《水下定位与导航技术》声学多普勒测速技术概述
第3章超短基线水声定位系统
有
R T c R T c
以水平位置精度与斜距之比来衡量定位精度时有
斜距相对 定位精度
X a 12 R 2d
响应器方式
带有深度的应答器/响应器方式
2 2019/4/9
一类是根据声线入射角和已知 超短基线系统的几种定位解算方式 深度进行位置解算
（ （ 测 ） 量 信 声 标 线 方 入 式 射 角 ） （ 单 程 距 离 和 角 度 ） (c)
另一类则是根据测量的距离和 声线入射角进行定位解算。
r
X Y
2 a
2 a
8
2019/4/9
3.3 入射角与距离算法 （应答器或响应器方式）
目标斜距 若使用应答器代替信标
1 R cTT , R 2
通过相位测量得到角度， 直接求出位置坐标
hR cos mx X cos a mx Xa
1 cos2 mx cos2 my
1 mx
，
Xa
3.2 入射角和深度方式（非同步信标 h cos mx 2 信标方式）位置解算 1 cos cos2
con my Ya 1 tan X tan con mx a
1
1 13 tan 21
c 2 T 2 d 2 2 2 2 12 c T d 2 d
2 2 总的均方误差 类似地，可得到 x y
13 2 Y 2d
武汉大学测绘学院现代海洋学第6章--GPS定位与海底声学定位
ϕi j (t ) = ϕi (ti ) − ϕ j (t j ) − N i j (t0 )
式中，Nij(t0)称为整周未知数（整周模糊度）。
（6-13）
卫星钟和接收机钟的振荡器有良好的稳定度，通常可达10-11～1012s，相应的频率漂移为0.016～0.0016Hz。由于信号由卫星到达接收 机的传播时间△t极短，其取值范围约为0.066～0.090s之间，因此， 忽略频漂产生的误差，即可视卫星信号频率与接收机基准频率相等， 即：
(6-12)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
测相伪距观测方程及其线性化
设卫星Si在卫星钟钟面时ti发射得载波信号相位为ϕj(ti)，而接收机 Mi在接收机钟面时ti收到卫星信号后产生的基准信号相位为 ϕi (ti )
ϕi(ti)，历元t的相位观测量
ϕi j (t ) 应当等于接收机基准信号相位与卫星
发射信号相位之差减去相应于初时历元t0的相位差整周数Nij(t0)。即有
式中：
∂ρi j (t ) 1 ( )0 = − j (Y j (t ) − Yi 0 ) = −li j (t ) ∂Yi ( ρi (t ))0 ∂ρi j (t ) 1 ( )0 = − j ( Z j (t ) − Z i0 ) = − mij (t ) ∂Z i ( ρi (t ))0
于是，站星几何距离的线性化表达式为：
f j = fi = f
(6-14)
在此条件下，信号相位与频率之间存在关系式：
ϕ (t + Δt ) = ϕ ( t ) + f Δt
(6-15)
记 ti = t + Δt , t j = t 且顾及（6-13）式则有：
ϕ i j (t ) = f Δ t − N i j (t 0 )
水下声学测距技术在海岸地形测量中的应用
水下声学测距技术在海岸地形测量中的应用海岸地形测量是海洋科学和海洋工程领域的重要任务之一，它对于海岸管理、海洋工程建设和环境保护具有重要意义。
近年来，随着水下声学技术的发展和应用，水下声学测距技术逐渐成为海岸地形测量中的重要方法。
本文将介绍水下声学测距技术及其在海岸地形测量中的应用。
水下声学测距技术是利用声波在水中传播的原理，通过测量声波的传播时间来计算对象与声源的距离。
与传统的海洋地形测量方法相比，水下声学测距技术具有无需直接接触测量对象、测量范围广、分辨率高等优势，因此被广泛应用于海岸地形测量。
首先，水下声学测距技术可以用于测量海岸线的形态。
海岸线的形态对海岸地貌、波浪、沉积物运移等诸多方面具有重要影响，因此准确测量海岸线的形态变化对于海岸管理和预警具有重要意义。
通过将声源放置在海水中，利用声波的反射和折射特性，可以测量到海岸线与声源之间的距离，从而获得海岸线的形态。
其次，水下声学测距技术可以用于海底地形的测量。
