水声定位
水声定位算法学习总结
水声定位算法学习总结一、无线传感器定位技术分类目前定位技术广泛地应用到各个领域，而且出现了很多定位算法，常用的定位方法有：到达角（Angel of Arrival，AOA）定位、到达时间（Time of Arrival，TOA）定位、到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位以及AOA／TOA、AOA／TDOA等混合定位的方法。
选择哪种定位方法要根据定位精度、硬件条件等因素来确定，但是最终目的是要用优化的方法得到满意的定位精度。
在没有时间同步信号时，往往采用TDOA定位方法，TDOA定位法可消除对移动台时间基准的依赖性，因而可以降低成本并仍然保证较高的定位精度，但是需要有较好的延时估计方法，才能保证较高的时延估计精度。
（1）基于测距的定位技术基于测距的定位方法依靠测量相邻节点之间的距离或者方向信息。
现在有很多成熟的算法被用于基于测距的定位。
例如TOA算法通过信号传播时间获取距离，TDOA算法利用接收从多个节点发出信号的时间差估测位置，而AOA算法则通过为每个节点设置天线阵列来测量节点间的相对方向角度值。
（2）无需测距的定位技术无需测距的定位方法不要求距离信息，只依靠有关待定位传感器与种子节点之间连通性的测量数据。
这种定位方法对硬件要求低，但是测量的准确度容易被节点的密度和网络条件所影响，因此不能被对精度要求高的基于WSN的应用采用。
二、三边定位和多变定位（1）信号强度（RSS，Received Signal Strength）通过信号在传播中的衰减来估计节点之间的距离，无线信道的数学模型PLd=PLd0-10nlogdd0-Xσ。
尽管这种方法易于实施，但却面临很多挑战。
首先信道由于受到信道噪声、多径衰减（Multi-path Fading）和非视距阻挡（Non-of- Sight Blockage）的影响[1]，具有时变特性，严重偏离上诉模型；其次衰减率会随外界环境的不同而发生相应改变。
水声定位基本原理与发展趋势
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。
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。
水声被动定位技术及其发展趋势
水声被动定位技术及其发展趋势水声被动定位技术是利用水声信号在水中传播的特性来实现目标的定位和跟踪的一种技术。
该技术主要基于接收到的来自目标发出的声波信号、水声信道的特性以及接收器间的相对位置来确定目标的位置。
被动定位系统不需要目标进行任何操作，它可以在目标感知不到的情况下对目标进行定位。
水声被动定位技术可以应用于海洋资源勘探、军事侦察、海上安全监测等众多领域。
随着科技的发展，水声被动定位技术也在不断地发展和完善。
第一代水声被动定位技术主要依赖声目标发射的信号，通过测量信号的到达时间和方位角度，得到目标位置信息。
这种技术缺点是只能定位单个目标，定位精度受到信号质量和环境噪声的影响较大。
第二代水声被动定位技术是基于多传感器的概念，多个接收器同时接收到来自空间中多个目标的信号，通过分析信号的相位差、信号强度差等信息来定位多个目标。
这种技术可以有效地提高定位精度和目标跟踪能力，但是需要更加复杂的算法和数据处理能力。
第三代水声被动定位技术又称“自适应”水声被动定位技术，主要应用于复杂电磁环境中。
自适应算法可以根据环境信噪比和目标信号特征来调整各传感器的参数和权重，以提高定位精度和抑制环境噪声。
自适应技术还引入了目标信号的自动识别和跟踪功能，大大提高了系统的自动化程度。
未来，水声被动定位技术将面临新的挑战和机遇。
随着深海勘探的发展，需要更加精确的水声定位技术来支持深海遥控设备的操作；水下自主机器人的大规模应用也需要更加高效的目标自动识别和跟踪算法。
同时，随着水声通信技术的不断发展，水声被动定位技术也可以结合水声通信技术来实现更加智能化的水下传感器网络。
因此，水声被动定位技术在水下大数据应用、远程控制和水下通信等方面也将会得到更加广泛的应用和研究。
水声通信系统中的定位与跟踪技术研究
水声通信系统中的定位与跟踪技术研究在当今的科技领域中，水声通信系统扮演着至关重要的角色。
它在海洋探索、水下军事行动、资源开发以及科学研究等众多方面都有着广泛的应用。
而在水声通信系统中，定位与跟踪技术则是其关键组成部分，对于实现高效、准确的水下信息传输和目标监测具有不可替代的作用。
首先，我们来了解一下水声通信系统的基本原理。
简单来说，它就像是在水下的“无线电通信”，但由于水的物理特性与空气有很大的不同，使得水声通信面临着诸多独特的挑战。
水对声音的吸收、散射以及多径传播等现象，都会严重影响声音信号的传播质量和距离。
在这样复杂的环境中，要实现对目标的准确定位与跟踪并非易事。
定位技术主要依靠测量目标发出或反射的声音信号的到达时间、到达角度、信号强度等参数来确定目标的位置。
