综述：水下声学释放技术：综述及专为马里亚纳海沟设计的HAR11000装置

《Ocean Engineering》：Underwater acoustic release: A comprehensive review and HAR11000 designed for the Mariana Trench

水下声学释放装置关键技术综述及HAR11000应用研究。本文系统梳理了水下声学释放装置的核心技术挑战，包括低复杂度可靠远程通信算法（FSK/MC-FSK/FHSS/DSSS）设计与深海高负载释放机制（电机驱动 pelican钩/推杆机构），分析了11家科研机构产品在深度、负载、通信距离等指标上的差异。重点阐述自主研发的HAR11000集成式深海声学释放系统，其采用Legendre序列正交CSK通信技术实现15.13km超远距离通信，创新性设计两阶杠杆机械结构可承载10吨负载，在2021年马里亚纳海沟挑战者深渊成功完成四次载人探测设备精准释放回收任务，最大工作深度达11.09km，验证了该系统在极端深海环境下的可靠性和先进性。

　　### 深海声学释放技术的演进与创新

声学释放作为深海探测和海洋工程中的重要设备，其功能主要体现在远程控制和设备释放两个方面。在深海环境中，声学释放技术的应用场景极为广泛，从海底通信站、水下无线网络节点到各种科学探测设备的回收，它在海洋研究中发挥着不可替代的作用。然而，随着海洋探索深度的不断拓展，声学释放技术也面临着诸多挑战，包括深海信道环境的复杂性、设备的可靠性以及远程控制的抗干扰能力。因此，近年来研究人员在多个方面对声学释放技术进行了深入探索和创新。

#### 声学释放技术的核心挑战

在深海声学释放系统的设计和运行过程中，两大关键挑战始终存在：一是实现低复杂度且可靠的水下声学远程控制，二是确保在深海环境中对大型负载的稳定释放。这些挑战源于深海信道的特殊性质，例如强噪声干扰、多路径传播效应以及多普勒频移等。这些问题不仅影响远程控制的准确性，还可能对设备的释放过程造成干扰，导致设备无法正常工作或损坏。

此外，深海环境的极端条件，如高压、低温和黑暗，也对声学释放的结构设计和材料选择提出了更高的要求。为了保证设备在这些条件下正常运行，研究人员必须在可靠性、耐久性和成本之间找到平衡点。例如，使用高强度材料、优化机械结构设计、提高电子设备的抗压能力等，都是提升声学释放性能的重要方向。

#### 远程控制算法的发展

为了克服水下声学信道的复杂性，提高远程控制的稳定性，研究人员不断探索新的信号编码和传输技术。目前，主流的水下声学远程控制算法主要包括连续波调制（CW）、多载波频移键控（MC-FSK）、跳频扩频（FHSS）和直接序列扩频（DSSS）等。

其中，CW 调制是最简单的方法，适用于浅海环境，但由于其抗干扰能力较弱，难以满足深海探测的需求。MC-FSK 在 CW 的基础上引入了多载波技术，提高了通信速率和抗干扰能力，适用于中等深度的水下设备控制。FHSS 则通过动态调整频率来减少多路径干扰，适用于复杂环境下的稳定通信，但其通信速率较低。DSSS 通过扩展信号带宽来提高抗干扰能力和通信安全性，尽管其计算复杂度较高，但在深海探测中因其优异的性能而被广泛应用。

为了进一步优化这些算法，研究人员还尝试了多种组合方式，例如将伪随机编码与宽带多址技术结合，或在特定深度使用特定频率段进行信号传输。这些技术的不断进步，使得声学释放设备在深海环境中能够实现更加稳定和高效的远程控制。

#### 释放机制的创新

在释放机制方面，当前主流技术包括电机驱动的鹈鹕钩、电机驱动的推离装置、烧断线以及电解腐蚀等。其中，电机驱动的鹈鹕钩因其高可靠性和大负载能力，成为深海环境下的首选方案。该机制通过电机驱动钩子的开启或闭合，实现设备的释放，适用于需要承受较大压力和负载的场景。

电机驱动的推离装置则更适合浅海环境，因其结构简单且能够有效抵抗生物附着和沉积物堆积。然而，其负载能力有限，通常适用于轻型设备的释放。烧断线机制虽然结构简单、响应迅速，但其负载能力较低，且需要定期更换，限制了其在长期任务中的应用。电解腐蚀机制则通过电流作用使连接件逐渐腐蚀，从而实现设备的释放，适用于低速释放需求的场景。

为了提高释放机制的可靠性，一些研究机构还引入了冗余设计，例如并行的释放装置或多重信号传输系统。这些设计能够在单一设备失效时，提供备用方案，确保释放任务的顺利完成。此外，为了应对深海环境中的特殊需求，一些新型释放机制正在被开发，例如基于气体压力的释放系统、电磁触发机制以及热激活机制等。