海底地形的测量对于海洋工程建设、海洋资源开发等具有重要意义。
传统的海底地形测量方法主要依赖于潜水员进行人工测量，工作过程繁琐且存在一定的危险性。
而利用水下声学测距技术，只需要将声源放置在水下，即可通过测量声波的传播时间来推算出声源与海底的距离，进而获取海底地形的数据。
此外，水下声学测距技术还可以用于测量海底管道和电缆的敷设情况。
海底管道和电缆是海洋工程建设中常见的设施，它们的敷设情况对于海洋资源的开发和利用至关重要。
利用水下声学测距技术，可以通过测量声波在管道或电缆上传播的时间和路径，来推算出管道或电缆的敷设位置和状态，进而指导工程的施工和维护。
总体而言，水下声学测距技术在海岸地形测量中具有广泛的应用前景。
它可以实现对海岸线形态、海底地形、海底管道和电缆等多个方面的测量，为海洋科学和海洋工程领域的研究和应用提供了有力的数据支持。
随着水下声学测距技术和设备的不断升级和改进，相信其在海岸地形测量中的应用将会更加准确、高效和可靠。
水下声源定位技术的研究与应用
水下声源定位技术的研究与应用一、引言水下声源定位技术是指通过声纳等探测设备来确定水下声源位置的技术。
随着深海勘探与开发的不断深入，越来越多的工作需要通过水下声源定位技术来实现。
本文将从水下声源定位技术的发展历程和基础知识、应用案例和未来发展方向等方面进行详细介绍。
二、水下声源定位技术的发展历程和基础知识自从20世纪初海洋调查开始，人们就开始尝试开发声纳技术来探测水下声源。
20世纪60年代，声纳技术得到逐步完善，水下声源定位技术也开始随着海洋科学的不断发展而不断改进和创新。
声纳技术主要需要用到声波、超声波等物理学知识和降噪、信号检测等信号处理技术。
其中，超声波可在水下传播距离更远，灵敏度更高。
而水下声源定位技术也开始向着精度、速度、探测深度和信噪比等方面进行不断优化。
三、水下声源定位技术的应用案例3.1 石油勘探石油是世界各国的重要能源资源。
在石油勘探中，水下声源定位技术被广泛应用。
声纳设备可以探测石油地层中的声波反射，获取地层信息，开展现场勘探和分析。
这种技术可以大幅减小开采成本，提高石油采集率和开采效益。
3.2 海底隧道施工海底隧道建设需要对隧道施工的稳定性和安全性进行保障。
其中，水下声源定位技术可以实时监测施工情况，获取隧道内相应数据，优化施工方案和提高施工效率，从而在海底隧道建设中发挥重要作用。
3.3 船舶探测水下声源定位技术广泛应用于船舶探测中。
通过声纳设备可以对深海中的障碍物和海床等进行探测。
这对于保障船只航行和预防海底障碍物的碰撞具有至关重要的意义。
四、水下声源定位技术的未来发展方向4.1 深海勘探随着海洋科学的不断进步，深海勘探成为了前沿性的课题。
因此，水下声源定位技术在深海勘探领域中的应用将越来越广泛。
优化声源定位技术精度，提高深海探测深度和信号传播能力，将有助于深海勘探领域的快速发展。
4.2 新型声纳设备新型水下声源定位技术的发展是具有重要意义的。
例如，开发集成了人工智能和机器学习等技术的水下声源探测设备，这将使声源定位技术的精度和速度得到极大的提高。
主要声学海流计介绍
主要声学海流计介绍声学海流计有声学矢量平均海流计、声学多普勒海流计、声学多普勒海流剖面仪、声相关海流剖面仪。
声学矢量平均海流计通常有三个换能器，用三个分量的矢量合成得出海流矢量（流速和流向）。
声学多普勒海流计利用海水中运动散射体的后向散射声信号的多普勒频移原理来测量流速。
声学多普勒海流剖面仪和声相关海流剖面仪可以同时给出某一深度范围内流速和流向的分层分布，例如一次测量可以得到128层的海流，其流速和流向是某一厚度层水体运动速度矢量的平均值。
声学海流计利用声波在海水中的传播特性来测量海流。
声波是机械波，产生的多普勒频移效应来测定流速的。
其优点是能连续记录，仪器无机械活动部件，无摩擦，无滞后现象，测量感应时间快，不影响流场测量，可测微弱海流，声速可自动校准，测量更可靠。
由于声学海流计种类繁多，下面来介绍工作中常用的两款声学海流计，分别为UCM－60L 超声测流仪和船用浅海型多普勒海流剖面仪（ADCP）。
一、UCM－60L超声测流仪（一）用途及特点UCM-60L是一种声学矢量平均海流计，它通过测量超声波在水体中往返传播的时间差来测量流速。
