水声定位基本原理与发展趋势

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1、一、水声定位技术简介 自从 1912 年在美国出现了第一台水声测深仪以后，开始有了水声助航设备。 二战中， 对水下目标的探测和测量受到了重视， 并在战后得到了迅速的发展。 1958 年，美国华盛顿大学应用物理实验室在达波湾建成了三维坐标跟踪水下武器靶 场。这种水下定位跟踪技术在六十年代后期得到广泛应用，成为鱼雷靶场的主要 测试方法。迄今为止，国内外水下武器靶场使用的水下定位跟踪系统有多种类型， 按其安装方式可分为固定式跟踪系统、 活动式 (船载)跟踪系统和轻便式跟踪系统。 固定式跟踪系统的水下测量设备大多数固定在海底，其范围大、 费用高，只能在 固定海区使用； 活动式跟踪系统的全部设备都固定安

2、装在活动平台上，试验时随 活动平台开往试验海区； 轻便式跟踪系统的体积和重量相对较小，可以随时布放 和回收，并可通过飞机、 车辆和船只从一个试验区运送到另一个试验区。这三种 水下定位跟踪系统虽然在结构上有较大差别，但在原理上均是依赖于几何原理的 水声学定位方法。根据接收基阵的基线可以将水声定位技术分为三类：长基线 (LongBase-Line) 、短基线 (Short Base-Line) 、超短基线 (Ultra Short Base-Line) 。表 1.1 列举了这三种水声定位技术的典型基线长度。 表 1.1 水声定位技术分类 定位类型基线长度 (m) 简称 长基线1006000 LBL

3、 短基线2050 SBL 超短基线0.5 USBL, SSBL 长基线水声定位系统的基阵长度在几公里到几十公里的量级，利用测量水下 目标声源到各个基元间的距离确定目标的位置。短基线水声定位系统的基阵长度 一般在几米到几十米的量级，利用目标发出的信号到达接收阵各个基元的时间 差，解算目标的方位和距离。 超短基线定位系统的基阵长度一般在几个厘米到几 十厘米的量级， 它与前两种不同， 利用各个基元接收信号间的相位差来解算目标 的方位和距离。 若按照工作方式来划分， 以上三种定位系统都可以选择使用同步信标工作方 式或应答器工作方式。 采用同步信标工作方式， 要求在待测目标或测量船上都安 装高精度同步时

4、钟系统， 信标按规定的时刻定时发射信号， 并据此确定目标位置。 应答器工作方式要求在应答和测量船上都安装询问(应答)发射机和接收机。 通常所说的水声定位系统所测得的目标位置统)结合起来进行坐标变换， 就能 得到水下目标在大地几何坐标中的位置或轨迹。坐标，都是相对于某一参照物的 位置而言。这个参照物有时就是基阵的载体(通常相对坐标系的某一个轴线和舰 船的艏艉线重合 )，它并不真正给出目标的大地几何坐标位置。然而水声定位系 统和其他的导航系统 (如近年来获得广泛应用的卫星导航定位系统)结合起来进行 坐标变换，就能得到水下目标在大地几何坐标中的位置或轨迹。 二、水声定位系统 迄今为止， 水下目标定位

5、跟踪的主要手段仍是依赖于几何原理的水声学 定位方法。通常用声基线的距离或激发的声学单元的距离来对声学定位系统进行 分类。水声定位系统，根据所实施的原理和测量手段不同，又可分为“方位-方 位” 、 “方位 -距离”和“距离 -距离”三种测量系统。大部分的长基线、短基线 系统都属于后者。距离测量水声定位系统是通过测量水下声源所辐射的声信号从 发射到接收所经历的时间及声速来确定声源到各接收点的距离，从而实现对目标 进行定位的。2.1 超短基线定位系统 如图 1 所示，超短基线定位系统的所有声单元(三个以上 )，集中安装在一个 换能器中，组成声基阵，声单元之问的相互位置精确测定，组成声基阵坐标系， 声