常见的定位方法包括基于时间差的定位、基于角度测量的定位以及基于信号强度的定位等。
时间差定位法是通过测量声音信号到达不同接收器的时间差来计算目标的位置。
这种方法需要多个接收器精确同步工作，并且对时间测量的精度要求极高。
一旦时间测量出现微小的误差，就可能导致定位结果出现较大的偏差。
角度测量定位法则是通过测量声音信号到达接收器时的角度来确定目标的方向，进而计算出目标的位置。
这需要接收器具备高精度的角度测量能力，并且在实际应用中，由于水下环境的复杂性，角度测量往往会受到干扰，影响定位的准确性。
信号强度定位法是根据声音信号在传播过程中的衰减规律，通过测量接收信号的强度来估算目标与接收器之间的距离。
然而，水对声音的吸收和散射会导致信号强度的变化非常复杂，使得这种方法的精度受到一定限制。
除了定位技术，跟踪技术也是水声通信系统中的关键环节。
跟踪的目的是持续监测目标的运动状态，包括速度、方向等，并及时更新目标的位置信息。
常见的跟踪算法有卡尔曼滤波、粒子滤波等。
卡尔曼滤波是一种基于线性系统模型的最优估计方法。
它通过对目标的状态进行预测和更新，能够在存在测量噪声的情况下，较为准确地估计目标的状态。
水声定位算法学习总结
定位算法学习总结一、无线传感器定位技术分类目前定位技术广泛地应用到各个领域，而且出现了很多定位算法，常用的定位方法有：到达角（Angel of Arrival，AOA）定位、到达时间（Time of Arrival，TOA）定位、到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位以及AOA ／TOA、AOA／TDOA等混合定位的方法。
选择哪种定位方法要根据定位精度、硬件条件等因素来确定，但是最终目的是要用优化的方法得到满意的定位精度。
在没有时间同步信号时，往往采用TDOA定位方法，TDOA定位法可消除对移动台时间基准的依赖性，因而可以降低成本并仍然保证较高的定位精度，但是需要有较好的延时估计方法，才能保证较高的时延估计精度。
（1）基于测距的定位技术基于测距的定位方法依靠测量相邻节点之间的距离或者方向信息。
现在有很多成熟的算法被用于基于测距的定位。
例如TOA算法通过信号传播时间获取距离，TDOA算法利用接收从多个节点发出信号的时间差估测位置，而AOA算法则通过为每个节点设置天线阵列来测量节点间的相对方向角度值。
（2）无需测距的定位技术无需测距的定位方法不要求距离信息，只依靠有关待定位传感器与种子节点之间连通性的测量数据。
这种定位方法对硬件要求低，但是测量的准确度容易被节点的密度和网络条件所影响，因此不能被对精度要求高的基于WSN的应用采用。
二、三边定位和多变定位（1）信号强度（RSS，Received Signal Strength）通过信号在传播中的衰减来估计节点之间的距离，无线信道的数学模型。
尽管这种方法易于实施，但却面临很多挑战。
首先信道由于受到信道噪声、多径衰减（Multi-path Fading）和非视距阻挡（Non-of- Sight Blockage）的影响[1]，具有时变特性，严重偏离上诉模型；其次衰减率会随外界环境的不同而发生相应改变。
根据接收到的信号估计出的距离d 将有很大误差。
水声定位系统算法研究
水声定位系统算法研究1.引言水声定位系统是一种广泛应用于海洋、水下物探、水下通信及水下机器人等领域的技术。
水声定位技术具有定位精度高、适应海底环境等特点，因此受到重视。
定位系统的关键是算法，本文旨在探讨水声定位系统中的算法。
2. 水声定位系统基础水声定位技术包括超声波、声呐和声纳等技术，其中以超声波技术最为常用。
超声波是一种高频声波，根据声波在水中的传播速度和接收时间差来测量目标物体的距离。
声呐和声纳是利用声波在水中的传播特性，通过控制声波的发射和接收实现目标物体的定位。
水声定位系统通常由超声发射器、超声接收器和计算机三部分组成。
其中发射器发出超声波信号，接收器接收信号，计算机进行信号处理和定位计算。
3. 水声定位算法研究3.1 距离定位算法距离定位算法是一种简单常用的定位算法，其定位原理是根据声波传播速度和声波发射与接收时间差计算目标物体到发射器与接收器之间的距离，由此确定目标物体的位置。
该方法适用于目标物体距离较远但定位精度要求不高的场合，如海洋频段的目标物体。
3.2 角度定位算法角度定位算法是在距离定位算法的基础上加入角度信息，通过三角定位计算目标物体的位置。
该算法需要至少三个超声发射器和至少三个超声接收器，利用发射器和接收器之间的角度信息来计算目标物体的位置。
该方法定位精度较高，适用于在水下环境中需要高精度定位的应用场合。
3.3 最小二乘法定位算法最小二乘法定位算法是一种利用最小二乘原理来计算目标物体位置的方法。
该方法利用多个超声发射器和接收器发射和接收声波，并且测算出目标物体到发射器和接收器之间的距离和时间差。
在此基础上通过最小化误差平方和来得到目标物体的位置信息。
该方法适用于需要高精度定位的场合。