声速与海水介质的温度有关，因此要进行温度误差修正。
除了声学换能器以外，仪器中还装有温度、电导率、压力、倾斜、方位等传感器。
温度和倾斜传感器主要用于测量结果的误差修正，方位传感器用于确定流向。
该仪器可分为直读式和自记式两种工作方式，通过软件控制，用户可通过定义一些参数和编程来操纵仪器，如更换采样速率、采样时间、数据平均时间、启动时间等。
主要测量流速、流向、声速、温度、电导率、深度（压力）、倾斜等环境和状态参数，并给出海水计算盐度和密度等环境参数。
测流仪由主机(即水下测量探头)、通讯电缆、终端三部分组成。
主机结构紧凑，所有的传感器、数据记录设备、微处理器、供电电池等均集中在直径100mm，长650mm的不锈钢耐压圆筒内，测量要素的探测、信号处理均在主机内完成。
整机无转动部件，机械磨损小。
第6章_相关测速技术
2
2
总可能找到一个条件，使两条声线双程长度相等。 若有这一条件存在，则对海底其它海底反射点也会如此。 既然对海底各点都有两条相同的双程声线，因而两接收器接收的信 号包络除相差一时差之外，完全相同。这就是“波形不变原理”。 当两信号包络只相差一个时差而形状相同，意味着两信号是相关的。 为何要讨论波形不变原理？ 只有在两个波形相同的情况下才能保证相关。当两个波阵面往返的 路程相同时，即往返时间相同，因此，两个波阵面发射时刻相差τ， 接收时刻也相差τ，即两个波阵面之间的信号在某一个角度情况下， 波形和频率未发生变化。两个接收到的波形才具有相关性。实际上， 海底有很多具有此反射条件的散射点。
1 R12 ( ) x1 (t ) x 2 (t )dt T0
d v 2 0
17
T
2013-8-1
6.3 时间相关测速和空间相关测速
时间相关测速
方法1：直接利用相关函数求（相关）时延τ
这种方法的缺点：对τ的搜索，运算量较大。而且为保证足 够的测速精度，必须量化得足够精细。
系统参数 速度信息的来源
较可取得信号带宽 发射和接收波束宽度 发射阵孔径 接收阵孔径 更有利的声波传播方向
声相关计程仪 空间和时间域
宽带 宽 小 小 与速度矢量垂直
6
多普勒计程仪 方向和频率域
窄带、宽带 窄 大 大 与速度矢量平行
2013-8-1
6.1 引言
声相关计程仪的优点： 在一定的工作深度上，声相关计程仪需要的发射功率低。 在没有专门方法补偿时（相控阵除外），声相关计程仪的读数 不受传播声速的影响。 因为是宽波束发射，在载体摇晃和海底起伏不平时，声相关计 程仪有很好的可靠性。而且，海底表面的倾角不会引起太大的 测速误差。 由于声相关计程仪的基阵系统外形尺寸小，易于安装和有利于 维修。当船体发生变形时基阵系统的方向性特性轴不会发生弯 曲。 声纳工作频率低，因而声传播损失小，加上声波垂直向下发射， 因而可以得到更强的海底回波。
6水下声标定位(第六章)讲解
第六章水下声标定位水声定位系统是用于测定水下或水面运载工具位置的定位系统。
水声定位系统利用超声波传播信号，具有的方向性好、贯穿能力强的特点。
水声定位系统有三种工作方式：长基线系统、短基线系统和超短基线系统。
6.1 水声定位基础6.1.1 水声定位的基本设备水声定位系统通常由船台设备和若干水下设备组成。
船台设备包括一台具有发射、接收和测距功能的控制、显示设备和置于船底的换能器（也可置于船后的“拖鱼”内）以及水听器阵。
水下设备主要是声学应答器基阵。
所谓基阵，即固设于海底的位置已准确测定的一组应答器阵列。
水声定位系统中有关电子设备的电路工作原理与一般电子线路相同，在此不予赘述。
下面仅简要介绍系统中的水声设备。
换能器是一种声电转换器，能根据需要使声振荡和电振荡相互转换。
为发射（或接收）信号服务，起着水声天线的作用，如经常使用的磁致伸缩换能器和电致伸缩换能器。
磁致伸缩换能器的基本原理是当绕有线圈的镍棒（通电）在交变磁场作用下会产生形变（振动）而产生声波，电能转变成声能；而磁化了的镍棒在外力（声波）作用下产生形变（振动），从而使棒内的磁场也相应变化，而产生电振荡，声能转变为电能。
水听器本身不发射声信号，只是接收声信号。
通过换能器将接收的声信号转主成电信号。
输入船台或岸台的接收机中。
应答器既能接收声信号，而且还能发射不同于所接收声信号频率的应答信号。