6、基阵坐标系与船的坐系之间的关系要在安装时精确测定，包括位置(X、Y、Z 偏差)和姿态 (声基阵的安装偏差角度：横摇、纵摇和水平旋转)。系统通过测定声 单元的相位差来确定换能器到目标的方位(垂直和水平角度 )；换能器与目标的距 离通过测定声波传播的时间， 再用声速剖面修正波束线确定距离。以上参数的测 定中，垂直角和距离的测定受声速的影响特别大，其中垂直角的测量尤为重要， 直接影响定位精度，所以多数超短基线定位系统建议在应答器中安装深度传感 器，借以提高垂直角的测量精度。超短基线定位系统要测量目标的绝对位置(地 理坐标 )，必须知道声基阵的位置、姿态以及船舷向，这可以由GPS ，运动传感 器和电罗

7、经提供。系统的工作方式是距离和角度测量(range/angle)。图 1 超短基线定位系统示意图 超短基线的优点：低价的集成系统、操作简便容易；只需一个换能器，安装 方便；高精度的测距精度。超短基线的缺点：系统安装后的校准需要非常准确， 而这往往难以达到；测量目标的绝对位置精度依赖于外围设备精度一一电罗经、 姿态传感器和深度传感器。 2.2 短基线定位系统 如图 2 所示，短基线定位系统由3 个以上换能器组成，换能器的阵形为三角 形或四边形， 组成声基阵。 换能器之间的距离一般超过10m，换能器之间的相互 关系精确测定， 组成声基阵坐标系， 基阵坐标系与船坐标系的相互关系由常规测 量方法确定。

8、 短基线系统的测量方式是由一个换能器发射，所有换能器接收， 得 到一个斜距观测值和不同于这个观测值的多个斜距值，系统根据基阵相对船坐标 系的固定关系，配以外部传感器观测值，如GPS 、MRU、Gyro提供的船的位置、 姿态、船艏向值，计算得到目标的大地坐标。系统的工作方式是距离测量 (range/range)。 短基线的优点：低价的集成系统、操作简便容易；基于时问测量的高精度距 离测量；固定的空间多余测量值；换能器体积小，安装简单。短基线的缺点：深水测量要达到高的精度， 基线长度一般需要大于40m；系统安装时， 换能器需在 船坞严格校准。图 2 短基线定位系统示意图 2.3 长基线定位系统图

9、3 长基线定位系统示意图长基线系统包含两部分，一部分是安装在船只上的换能器或水下机器人，另 一个部分是布放在海底固定位置的应答器(三个以上 )。应答器之问的距离构成基 线， 基线长度按所要求的工作区域及应答作用距离确定，在上百米到几千米之间， 相对超短基线、 短基线，称为长基线系统。 长基线系统是通过测量换能器和应答 器之间的距离，采用测量中的前方或后方交会对目标定位，所以系统与深度无关， 也不必安装姿态、电罗经设备，即长基线定位是基于距离测量。从原理上讲，系 统导航定位只需要2 个海底应答器就可以， 但是产生了目标的偏离模糊问题，另 外不能测量目标的水深，所以至少需要3 个海底应答器才能得到

10、目标的三 维坐标。实际应用中，需要接收4 个以上海底应答器的信号，产生多余观测，提 高测量的精度。系统的工作方式是距离测量(range/range)。 长基线系统的优点： 独立于水深值， 具有较高的定位精度； 多余观测值增加； 对于大面积的调查区域， 可以得到非常高的相对定位精度；换能器非常小， 易于 安装。长基线的缺点：系统复杂，操作繁琐；数量巨大的声基阵，费用昂贵；需 要长时间布设和收回海底声基阵；需要详细对海底声基阵校准测量。 2.4 组合定位系统 为了解决水下仪器导航定位的问题， 国外一些研究人员已经尝试研制出了一 些联合式的声学定位系统， 如图 4 所示。组合系统有多种形式， 主要是

11、 3 种声学 定位系统的不同组合。例如L/USBL, L/SBL,S/USBL,L/SBL/USBL等等。图 4 组合定位系统示意图 组合系统的最大优点是选取不同系统的优势，提高定位精度、扩大应用范围 但是组合系统的设备组成和操作也变得更为复杂，组合系统一般是应用户的特殊 需 要 定 制 。 系 统 的 工 作 方 式 是 距 离 测 量 (range/ range)或 距 离 角 度 测 量 (range/angle)。1.1.1 主动定位技术 长基线系统是水声定位技术的经典系统，其主动定位方式通过测量收发器和 各个应答器之间的距离， 采用测量中的前方或后方交汇对目标定位，所以系统与 深度无