4. 算法应用实例4.1 海底石油管道检测海底石油管道是一种重要的能源输送管道，为保障其安全运输，需要对其进行定位和检测。
通过水声定位系统，可以定位管道的位置和检测管道的状态，如是否有渗漏或磨损等情况。
超短基线水声定位课件
超短基线（USBL）主要用户——水下打捞与救助系统
• 中国交通下属海事局、救助打捞局以及文物考古所等。
如海底沉船、失事飞机残骸的搜索打捞作业中必须动用ROV或AUV对失事区域进行大范围 搜索，同样需要水声定位系统，水声定位系统可监测引导ROV/AUV 的行进路线。
蛟龙号上使用的长基线定位系统
超短基线（USBL）主要用户——水下工程施工
水声定位产品在水下铺排定位的应用
• RTKGPS参考站
水声定位产品在水下铺排定位的应用
• 水下应答器定位结果：
x 3508773.077
x 3508772.986
高斯投影平面坐标对比 RTKGPS参考值： y 12075.115 测量值: y 12075.535
h 19.905
h 19.252
水声定位产品在水下铺排定位的应用
应答器编号 33 31 40
x（米） 3466136.744 3466109.662 3466118.658
y（米） 384922.491 384908.772 384960.271
第一张排布上应答器的高斯投影平面坐标
水声定位产品在水下铺排定位的应用
实际施工后测量 第二张排布测量结果 3月7日下午2点施工，至晚上8点完成施工，排上放置5个应答器 （编号为3,23,28,42,46）。 第二天上午进行测量，5个应答器全部正常应答，测量结果如下：
水声定位产品在水下铺排定位的应用
铺排过程中，采用超短基线定位模式， 对排体位置进行实时跟踪，指导施工。
排布铺设完毕后，采用长基线定位模 式，对排体在水下的最终位置进行高 精度定位检测，定位精度达到0.5米以 内。
水声定位产品在水下铺排定位的应用
• 用于铺排作业定位的 抛弃型应答器
水声定位的原理与应用
水声定位的原理与应用1. 引言水声定位是一种利用水中传播的声波进行目标定位的技术。
其原理基于声波在水中的传播特性以及目标反射、散射声波的物理效应，因此在海洋科学研究、海洋工程、海洋资源开发等领域有广泛的应用。
本文将介绍水声定位的原理和其在不同领域中的应用。
2. 原理水声定位基于声波在水中传播的特性，通过测量声波的传播时间和方向来确定目标的位置。
主要原理包括声速测量、时间差测量和方位角测量。
2.1 声速测量声速是水声定位的重要参数，它受到水温、盐度和压力等因素的影响。
通过测量声速可以校正和修正声波传播时间，从而提高定位的精度。
2.2 时间差测量时间差测量是水声定位中常用的测距方法。
通过在不同位置接收到声波的时间差来计算目标与接收器之间的距离。
常用的时间差测量方法包括单次时间差测量、双次时间差测量和多次时间差测量。
2.3 方位角测量方位角测量用于确定目标相对于接收器的方向。
通过接收到声波的信号强度和相位差等信息来计算目标的方位角。
常用的方位角测量方法包括声强比较法、相位差法和多基站测量法。
3. 应用水声定位在海洋科学研究、海洋工程和海洋资源开发等领域有广泛的应用。
3.1 海洋科学研究水声定位在海洋科学研究中用于测量海洋中的生物群落、底质和水柱的属性。
通过定位获取的位置信息，科学家可以研究海洋生态系统的动态变化、物种分布和迁徙规律。
3.2 海洋工程水声定位在海洋工程中用于定位和追踪海底设施，如海洋油井、海底电缆和海洋观测设备。
通过精确的定位信息，工程师可以进行维护、修复和调整工程设施，提高工作效率。
3.3 海洋资源开发水声定位在海洋资源开发中用于勘探和开采海底油气资源、矿产资源和生物资源。
通过准确的目标定位，可以提高资源开发的效率和收益，并减少对海洋环境的影响。
4. 总结水声定位是一种利用水中传播的声波进行目标定位的技术，其原理基于声波在水中的传播特性以及目标反射、散射声波的物理效应。
水声定位在海洋科学研究、海洋工程和海洋资源开发等领域有广泛的应用。
2023年水声定位系统行业市场规模分析
2023年水声定位系统行业市场规模分析水声定位系统是一种专门用于海洋探测、测量以及地质勘探的仪器设备。
水声定位系统采用声波进行探测，通过控制声波发射与接收的时间和频率，可以确定目标的位置、速度以及距离。
水声定位系统已经广泛应用于海洋、港口、水利等领域，在海洋勘探、海洋资源开发、海上交通管制等方面发挥了重要的作用。
本文将对水声定位系统行业市场规模进行分析。
一、市场需求随着社会的发展，海洋经济日益繁荣，海上交通、港口建设、海洋资源开发等领域对水声定位系统的需求越来越大。
根据《“十四五”海洋发展规划纲要》的规划，到2025年，我国的海洋经济总产值将达到10万亿元，其中海洋科技服务业将成为海洋经济重要支撑。
可以预见，未来水声定位系统市场需求将会持续增加。
二、市场规模1.全球市场规模据市场研究公司Technavio发布的最新报告，全球水声定位系统市场规模将达到219亿美元，预计年均增长率为4%。