它是水声定位系统的主要水下设备。
它也能作为海底控制点的照准标志（称为水声声标）。
6.1.2 水声定位系统的基本定位方式水声定位系统通常有两种定位方式，即测距和测向。
一、测距水声测距定位原理如图6—1所示。
它由船台发射机通过安置于船底的换能器M向水下应答器P（位置已知）发射声脉冲信号（询问信号），应答器接收该信号后即发回一应答声脉冲信号，船台接收机记录发射询问信号图6—1和接收应答信号的时间间隔，通过下式即可算出船至水下应答器之间的距离（斜距）： Ct D 21=（6—1） 由于应答器的深度Z 已知，于是，船台至应答器之间的水平距离S 可按下式求出： 22Z D S -=（6—2）当有两个水下应答器，则可获得两条距离，以双圆方式交会出船位。
第六章——声学定位及综合导航
为水面上或水体中目标定位。 若潜艇、水面船只上安装该设备，则可以为特殊地区(无法 或不能进行GPS定位)情况下运动载体进行定位。 开发出高精度定位的水下DGPS系统，建立水下立体高精度 定位系统，解决深拖、ROV(Remotely Operated Vehicle)、 深海载人潜器以及各种取样器和特殊水下工程的水下高精度 定位问题。
水听器
水声应声器
声信标工作方式（测时差/相差定位方式）
H1
x
bx
H2
z
测量T到H1和H2的时间差为t1=t1-t2， 测量T到H2和H3的时间差为t2=t2-t3 则产生的距离差为vt1和vt2 ，则相 应的角度x、y和z为：
x
P y
T
x
R
x
sin x sin y
水下声学定位目前常采用的系统主要有：
长基线定位系统 短基线定位系统
超短基线定位系统
在实际应用中，由于单一定位系统的缺陷，需要 将几个系统联合起来，保证定位或导航结果的正确性， 即组合导航
§6.2 长基线声学定位系统
通常在海底布设3个以上的应答器Ti，以一定的图形 组成海底基阵，如三角性或四边形。基线长度按照 作业区域确定。运载工具位于基阵内，测量到Ti的 距离而确定点位。 长基线的定位精度比较高，一般可达到5m~20m， 最大测程为5km，定位方式有两种：
响应器工作方式
响应器是通过电缆与测量船相连接的。响应器的发 射是由测量船控制的。触发一次，测量一次。 响应器的工作方式与应答器的工作方式基本相同。 不同之处在于询问应答是声路径，而响应应答是电 路径，因而计算作业船到响应器的距离仅使用单程 传播时间。 与应答器的工作方式相比，该方法的电 路径询问干扰小，可靠性好；缺点在于需要电缆连 接。
水下航行器导航与定位技术教材(新)
水下航行器导航与定位技术学习提纲主要参考书：1．导航与定位——现代战争的北斗星，干国强主编，国防工业出版社，20002．水下导航信息融合技术，朱海，莫军著，国防工业出版社，20023．卡尔曼滤波与组合导航原理，秦永元，西北工业大学出版社，1998主要内容：导航技术概论(参考书1)航位推算系统声学导航系统陆基无线电导航系统(参考书1)卫星导航系统(参考书1)惯性导航系统(参考书1)其它水下导航方法(重力梯度、地形匹配、磁导航等)水下组合导航技术(参考书1)要求：全文阅读讲义；阅读参考书指定章节；掌握各类主要导航方法的基本原理、适用范围、优缺点；掌握推算航位导航的计算方法。
目录水下航行器导航与定位技术 0第一章水下导航技术概论 (2)§1.1 导航的基本概念 (2)第二章航位推算 (2)§2.1概述 (2)§2.2航位推算的定义 (3)第三章声学导航系统 (9)第四章陆基无线电导航系统 (13)第五章卫星导航系统 (13)第六章惯性导航系统 (13)6．1航海陀螺仪器的发展 (13)6．2 以捷联惯导为核心的组合导航技术 (16)第七章其它水下导航技术 (17)§7.1 地形辅助导航 (17)§7.2 地球物理导航 (19)§7.3 各种水下助航方法(舰船导航，2001，6) (20)7.3.1 磁导航 (20)7.3.2重力导航 (21)§7.4 地形辅助导航技术 (23)第八章水下组合导航技术 (23)第一章水下导航技术概论导航的基本作用是引导飞机、舰船、车辆、个人等，安全准确地沿着所选定的路线，准时地到达目的地。
§1.1 导航的基本概念“导航”就是正确地引导航行器沿着预定的航线在规定的时间内到达目的地的过程。
