水下聲學定位

水下聲學定位是指用水聲設備確定水下載體或設備的方位、距離的技術。

基本介紹

• 中文名：水下聲學定位
• 外文名：underwater acoustic positioning
• 簡介：水聲設備確定水下載體
• 分類：長基線定位、短基線定位等
• 套用：海洋工程、國防建設
• 學科：海洋學

簡介

水下聲學定位（underwater acoustic positioning）是用水聲設備確定水下載體或設備的方位、距離的技術。根據從構成基陣的三個以上聲應答器接收到的聲脈衝信號到達時間或相位進行定位。按應答器基陣基線長度分為長基線定位（long baseline positioning），短基線定位（short baseline positioning）、超短基線定位（ultrashort baseline positioning）。

主要類型

通常用聲基線的距離或激發的聲學單元的距離來對聲學定位系統進行分類，下面為目前套用的主要三類聲學定位系統：

超短基線定位系統

超短基線的所有聲單元（≥3）集中安裝在一個收發器中，組成聲基陣，聲單元之間的相互位置精確測定，組成聲基陣坐標系，聲基陣坐標系與船的坐標系之間的關係要在安裝時精確測定，包括位置和姿態（聲基陣的安裝偏差角度：橫搖、縱搖和水平旋轉）。系統通過測定聲單元的相位差來確定換能器到目標的方位（垂直和水平角度）；換能器與目標的距離通過測定聲波傳播的時間，再用聲速剖面修正波束線，確定距離。以上參數的測定中，垂直角和距離的測定受聲速的影響特別大，其中垂直角的測量尤為重要，直接影響定位精度，所以多數超短基線定位系統建議在應答器中安裝深度感測器，藉以提高垂直角的測量精度。超短基線定位系統要測量目標的絕對位置（地理坐標），必須知道聲基陣的位置、姿態以及船艏向，這可以由GPS、運動感測器和電羅經提供。系統的工作方式是距離和角度測量（range/angie）。

超短基線的優點：低價的集成系統、操作簡便容易；只需一個換能器，安裝方便；高精度的測距精度。

超短基線的缺點：系統安裝後的校準需要非常準確，而這往往難以達到；測量目標的絕對位置精度依賴於外圍設備精度———電羅經、姿態感測器和深度感測器。

短基線定位系統

短基線定位系統由3個以上換能器組成，換能器的陣形為三角形或四邊形，組成聲基陣。換能器之間的距離一般超過lom，換能器之間的相互關係精確測定，組成聲基陣坐標系，基陣坐標系與船坐標系的相互關係由常規測量方法確定。短基線系統的測量方式是由一個換能器發射，所有換能器接收，得到一個斜距觀測值和不同於這個觀測值的多個斜距值，系統根據基陣相對船坐標系的固定關係，配以外部感測器觀測值，如GPS、MRU、Gyro提供的船的位置、姿態、船艏向值，計算得到目標的大地坐標。系統的工作方式是距離測量（range/range）。

短基線的優點：低價的集成系統、操作簡便容易；基於時間測量的高精度距離測量；固定的空間多餘測量值；換能器體積小，安裝簡單。

短基線的缺點：深水測量要達到高的精度，基線長度一般需要大於4om；系統安裝時，換能器需在船塢嚴格校準。

長基線定位系統

長基線系統包含兩部分，一部分是安裝在船隻上的收發器（transducer）或水下機器人，另一個部分是一系列已知位置的固定在海底上的應答器，至少三個以上。應答器之間的距離構成基線，長度在上百米到幾千米之間，相對超短基線、短基線，稱為長基線系統。長基線系統是通過測量收發器和應答器之間的距離，採用測量中的前方或後方交會對目標定位，所以系統與深度無關，也不必安裝姿態、電羅經設備，即長基線定位是基於距離測量。從原理上講，系統導航定位只需要2個海底應答器就可以，但是產生了目標的偏離模糊問題，另外不能測量目標的水深，所以至少需要3個海底應答器才能得到目標的三維坐標。實際套用中，需要接收4個以上海底應答器的信號，產生多餘觀測，提高測量的精度。系統的工作方式是距離測量（range/range）。