北美地区是目前全球水声定位系统市场份额最大的地区，占据全球市场的30%左右。
欧洲、亚太地区也是水声定位系统市场的重要市场，预计未来几年市场规模将继续增长。
2.中国市场规模随着我国海洋经济的快速发展，水声定位系统市场也在不断增长。
据市场研究机构IDC发布的报告，2019年我国水声定位系统市场规模达到36亿元，同比增长22.5%。
预计未来几年我国水声定位系统市场规模将进一步扩大，到2025年有望达到100亿元。
三、市场竞争格局目前全球水声定位系统市场上，美国公司Kongsberg、Teledyne Technologies和Sonardyne是市场份额最大的厂商。
此外，Norwegian Hydrographic Service、Hydroid、Bluefin Robotics等公司也占据一定的市场份额。
在中国市场，Kongsberg、Teledyne Acoustic Imaging、华天科技、恒天卫通等企业是市场占有率较高的厂商。
水声定位系统在水下探测中的应用研究
水声定位系统在水下探测中的应用研究近来，随着科技的迅猛发展，越来越多的高新技术应运而生。
水声定位系统就是在这样的背景下应运而生，它是一种可以将声波作为信号进行水下探测的技术，是目前海底智能勘探、海底资源开发、海底科学研究以及水下军事应用等领域中使用最广泛的技术之一。
一、水声定位系统的原理水声定位系统是利用声波在水中的传播特点进行水下探测的一种技术。
声波能在水中传播，其传播速度大约为1500米/秒，比空气中的声速约高四倍，而声波在水中的衰减比在空气中要弱得多，可以传播一个非常长的距离。
水声定位系统的原理是：水声信号通过发射器发出后，进入水中，然后被水下物体反射，形成反射波，反射波被接收器收到后，信号被处理、分析，并用于得出水下物体的性质、形状、大小等信息。
二、水声定位系统的优点和应用1、优点（1）水声定位系统具有高精度、高分辨率和高灵敏度的特点。
水声信号传播在水中时，由于水环境的特殊性质，信号传播的速度和方向会发生变化，因此可以准确地确定水下物体的位置，并获得更为准确的信息。
（2）水声定位系统适用于各种水下环境，包括深海、河流、湖泊等水域环境。
在这些环境中，水声定位系统具有非常重要的应用价值，可以对水下的物体进行非常精确的探测。
（3）水声定位系统不会受到光照等外部环境的干扰。
白天、黑夜或者寒冬酷暑，都可以不受外部环境的影响进行水下探测。
2、应用（1）深海勘探：目前，随着石油资源的逐渐枯竭，为了寻找新的石油资源，深海勘探开始得到越来越多的关注。
而水声定位系统就是深海勘探中非常重要的一种技术，可以有效地探测深海油气资源的储量、位置等信息。
（2）海洋科学研究：水声定位系统还可以广泛应用于海洋科学领域，包括海洋生物学、海洋气象学、海洋地质学、海洋环境保护等各个方面的研究。
（3）海底地形勘探：水声定位系统可以应用于海底地形勘探，对于海底地形的探测具有非常重要的意义。
通过采用水声定位系统，可以对海底地形进行三维测量，了解海底地形的状况，为海洋工程建设提供重要的基础信息。
水声定位算法
水声定位算法之1 —CBF波束形成一、引言目前世界各大国都致力于水下目标定位技术的研究，采用声纳进行水下目标定位可分为主动法和被动法。
主动法声纳本身要发射声波,它把接收目标的反射波作为检测与检估计的基础。
被动法声纳本身不发射声波，它依靠目标辐射的声波作为检测和估计的基础。
被动声纳在侦察过程中隐蔽性好,不向外发波,不易被敌发现，水下连续工作时间长等特点，在实际环境建设中起到的作用越来越大。
在我国,主动声纳仍然是目前海军的主力水声设备，但主动声纳存在隐蔽性差的缺点，所以必须大力研究被动声纳探测定位技术。
对被动声定位的研究主要是对波束形成算法的研究。
波束形成大致可分为两类:传统波束形成和自适应波束形成。
波束成形源于自适应天线的一个概念。
接收端的信号处理，可以通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成，成形所需的理想信号。
从天线方向图视角来看，这样做相当于成形了规定指向上的波束。
在水声环境中，接收阵元接收信号信噪比低，不利于水声定位精度的提升，而利用波束成形技术，可以抵消干扰，提高接收信噪比。
二、系统结构水声定位是使用声波对水下目标进行定位的技术。
使用水声定位对水下目标进行定位时，定位信号发送时间可以由同步信标或者应答器得到，并与声速相乘可得到两者之间的距离。
而目标的方位则要通过计算声信号到达不同声传感器阵元的时间延迟或者相位延迟来估计。
水声定位的系统结构如图1所示，其定位过程如下：1）接收阵列：整个信号接收模块由若干个子阵组成，各个子阵接收待处理的水声信号，每个子阵包含一定数量的水听器基元。
图1 水声定位系统结构2）波束成形：进行波束成形处理成形阵列的空间指向性，从而达到对接收信号进行空域滤波的目的，获得空间处理增益，提高信噪比，改善测向的精度。
3）方位估计：各个子阵的输出信号送入到后端的信号处理单元，由线列阵测向算法进行波达方位的估计。