12、关，也不必安装姿态仪、电罗经等设备，即长基线定位是基于距离测量。 解算方式有同步球面解算、 非同步双曲面解算和等时自动跟踪解算三种。一般来 说，长基线系统多是大型固定安装系统，跟踪范围达数百平方公里。 主要优点是 精度高、可靠性好、建造费用低、适用于大型深水靶场;缺点是系统复杂、操作 繁琐、布设和收回水听器需要时间长。 目前在国际市场上性能较好的长基线定位 系统有美国 Sonardyne公司的 Fusion系列的长基线定位系统， 该系列产品可用于 水下仪器设备的连续跟踪定位， 也可应用于复杂的深海工程建设项目、 矿石开采、 海难救援等。挪威Simrad公司的 HPR408S型长基线定位系统具有

13、自动校准功能 的异频收发阵，使得整个系统在超过3000m 的作用范围内可以达到几厘米的定 位精度。 HPR408S型长基线定位系统因其高精度、高可靠性、数据更新率高(定 位数据更新时间在2s 左右)的特点，己经被广泛应用于水下机器人、深拖系统等 水下设备的导航定位。国内比较典型的有哈尔滨工程大学于2002 研制的 GRAT 系统，系统由 10 个水面浮标、 1 个中继站和船载显控分系统构成，并于2004 年 扩容至 16 个浮标和 2 个中继站，可同时跟踪 5 个目标，跟踪能力可达 35 x Skm a 1.1.2 被动定位技术 目前的被动定位技术主要有3 种类型 :三元子阵定位，目标运动分析

14、(TMA) 和匹配场处理 (MFP) 。 三元子阵定位是通过测量各基元的相对时延，估计目标的距离和方位。 测距 精度与时延估计精度、目标距离、方位、基阵孔径和基阵安装精度等因素有关， 其中时延测量精度是关键。最为著名的系统是上世纪六十年代法国研制的 DUUX-5 ，迄今西方发达国家的艇载被动测距声纳仍以DUUX-5为主 要的装备声纳。 目标运动分析是目前技术上较为成熟的一种远程定位方法。传统的TMA 方 法以平面波传播模型为基础，实现方式主要有纯方位TMA 和频率 -方位 TMA。 纯方位 TMA仅利用方位信息进行目标运动参数(距离、方位、速度等 )的估计，为 了解决可观测性问题，观测平台必须

15、机动，这限制了该方法的实际应用;频率 方位 TMA 即利用观测量频率和方位估计目标运动参数，频率信息的引入，使得 该方法不要求观测平台机动， 提高了实用性。 但传统的目标运动分析方法检测在 先，定位在后，要求信噪比足够高，以便在短时间内获得可靠的频率和(或)方位 估计值，保证TMA 算法的有效实施。显然，随着声呐作用距离的提高，传统的 TMA 方法愈来愈难以满足实用要求。为了在远距离、低信噪比情况下获得可靠 的 TMA 解，相继出现了许多改进的TMA 方法。如时空综合被动定位方法(STI) 、 多途 TMA 方法等。 TMA 方法定位的关键是利用目标运动的动态信息，与三元子 阵定位相比， TM

16、A 算法的运算量有所增加，因此算法的快速实现也是算法的研 究热点。 匹配场处理技术的提出是水声信号处理领域的一个重大进展，充分利用了声 源、信道和环境等一切可利用的信息资源。其基本原理是:采集水听器测得的声 场数据 ;选择一个有关输入参数 (如声速 )已知的传播模型， 利用这一模型对选定的 不同侯选距离和深度计算声源所产生的相应声场;然后将测量场与拷贝场作互相关，呈现最大相关的侯选距离和深度就是该声源的真实距离和深度。三维匹配场 定位可以看作是一维平面波波束形成器的推广，平面波波束形成器在所有可能的 方位使声场测量值与平面波声场相“匹配”，而广义的匹配场波束形成器对于所 有可能的目标位置使测量场与拷贝场相匹配。近年来，随着研究的深入， 匹配场 处理技术逐渐走向实用阶段， 宽带、稳健、自适应的匹配场处理技术成为研究热 点，以试验研究带动理论研究成为主要的研究方法。 1.2 1.2.1 主被动水声定位系统简介 系统概述 主被动水声定位系统简称APUTM ，用于实现对竖直向上的高速运动目标的 定位与跟踪。 系统能以主动方式或被动方式独立工作，主动方式依赖于目标所携