長基線系統的優點：獨立於水深值，具有較高的定位精度；多餘觀測值增加；對於大面積的調查區域，可以得到非常高的相對定位精度；換能器非常小，易於安裝。

長基線的缺點：系統複雜，操作繁瑣；數量巨大的聲基陣，費用昂貴；需要長時間布設和收回海底聲基陣；需要詳細對海底聲基陣校準測量。

組合定位系統

組合系統有多種形式，組合系統的最大優點是選取不同系統的優勢，提高定位精度、擴大套用範圍，但是組合系統的設備組成和操作也變得更為複雜，組合系統一般是套用戶的特殊需要定製，目前套用較多的是超短基線/長基線組合系統和超短基線/短基線組合系統。系統的工作方式是距離測量（range/range）或距離角度測（range/angie）。

發展現狀

國內技術現狀

國內已有成熟的聲學定位技術，但不能滿足長距離的定位需要。哈爾濱工程大學已研製出三種超短基線定位系統：“深水重潛裝潛水員超短基線定位系統”；“探索者”號水下機器人超短基線定位系統；“滅雷具配套水聲跟蹤定位裝置”。前兩種都是簡易的系統，僅用於近程的特殊使用場合，最後一種是型號產品，該系統的顯著優點是淺海定位性能優良，即使對於水平方向（目標俯仰角為0 ）的目標，定位精度仍優於3%斜距，淺海作用距離達到3km，可實時給出3個目標的軌跡。這些系統由於種種原因，沒有推向市場。

中科院聲學所、廈門大學、6971廠、國家海洋局海洋技術研究所等單位在聲學定位技術領域都進行過廣泛研究。

國外技術現狀

國外對聲學定位系統研究較早的是挪威Kongs-bergSimrad公司。該公司產品涵蓋了超短基線、短基線和長基線三種類型，其研究開發有近30年的歷史，有一系列成熟的產品投入到軍方及民用。

法國OCEANOTechnoIogies公司（原MORS公司）於1997年推出的POSIDONIA6000長程超短基線定位系統，工作水深6000m，最大作用距離8000m，在6000m水深、30 開角範圍內，測距精度為0.5%斜距，詢問頻率為8~14kHz，應答頻率為14~18kHz，該系統已經成功地推向市場。此外，英國的Sonardyne公司，是一家專門從事生產水下聲學儀器設備的廠家，其產品也涵蓋三種類型。另外，澳大利亞的Nautronix公司、美國的ORE公司也從事聲學定位系統的技術研究及產品開發。

多數的聲學定位系統採用聲脈衝群定位技術（tonebur stranging technigues），該技術是用固定的頻率按一定的探測方向發射，所有用此技術的定位系統都使用正的信噪比，這種技術容易降低信噪比，使系統探測的範圍及精度降低。現在有些公司，如Nautronix、Sonardyne等公司正在試驗或已經初步開發了一種稱為擴展頻譜定位技術（spread spectrumranging technigues），相對於聲脈衝群距離修正技術，該技術可以將信噪比提高6~12dB，使用這項技術可以得到亞米級的距離測量解析度，並且對水面的噪聲要求不嚴；另外一些公司，如Kongsberg Simrad公司，使用波束控制（beam steering）、零控（nuIIsteer-ing）、自適應噪聲消除（adaptive noise canceIing）、聲學柵隔（acousticbaffIes）等技術已經開發或正在試驗新的產品。

套用

聲學定位技術是國民經濟建設和國防建設的基本技術，具有廣泛的用途，主要包括：

海洋工程———海洋油氣開發、海底光纜管線鋪設及維護等工程，提供水下導航定位技術支持。大洋調查———利用深拖設備如ROV、UUV、AUV等進行深海礦產資源的探測和開發。

國防建設———潛艇、水面艦隻的調遣、作戰航行離不開導航定位，特別對潛艇來說，僅僅依靠無線電、GPS、慣性導航是不夠的，而使用聲學定位系統導航，再配合電子海圖，則可以大大提高潛艇的作戰能力。

其他方面———海洋災害性地質研究、水下考古探測等，需要聲學定位系統為其資料提供準確的空間位置。