为了完成这个任务，就需要随时知道航行器的瞬时地理位置、航行速度、航行器的姿态、航向等参数。
这些参数，通常称作导航参数。
声学技术 声学多普勒测速仪标校技术研究
声学技术▏声学多普勒测速仪标校技术研究船载多普勒测速仪通过对多普勒频移信息进行解算进而得到对海水或者对海底的速度信息，进一步可以得到载体航速、航迹等信息。
相比于全球定位系统(GPS)需要利用卫星定位，多普勒测速仪可以自主得到航迹航速，在进行水下探测时具有GPS所没有的优势。
测速仪的主要误差在于基阵安装时的安装偏角，无论人为如何精确地对准，包括前期的基阵设计和后期的基阵安装，测速基阵总会与载体艏向、横向和纵向间存在安装误差，该误差从空间上看是三维的误差，即与载体艏向误差、载体横向误差以及载体的纵向误差。
在安装时，我们希望GPS导航仪、姿态传感器和测速基阵的坐标系在空间上全部对齐，但是安装误差会以恒定偏移的形式添加到解算的载体速度上，从而使得画出的航迹路线与实际航迹偏离得越来越远。
虽然安装误差角度较小，并且下文可以看到的横摇偏差和纵摇偏差对载体运动的影响远小于航偏误差，但是使用多普勒测速仪估计对水速度时，偏移误差就显得非常重要，0.1°的纵摇误差会让船体运动的0.5%变成垂直分力，0.1°的航偏角误差会让船体运动的0.5%变成侧向分力。
偏差速度与船体运动速度相比较小，但是当研究对水速度时，由于水的运动速度通常比较小，而安装的误差保持不变，对水流测速的影响就会越来越大。
本文将介绍如何利用多普勒测速仪的对底测量速度校准航偏角，通过和GPS 的航迹比对，得到测速基阵安装的航偏角。
再利用纵向剖面的几何关系，进一步校准横摇偏角和纵摇偏角。
一、三维空间校准⒈航偏角校准首先对航偏角与横摇角和纵摇角做出说明：载体行驶时与大地坐标系下正北方向的夹角为航偏角；水平方向上，载体纵倾与水平面的夹角为纵摇角；载体横摇时与水平面的夹角为横摇角，此为普遍意义上的定义。
而在研究多普勒测速仪时，航偏角、纵摇角和横摇角的定义如下：安装时多普勒测速仪与载体之间存在安装偏角，与载体艏向的夹角为航偏角α，与载体纵向的夹角为纵摇角β，与载体横向的夹角为横摇角γ。
11 综合声学定位技术简介
水下声学定位技术经过数十年的发展已成为各种应用和领域解决水下定位和跟踪最主要和最可靠的技术手段，从定位模式方面可分为USBL （超短基线）定位；SBL （短基线）定位；LBL （长基线）定位三种基本定位模式，和为满足某些特殊定位要求的组合定位模式：L&USBL (长超短基线)定位；L&S&USBL (长短超短基线)定位等。
以上定位模式简单介绍如下：超短基线定位技术由于其系统组成简单、安装简易等特点成为应用最为广泛的水下声学定位手段，该技术主要应用与水下拖体定位跟踪、ROV 定位导航、DP 船声学定位参照、水下潜员跟踪定位等等。
顾名思义，该系统的测量极限非常之短，只有几十公分，且组合于单个声学换能器阵列，便于水面船安装和使用。
参考下图：Technical Documentation 技术文件Prep 撰写人：亓正宇 Qi ZhengYuSubj 主题： 水下综合声学定位技术简介 Aproved 审查人：Date 日期：2011-1Key 关键词：Sonardyne ,宽带数字脉冲，USBL/LBL/SBL/LUSBL/USLBL ,高速遥测USBL 系统所采用的技术为相控测量技术，即通过测时得到目标距；通过相位测量测得目标的水平几垂直角度，进而确定目标的相对位置。
由于USBL系统的基线非常短，因此其测量角度的分辨率不可能很高，因此该技术系统所能提供的定位精度随斜距的增加而降低。
采用常规模拟声学技术的系统测距精度通常为20-30厘米，只有Sonardyne 公司的宽带数字声学技术可达到2-3厘米；定位精度通常为0.2-0.5% X 斜距（必须经过高精度姿态改正和声速改正）。
典型的系统组成和应用如下：典型应用：水下拖体定位跟踪、ROV定位导航、DP船声学定位参照、水下潜员跟踪定位，AUV定位跟踪、遥控，BOP遥控遥测，导管架角度遥测等。
短基线定位系统组成较为简单、安装较为简易，基线由安装在船体的多个（通常4个）发射接收机组成基线，测量基线几十米，参考下图：SBL 系统所采用的技术为测距定位技术，即通过测时得到目标距每个发射接收机的距离，进而确定目标的相对位置。