三、波束形成波束成形将一定几何形状排列的水听器输出信号经过加权处理，形成空间指向性。
水声定位导航概述
4 W
m
2
无指向性声源辐射声功率与声源级的关系：
SL 10 lg Pa 170.77
有指向性声源辐射声功率与声源级的关系：
SL 10lg Pa 170.77 DIT
常识：船用声纳 Pa为几百瓦～几千瓦，DIT为10～30dB， SL约为210～240dB。
声纳参数
传播损失TL
长基线水声定位系统示意图
短基线水声定位系统示意图
超短基线水声定位系统示意图
三种系统的优缺点： （1）超短基线定位系统 优点：整个系统的构成简单、操作方便不需要组 建水下基线阵、测距精度高。 缺点：需要做大量的校准工作，其定位精度随着 水的深度和工作距离的增加而降低。定位精度比 其他两种系统差。 （2）短基线定位系统 优点：构成简单、便于操作、不需要组建水下基 线阵、换能器体积小安装简单。
4 推算导航 （1）定义 根据船舶的航向（航行方向）和航程（一定时 间内航行的距离）算出船舶位置的方法。它有作 （海）图法和计算法（数学计算及查表）两种， 用于推算导航的器材有相对速度计程仪和绝对速 度计程仪两类。 （2）特点 推算船位的精度取决于起始位置、航行时间、 航速、航向、计算器材、所用资料及作图的准确 性。对在海上推算影响最大的是海流、潮汐和风， 且随着时间延长易产生累积误差。
2 无线电导航 （1）定义 利用无线电技术确定船舶的位置，引导船舶沿 规定的航线按规定的时间安全到达目的地的方法。 （2）优缺点 优点：受外界条件限制小；可在近、中、远距 离甚至在全球进行导航，精度高、速度快；可靠 性高且经济效益好；采用了电子计算机进行自动 导航；可实现导航、通信、识别等多种功能。 缺点:易受自然环境、人为因素的干扰及发射 台的制约。
水下声学定位原理
水下声学定位原理
水下声学定位是通过测量水中声波传播的时间、方向和强度等信息来确定目标位置的技术。
以下是水下声学定位的基本原理：
1.声波传播：水下声学定位利用水中传播的声波。
声波在水中传播
的速度和方向受水的温度、盐度和压力等环境因素的影响。
这些环境因素导致声波在水中传播时发生折射、反射和散射等现象。
2.发射声源：定位系统通常会使用声纳或声源向水中发射声波。
这
个声源可以是主动声源（主动声纳）或被动声源（如接收来自目标的声音或水中噪声）。
3.接收声波：接收设备（水听器或水声传感器）接收从目标反射回
来的声波或来自目标本身发出的声音。
水下声学定位系统通常使用多个接收设备，以便通过多普勒效应和相位差等信息来确定目标的速度和方向。
4.时间差测距：通过测量声波从发射源到各个接收设备的传播时间，
系统可以计算目标与每个接收设备之间的距离。
通过使用三角法等技术，可以将这些距离信息组合，从而确定目标的准确位置。
5.多普勒效应：多普勒效应是由于目标的运动导致接收到的声波频
率发生变化。
通过测量这种频率变化，水下声学定位系统可以推断目标的速度和运动方向。
6.声纳阵列：为了提高定位的准确性，水下声学定位系统通常使用
声纳阵列，即由多个水听器组成的数组。
通过同时测量多个方向上的声波，系统可以更精确地确定目标的位置。
水下声学定位在海洋学、海洋资源勘测、水下探测和军事领域等方面具有广泛的应用。
这一技术对于深海研究、水下导航、潜艇追踪和水下资源勘探等领域有着重要的作用。
第4章_长基线水声定位系统(LBL)
9
4.2 几种应用模式
长基线有缆潜器（TTS）导航模式 母船上只有接收机，TTS上装有问答机。 定位对象为TTS 求TTS与T的斜距R2 工作过程
设：接收时刻t1、t2 单程传播时间T1、T2 则，
t2 t1 T1 F4
1 T2 t 2 2
1 T1 t1 t 2 2
T2 F3
问答机
R2 cT2
R1 cT1
10 2019/3/7
4.2 几种应用模式
长基线无缆潜器（ Free Swimming Submersible －FSS）定位模式 1) 母船询问方式
前后两 页跳转 T T1 、T 、T
1 3
5
T5
定 位 对 象 为 FSS （TTS） 求T3→R3
21 2019/3/7
4.3 海底应答器阵的校准
四个应答器的情况 2) 坐标变动法
坐标变动法校准是任意固定3点，由测
量数据通过最小二乘法来调整第4点。 优点：它可用于基阵中的任意点。 A
A8 A1 O1 D A7 A6 O3 A5 A4 C
X
O2 A3 A2 B
缺点：对每一点都需假设一坐标作为
2 2019/3/7
海底应答器阵的相 对坐标。
4.1 引言
基线长度 （m） 长基线 100～ 换能器（信标） 已知海底应答器阵的绝对地理位置，求各个应答器到被定位的对 LBL 6000 水域中 象的距离（测量时间） ，利用球面交汇，解算被定位对象的位置。 各个应答器的回答频率不同，各个应答器的回答频率也不同。 短基线 1～50 换能器布放在船 测量各阵元到被定位的对象（目标）的距离（测量时间） ，利用球 SBL 超短基线 USBL <1 的前后和左右 面交汇，解算被定位对象的位置。 船上（载体上） 通过测量两两阵元接收应答器（信标）应答信号的相位差，来解 基阵 算目标位置的。 基线位置 应用