#### 一体化声学释放设备的发展

随着技术的进步，越来越多的声学释放设备被设计为一体化系统，集成了远程控制、通信和释放功能。这种设计不仅提高了设备的综合性能，还降低了系统复杂度，减少了维护成本。目前，多家研究机构和公司已推出多种一体化声学释放设备，例如 aae technologies 的 1519 系列、ACOUSNET 的 ART 系列、Benthos 的 R 系列、EdgeTech 的 PORT 系列等。

这些设备在深度、负载能力和通信距离等方面各有优势。例如，Benthos 的 R12K 模型能够承受高达 4540 公斤的负载，适用于深海探测任务；iXblue 的 Oceano 2500T 模型则具有 12 公里深度评级和 5000 公斤负载能力，适用于极端环境下的科学探测。Harbin Engineering University（哈尔滨工程大学）研发的 HAR11000 则是目前最具代表性的深海声学释放设备之一，其最大深度达到 11 公里，释放负载能力为 10,000 公斤，通信距离超过 15 公里，充分展现了其在深海环境中的强大性能。

#### HAR11000：深海声学释放的突破性设计

HAR11000 是哈尔滨工程大学为应对深海探测需求而开发的全新一代一体化声学释放设备。该设备集成了远程控制和通信功能，能够在极端深海环境中实现高效、稳定的设备释放和回收。其设计采用了多种先进技术，包括基于快速沃尔什哈达玛变换（FWH）的水下声学远程控制方法、基于勒让德序列的正交 CSK 扩频通信技术以及两阶段杠杆机械释放机制。

在远程控制方面，HAR11000 采用基于 FWH 的水下声学信号处理方法，通过优化信号检测流程，提高了通信效率和系统稳定性。这种方法能够有效降低信号处理的复杂度，从而减少设备的功耗和体积，使其更适用于深海环境。同时，为了提高通信安全性，HAR11000 还采用了基于勒让德序列的正交 CSK 扩频通信技术，这种技术能够提高抗干扰能力，同时保持较高的通信速率，适用于深海环境下的复杂通信需求。

在释放机制方面，HAR11000 采用了两阶段杠杆机械释放系统，通过优化机械结构设计，使其能够在深海高压环境下稳定工作。该系统由主钩、次级杠杆、狗牙离合器、限位环和限位开关等组成，能够承受高达 10,000 公斤的负载。通过有限元分析，研究人员验证了该释放机制在深海环境下的强度和可靠性，确保其能够在极端条件下正常工作。

#### 实际应用与测试成果

HAR11000 已在多个深海任务中得到了实际应用，特别是在 2021 年对马里亚纳海沟中的“天涯”深渊潜航器进行回收任务中表现突出。在该任务中，HAR11000 成功实现了在 10.92 公里深度的稳定通信和释放操作，其最大通信距离达到了 15.13 公里，展现了其在深海环境下的卓越性能。

此外，HAR11000 还具有较长的使用寿命，其内部电池能够支持连续运行超过四年，使其适用于长期部署的深海任务。其低功耗设计也使其能够在深海环境中长时间保持工作状态，为海洋科学研究提供了强有力的支持。

#### 未来发展趋势与挑战

尽管 HAR11000 在深海声学释放技术方面取得了显著进展，但随着深海探索的深入，声学释放技术仍然面临诸多挑战。首先，如何进一步提高设备的集成度和抗干扰能力，是未来研究的重点。随着海洋工程对智能化和自动化的追求，声学释放设备需要具备更强的自主性和适应性。

其次，如何提升通信的安全性和隐蔽性，也是未来发展的关键方向。随着水下通信技术的进步，研究人员需要开发更加安全的编码方式，以防止信号被干扰或截获。同时，为了适应更加复杂的海洋环境，声学释放设备还需要具备更高的抗干扰能力和更广的通信范围。

最后，标准化和规范化问题仍然存在。目前，不同研究机构和公司开发的声学释放设备在性能、功能和设计上存在较大差异，缺乏统一的标准。因此，建立行业标准，推动声学释放设备的标准化发展，是未来海洋工程的重要任务之一。

#### 结语

声学释放技术作为深海探测和海洋工程的重要组成部分，其发展不仅关系到海洋科学研究的顺利进行，也影响到实际应用中的安全性和可靠性。随着技术的不断进步，声学释放设备在深度、负载能力和通信距离等方面取得了显著提升，特别是在深海环境中，一体化设备如 HAR11000 已经展现出强大的性能和应用潜力。

然而，面对深海环境的复杂性和日益增长的应用需求，声学释放技术仍然需要进一步优化和创新。未来的研究方向应包括提高设备的集成度、降低功耗、增强通信安全性和抗干扰能力，以及推动标准化和规范化发展。只有这样，才能更好地满足深海探索的需要，为海洋科学研究和工程应用提供更加可靠和高效的解决方案。