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。
水下定位与导航技术声学多普勒测速技术概述
f dII
2vx C
fT cos
多普勒频(1移 2x)
fT
fT
1
2vx C
cos
fd
f dI
f dII
4vx C
fT cos
为：
f dx
fr
fT
2xfT
2vx C
fT cos
水平速度 ：
C
vx 2 fT cos
f dx
5
vx
4
Cf d
fT cos
第6页/共78页
5.2 舰船多普勒测速原理
• 舰船多普勒测速原理 • 十字形配置和X形配置
詹纳斯（Janus）配置
船首尾线方向
船首尾线方向
6
前第后左7页右形/共配7置8页
X形波束配置
5.3 影响多普勒测速的主要因素及改 进方法
• 由解算公式近似引起的误差 • 船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 • 传播声速引起的测速误差 • 有限波束宽度的影响 • 噪声对频率测量的影响 • 安装角度偏离误差及其校正
由此得到后沿的往返时间为
x v/c
t2
2L / C 2xT 1 x
3
第4页/共78页
5.2 舰船多普勒测速原理
• 多普勒效应的时域分析 • 换能器接收到的脉冲宽度
2L / C 2L / C t1 1 v / C 1 x
前
后
沿
所需往返
t1 t2
时间不同
2xT
，其差值是
t2
2L / C 2xT 1 x
• 由解算公式近似引起的误差 • 船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 • 传播声速引起的测速误差 • 有限波束宽度的影响 • 噪声对频率测量的影响 • 安装角度偏离误差及其校正
声学多普勒流速剖面仪技术发展及其应用
声学多普勒流速剖面仪技术发展及其应用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）的出现得到了海洋学界的高度重视，它的应用揭示了海流的时空分布特征，能描述流体质点运动状态，被国际海委会定为4种先进的海洋观测仪器之一。
本文较为全面系统地介绍了ADCP的原理、特点及其历史发展状况，以及ADCP的应用情况。
随着科学技术的不断发展，以及人类对海洋认识的不断加深，ADCP将向轻便、小巧、精密、智能化且多功能、多用途方向发展，并在智慧海洋及信息化等方面的应用与研究将发挥更显著的作用。
从养殖捕捞、防灾减灾到能源开发，凡与海洋有关的事务均需海洋环境要素的观测与数据。
ADCP能够提供高分辨率、高精度、信息海量且完整的观测与数据，在实时监测海洋流场对海洋科学研究、海洋经济建设和国防建设具有重要意义。
因海水引起的传输衰减，电磁波和强激光光波在海水中很难穿透1公里的距离，而声波在海洋中的衰减仅为电磁波的千分之一（低频声波在浅海中可传播数百公里，在大洋中可以传播上万公里），所以，声波是目前可实际应用于海洋远距离传播的物理场，研究海洋声波也成为认识海洋、研究海洋的重要工具。
ADCP就是利用声波多普勒效应发展起来的一种新型声呐测流设备。
它既可测量相对水底速度，又可兼顾测量相对水流速度。
因ADCP采用声遥测方式对被测流场无干扰，且能获得高精度速度信息，既可用于导航定位，又被广泛应用于包括对地波雷达等先进海洋观测设备海流对比验证在内的海洋及内陆河流工程与研究领域，因此被国际海委会定为4种先进的海洋观测仪器之一。
一、ADCPADCP是一种融合水声物理、水声换能器设计、电子技术和信号处理等多学科而研制的新型测速声呐设备，作为水声技术的一个典型应用，多普勒流速测量为这些相关学科提供了一个良好的综合应用平台。
（一）基本概念ADCP（AcousticDoppler Current Profiler，声学多普勒流速剖面仪），利用声学多普勒原理，测量分层水介质散射信号的频移信息，并利用矢量合成方法获取海流垂直剖面水流速度,即水流的垂直剖面分布。
声学多普勒海流计的近期发展综述