无源水声定位系统设计与实现
无源水声定位系统设计与实现随着社会科技的发展，人们对于水下探测的需求越来越多。
而无源水声定位技术就是其中的一种，通过接收目标产生的水声信号，实现对目标在水下的定位。
本文将介绍无源水声定位系统的设计与实现。
一、系统概述无源水声定位系统主要由水声接收器和定位计算机两部分组成。
水声接收器负责接收水下目标产生的信号，并将信号转换为计算机可以识别的数据格式。
而定位计算机则负责对接收到的数据进行处理，并计算出目标的位置坐标。
二、硬件设计1. 水声接收器水声接收器是本系统的核心部分，其主要功能是将水下目标产生的信号转换为电信号，并将其发送给计算机。
根据不同要求，可以选择不同的水声接收器。
常用的水声接收器是宽带水声接收器和窄带水声接收器。
宽带水声接收器适用于接收频率范围较广的信号，其频率响应范围广，能够接收到多种频率的信号。
而窄带水声接收器则适用于接收频率较窄的信号，其响应范围窄，但其接收灵敏度较高。
定位计算机的选择要满足处理速度快，存储容量大的要求。
建议选择处理器配置较高的计算机，并配备足够的内存和存储容量。
同时，为了保证计算机的稳定性和安全性，可以考虑安装相应的保护软件和数据备份系统。
三、软件设计无源水声定位系统的软件设计主要由信号采集、信号处理和定位计算三部分组成。
1. 信号采集信号采集是系统的首要和基础工作，其目的是将水声接收器接收到的信号转换为计算机可以处理的数据格式。
一般采用模数转换器（ADC）或多路程扫描技术将模拟信号转换为数字信号。
2. 信号处理信号处理是系统中最复杂和核心的部分。
在信号处理过程中，需要将数字信号进行滤波、降噪和解调等处理，以获取准确的目标信息。
一般采用数字滤波器和相关器等技术对信号进行处理。
在信号处理中，需要注意的是选择合适的算法和参数。
不同的算法和参数会对处理结果产生不同的影响。
因此，在设计系统时需要对算法和参数进行选择和优化，以达到最佳的处理效果。
定位计算是系统中最关键和重要的部分，其目的是确定水下目标的位置。
水声工程知识点总结大全
水声工程知识点总结大全1. 水声传播特性水声传播特性是指声波在水中传播过程中所表现出的一系列物理现象。
了解水声传播特性对于水声工程的设计和应用至关重要。
水声传播特性的主要知识点包括：（1）声速：水中的声速约为1500 m/s，而在空气中为343 m/s。
因此，声波在水中传播的速度通常比在空气中更快。
（2）声波衰减：声波在水中传播会受到衰减的影响，主要有自由衰减和吸收衰减两种。
自由衰减是指声波在传播过程中由于扩散等原因导致声能减小；吸收衰减是指声波在传播过程中由于水中分子的摩擦等原因导致声能减小。
（3）声波散射和反射：水中存在着各种不同的物体和界面，这些物体和界面会对声波产生散射和反射现象，从而影响声波传播的路径和传播的强度。
（4）声波折射：当声波从一个介质进入另一个介质时，由于介质的声速不同而发生折射现象，这会导致声波传播方向的改变。
（5）水声信道：水声信道是指声波在水中传播的通道，在这个通道中，声波会受到各种不同的影响，例如多路径传播、多普勒效应、时变特性等。
2. 水声通信水声通信是指利用水声传播特性进行信息传输的技术。
水声通信主要应用于水下通信、水下定位、水下数据传输等领域。
水声通信的主要知识点包括：（1）水声调制技术：水声通信中通常会采用不同的调制技术来实现信息的传输，例如频移键控（FSK）、相移键控（PSK）、正交频分复用（OFDM）等。
（2）水声信道编解码：水声通信中会使用各种不同的编解码技术来提高数据传输的可靠性和效率，例如纠错编码、卷积编码、交织等。
（3）水声通信系统设计：水声通信系统设计需要考虑水声传播特性、水声信道的特性、通信距离、通信带宽等因素，以实现可靠的通信效果。
（4）水声通信协议：水声通信协议是指规定了水声通信的具体通信规则和流程的一系列标准和规范。
3. 水声定位水声定位是指利用水声信号进行目标定位的技术。
水声定位主要应用于水下目标定位、船舶定位、潜艇定位等领域。
水声定位的主要知识点包括：（1）水声测距技术：水声定位中通常会采用测距技术来确定目标的位置，测距技术包括单向测距、双向测距、多普勒效应等。
基于平面三元阵的水声定位误差分析
基于平面三元阵的水声定位误差分析水声定位技术是一种非常重要的海洋勘测和定位方法。
平面三元阵是水声定位技术中常用的一种阵列形式，也是最为基本的阵列形式。
平面三元阵结构简单，易于制造和安装，能够满足大多数的水声定位需要，所以被广泛应用于水声通信、潜水器位置定位、海底地形测绘、水声探测等领域。
然而，水声定位误差是无法避免的。
造成水声定位误差的原因有很多，例如声波传播路径的不均匀性、环境因素的影响、阵列位置和角度的误差等。
因此，对水声定位误差进行分析和控制是非常有必要的。
