在水面控制台的计算机上显示并记录,水面控制台再把关键信息转发到现场指挥部,供更多的科学家与相关工作人员参考。
 
“此套控制系统是专为‘蛟龙’号开发的‘独生子’。”王晓辉说,“我们根据‘蛟龙’号的总体设计要求并配合其他子系统的设计,自主研发了这套独一无二的控制系统。”
 
自2002年以来,中科院沈阳自动化所近20人的团队参与了深海载人潜水器控制系统的研究、开发、试验、组装、调试、交付总装直到海试等各个阶段的工作。
 
在王晓辉看来,“蛟龙”号每深入一步都具有里程碑意义。“1000米级,是从无到有的技术突破;3000米级,是从有到可用的重大转折;5000米级,是海上试验结合具体应用的显著标志。”
 
明年冲击7000米深度,是“蛟龙”号的最初设计目标,也是交付使用前的终极目标。届时它的工作范围可覆盖全球海洋99.8%的区域。
 
“在这之前还有很多工作要做。”王晓辉表示,对于控制系统来说,完成5000米级海试后主要进行两方面工作:一是常规的维修维护保养,二是配合其他系统乃至全系统完成各种改进工作。“任何一个环节出现问题,7000米的目标都有可能受到影响。”
 
 
 
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