声学多普勒海流计的近期发展综述作者：刘长乐，刘有刚，尹训强来源：《科技视界》 2015年第26期刘长乐1,2 刘有刚2 尹训强3（1.中国海洋大学，山东青岛 26600，2.国家海洋局北海海洋工程勘察研究院，山东青岛 266033，3.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛 266033）【摘要】声学多普勒海流计是目前国际上流速测量采用的主要设备，此类仪器利用声学多普勒原理进行流速剖面测量，具有传统测量手段无法比拟的特点。
本文对声学多普勒海流计工作原理与近期发展进行了总结，并简单归纳了声学多普勒海流计在应用中应注意的问题。
【关键词】多普勒；海流；波浪；发展作者简介：刘长乐（1978—），男，学士，高级工程师，主要从事物理海洋调查与研究。
刘有刚，硕士，教授级高工。
0 研究背景海流是海洋水文的主要要素之一，海流的测量是近海和远洋调查的重要内容之一。
自从1905年制造出首台艾克曼海流计以来，经过一百多年的历史，测流仪器已经发展到上百种。
声学海流计是近代发展起来的、以声学多普勒效应为测量原理的新型物理海洋观测仪器。
由于声学海流计具有不破坏流场，可测瞬时流，能自动校准，能获得高精度，能测低流速等机械转子式海流计所不具备的优点，自从它出现以后，很多国家都很重视。
近些年来，国内若干单位也进行了这方面仪器的研制。
声学测流仪器按其工作原理可划分为多普勒流速剖面仪、单点式多普勒流速计，本文仅讨论第一种。
1 近期发展近三十年来，以美国RDI公司和挪威Nortek公司为首的数家设备制造厂商在声学多普勒海流计从实验室走向野外观测方面做出了卓有成效的工作。
1981年起，美国RDI公司先后推出了三代ADCP（声学多普勒海流剖面仪），其中1981年推出第一代窄带ADCP，1991年推出第二代即宽带ADCP，在第一代的基础上提高了流速测量的空间和时间分辨率，1995年推出第三代即小型化、低成本ADCP，目前，该公司已成为多普勒海流剖面仪行业的标杆，尤其是其拥有世界领先的底跟踪专利技术，根据应用海域深度不同，分别生产制造了Mariner、Sentinel、Ocean Surveyor等系列产品，具备精确走航海流剖面观测能力，使其成为全球最大的ADCP生产厂商，其生产的超过5000台ADCP在世界各地得到了广泛应用。
水下定位技术概述
Copyright—Sound and Vibration Lab of ZJUT
17
定位误差：声线弯曲
常声速声线跟踪法
常梯度声线跟踪法
sin i pCi
1 Ri pgi
18
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定位误差：姿态变化
X
X X Y Y ZZ
Y
Z
姿态变化
为什么要进行姿态 修正： 船受风、浪影响， 会有晃动。而测量 是以基阵坐标系进 行的。 解决方法：姿态修 正（坐标变换）
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19
定位误差：海洋噪声
海洋噪声来源：海面波浪空化噪声，舰 船噪声等。 应对措施：对噪声源抑制降低噪声提高 信噪比。 选择流线型的测量船和换能器，选 择低噪音发动机，增大吃水深度等。
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4
基本概念：三种声学定位系统
定位类型 基线长度（m） 简称 特点 大面积区域调查； 系统复杂，操作 繁琐。 操作简单，价格 低廉；深水测量 基线长度要大于 40米。 安装、操作简单； 精度校准要求极 高。
长基线
100~6000
其中
H3 (-a,-b)
(a,-b) x
H1
(-a,b)
2 1/ 2
H4
R3
HP 2 (a,b) R2 R1
z1 R12 ( x a) 2 ( y b)
z2
2 2
R
( x a)
2
( y b)
水下定位与导航简述
3 声呐方程基础
什么是声呐？ Sonar：Sound(声) +Navigation(导航) +Ranging(定位) 利用水下声波判断海洋中物体的存在， 位置及类型的方法和设备。 是利用水中声波对水下目标进行探测、 定位和通信的电子设备，是水声学中应用 最广泛、最重要的一种装置.