对于平面三元阵，误差分析可以从以下几个方面入手：1. 阳极、阴极和声纳位置误差阳极、阴极和声纳的位置误差是影响水声定位误差的主要因素之一。
这些位置误差在计算距离、角度和方位时都会产生影响。
2. 阵列的旋转误差阵列的旋转误差通常指阵列在水平面内的旋转误差。
阵列的旋转会导致声波在阵列之间传播的时间差发生变化，从而影响到定位精度。
旋转误差的大小与阵列的长度和角度有关。
3. 阵列的倾斜误差阵列的倾斜误差也是造成水声定位误差的一个因素。
阵列倾斜会导致声波在阵列之间的传播距离不同，从而影响到定位结果。
此外，阵列倾斜还会导致声波的相位发生变化，进一步影响到定位精度。
4. 多径效应多径效应是指声波在水中被各种表面和体边缘反射、折射、散射等现象引起的多次传播。
多径效应会导致到达阵列的声波信号呈现出来自不同方向的多个路径，从而使定位结果产生误差。
综上所述，平面三元阵水声定位误差分析是非常重要的。
通过对误差来源的深入研究，对于各种误差进行量化和控制，可以提高平面三元阵的定位精度，从而更好地满足海洋勘测和定位的需求。
为了进行平面三元阵水声定位误差的数据分析，需要先收集一定量的相关数据。
下面将列出一些有关平面三元阵定位的数据，并进行分析。
1. 阵列长度和角度平面三元阵的长度和角度是影响定位精度的重要因素之一。
一般来说，阵列长度越长，定位精度越高；而阵列角度越小，方位角误差越小。
水声工程知识点总结图
水声工程知识点总结图水声工程是研究水下传感和通信系统的一门学科，涉及水声传感器、水声通信设备、水声定位系统等技术。
本文将从水声信号传播、水声传感器、水声通信、水声定位等方面进行知识点总结。
一、水声信号传播1. 水声信号传播特点：水下信号传播具有多径效应、多普勒效应等特点，使水声信号传播路径复杂、信号失真严重。
2. 水声信号传播模型：水下信号传播模型主要包括直达传播模型、多径传播模型和折射传播模型等。
3. 水声信号传播损耗：水下信号传播会受到吸收损耗、散射损耗和衰减损耗等影响。
了解水下信号传播损耗对水声工程设计和应用具有重要意义。
二、水声传感器1. 水声传感器类型：水声传感器主要包括水压传感器、声纳传感器、水温传感器等，用于感知水下环境参数。
2. 水声传感器设计：水声传感器的设计需要考虑尺寸、功耗、灵敏度等因素，以适应水下环境中的特殊要求。
3. 水声传感器应用：水声传感器广泛应用于海洋观测、海洋勘探、水下探测等领域，为水声工程提供重要数据支持。
三、水声通信1. 水声通信系统：水声通信系统包括水声发射器、水声接收器、信道编码、解码等组成，用于在水下进行信息传输。
2. 水声通信技术：水声通信技术主要包括频率调制、编码调制、多址接入、信道均衡等技术手段，以提高水声通信系统的可靠性和传输速率。
3. 水声通信应用：水声通信广泛应用于水下声纳、水声定位、水下通信网络等领域，为水下作业和控制提供有效手段。
四、水声定位1. 水声定位原理：水声定位主要利用声纳技术和信号处理算法，通过测量声波传播时延实现水下目标的定位。
2. 水声定位系统：水声定位系统一般由水声发射器、水声接收器、信号处理器等组成，提供水下目标的位置信息。
3. 水声定位精度：水声定位精度受到多径效应、背景噪声、频率衰减等影响，需要进行合理校准和算法优化，提高定位精度。
结语：水声工程是一门复杂而重要的学科，涉及到信号传播、传感器、通信和定位等多个方面。
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各个水听器测的与目标的斜距为：
长基线水声定位系统
目标与原点的斜距为：
将式中
展开得：
从而得到：
ri
消去
r
可得方程：
用矩阵可写作：
其中，
但矩阵A奇异，因此方程有多个解，得不到唯一解。考虑再增加一个水听器， 并测得它与目标的斜距 r4，可得另一个方程：
消去
r 得：
用上式代替矩阵方程第三行，则矩阵A非奇异，方程组可得到唯一解。 但当水听器都位于同一水平面，且 仍然是奇异矩阵，可用三个水听器得测量值以及 已知时 ，矩阵A 联立，得方程组：
在海底布设由T1，T2，T3组成的水听 器接收基阵，在直角坐标系坐标分别为
T1 (x1, y1,z1), T2 (x 2 , y2 ,z2 ), T3 (x3 , y3 ,z3 ) ，水听器位置
校准后，则假定坐标为已知量。 各个水听器到原点的距离为：
di xi 2 yi2 zi2 (i 1, 2,3)
短基线水声定位
系统组成: 1) 被定位的船或潜器上至少有3个水听器。 2) 间距在5～20米的量级。 3) 水面船上面装有问答机 4) 一个同步信标（或应答器）置于海底 工作原理 问答机接收来自信标（或应答器）发出的信号， 根据信号到达各基元的时间，求得斜距，据此可计算 水面船相对于信标（或应答器）的位置。
超短基线定位系统的基阵长度一般在几厘米到几十厘米，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。 若按照工作方式划分，以上三种定位系统都可以选择使用同步信标或应
答器工作方式。
询问器或问答机:是安装在船上的发射器和接收器。它以一个频率发出询 问信号，并以另一频率接收回答信号。接收频率可以多个，对应于多个应 答器，常常只相隔0.5kHz。发射和接收换能器是无指向性的。 应答器:是置于海底或装在载体上的发射/接收器。它接收问答机的询问信 号（或指令），发回另一与接收频率不同的回答信号。收发换能器无指向 性的。 声信标:置于海底或装在水下载体（潜器）上的发射器，它以特定频率不 停的发出声脉冲。它是自主工作的。声信标分同步式和非同步式两种。 响应器:置于海底或装在水下载体（潜器）上的发射器，它由外部硬件 （如控制线）的控制信号触发，发出询问信号。问答机或其它水听器接收 它的信号。它常用于噪声较强的场合。
可求得x，y。 由 可得二次方程：
从而求出z
误差分析 每个水听器测得的斜距是目标位置矢量和水听器位置矢量的函数，即：
两端求导得：
其中，dx, dy, dz 是目标位置误差， dxi , dyi , dzi 是第i个水听器位置误差， dc 是水中声速误差，dti 是应答信号测量时间误差。因此目标位置测量误差与水 听器位置误差，水中声速误差和信号传播时间测量误差有关。
可以得到其他两个基元相位差：
坐标原点与目标之间的斜距为
可得：
因为 r
d ，用泰勒级数展开，去近似可得：
同理可得：
从而可导出：
在测的目标的斜距
r
和基元间的相位差 12 , 23 后即可解算目标的坐标x，y。
根据信号理论，测量相位的误差与信噪比有关：
长基线水声定位
工作原理： 长基线定位原理为海底应答器布置在海底，绝对位置已知。通常情况下， 声基阵在布设后利用水面母船的超短基线和DGPS对海底应答器进行校正并确 定其位置信息后存入应答器待用。应答器在海底监听来自被定位目标发送的 询问信号，当收到询问信号后，应答器等待已设定好的周转时间，然后不同 的应答器分别以不同的频率信号进行应答，当被定位水下目标接收到应答信 号后，可以通过水声传播时间来解算出水下目标与应答器之间的距离。需要 布设三个以上的水声应答器并构成一定的几何形状。 特点：利用海底应答器阵来确定载体的位置----相对于海底应答器阵的 相对坐标。
基线长度 （m） 长基线 100～ 换能器（信标） 已知海底应答器阵的绝对地理位置，求各个应答器到被定位的对 6000 水域中 象的距离（测量时间） ，利用球面交汇，解算被定位对象的位置。 各个应答器的回答频率不同，各个应答器的回答频率也不同。 短基线 1～50 换能器布放在船 测量各阵元到被定位的对象（目标）的距离（测量时间） ，利用球 的前后和左右 面交汇，解算被定位对象的位置。 超短基线 <1 船上（载体上） 通过测量两两阵元接收应答器（信标）应答信号的相位差，来解 基阵 算目标位置的。 基线位置 工作原理
长基线、短基线和超短基线系统的区别： 1）基线：是以应答器构成的，通常应答器的应答距离为10～20公里 基线安装的位置：海底 2）定位方法：长基线利用海底应答器阵来确定载体的位置 记录询问时刻和各应答器应答信号到达时刻 3）位置坐标：定位的坐标是海底应答器阵的相对坐标 4）应答器的频率：各个应答器的回答频率不同 5）定位目标、使用条件：确知应答器阵的绝对地理位置
工作原理
非同步信标的短基线系统
应答器的短基线水声定位系统
设阵中心的询问发射换能器T 与被测目标的距离为r，目标相对 T的水平位置（x，y）。若声线入 射到H1，H2的入射角为 ，由 几何关系得：
短基线系统基阵布置
同理，若声线入射到H2，H3的角度为 ， 则：
其中：c为水中声速，t12 , t23 是对应接收信号的延迟。距离r可用各个水 听器接收信号双程路程的一般的平均值近似，即：
水声定位系统
水声定位指通过测定声波信号传播时间或相位差，进行的海上定位。按 照接收机阵的尺度或应答器基阵的基线长度来分类，水声定位技术可以分为 长基线、短基线和超短基线水声定位技术三种。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
离确定目标位置。短基线水声定位系统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。
误差分析：
对
和
两边求导得：
可知定位误差与距离测量误差 r 和声速取值误差有关。
超短基线水声定位
组成结构： 1）发射换能器和几个水听器可以组成一个直径只有几厘米～几十厘米的水 听器基阵，称为声头。
2）声头可以安装在船体的底部，也可以悬挂于小型水面船的一侧。
超短基线系统定位解算方式 非同步信标方式 应答器方式 响应器方式 带有深度的应答器/响应器方式
超短基线水声定位系统工作原理与短基线类似，但它的基阵是由三个水
听器安装在一个几厘米的基座上。由于基线长度短，所以是通过测量两个水 听器为 d ，三个 基元坐标为 e1 (d,0,0), e2 (0,0,0), e3 (0, d ,0) ，目标坐 标为 T (x, y, z) ，以2号基元为基准。