仿生学来源：海豚追踪猎物
美国钻探船“格洛玛·挑战者”号用的重返和动态
1~50 <1
简称 LBL SBL USBL或SSBL
海底应答器的位置分别为： 注意：与ＧＰＳ定位不同，仅需３个海底应答器即可！
三种系统的优缺点：
（1）超短基线定位系统 优点：整个系统构成简单、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，其定位精度随着水深和工作 距离的增加而降低。定位精度比其他两种系统差。
具体做法：
➢ 在海底放一个水声应答器作为基 准点，同时在船上布放三个水听 器进行应答测距。在下钻作业时 船上向基准点应答器发出脉冲， 应答器收到信号之后发出回答脉 冲，这回答脉冲被船上的三个测 距水听器收到，这时可以测出三 个水听器与基准应答器的距离。 当外界条件使船位移时，水声应 答器测距系统随即测出这三个距 离的变化。将这些数据送入计算 机，计算出船位的水平移动量， 再开动几个可变螺距的推进器， 使船复位，也就是使三个距离和 原来的一样。这样，船在不断运 动中保持位置不变。
1、声纳方程
主动声纳方程： (SL 2TL TS) (NL DI) DT
被动声纳方程：
SL TL (NL DI) DT
SL反映发射器辐射声功率大小 TL：传播损失，定量描述声波传播一定距离后强度的衰减变化 TS：目标强度，定量描述目标反射本领的大小 NL：海洋环境噪声（背景干扰） DI：指向性指数。越大表示声能在声轴方向集中的程度越高； DT：检测阈值。设备刚好正常工作的所需的处理器输入端的信噪比 值
海洋技术 交流 探析水声定位技术在海洋测量的应用
技术交流▏探析水声定位技术在海洋测量的应用水声定位技术最先应用于军事，后由于海洋开发、勘探、资源开采的需求逐步应用于各类商用、民用工。
它能够提供海底勘查设备如ROV和AUV等重要的定位、导航和通信支撑。
一、水声定位技术的概述水声技术始于第二次世界大战初期，海洋探测和海军的需求是水声技术发挥的两大基本推动力。
第二次世界大战后，水声技术在民用方面的应用日益广泛，海洋开发、捕鱼、海底地质测绘、导航、水下机器人研制等方面都有水声设备的应用。
目前，声波是海洋中唯一能远距离传输信息的有效载体。
因此，水声技术作为海洋开发的主导技术之一。
水声技术是获取和传递水下信息最有效的手段，这是无线电和光电设备等用于水下都显得无能为力的根本原因。
水声技术的工作环境是海洋，信息载体是声波，工作目标是水中目标，这使水声技术具有自己的独特之处。
二、水声定位技术在海洋测量的应用⒈ 水声定位技术在海洋油气开采作业的应用深海海洋石油开采分为移动平台钻井、海底管线与海底开采平台安放施工、系统开采油气作业、停止开采封井四个阶段。
海底管线与开采平台系统安放施工主要包含三类作业：管线铺放、水下结构物的沉放、跨接管长度的测量与安装。
深水区域的管线测量一般使用水面支持船搭载USBL 对沿管线行进的ROV实时定位。
通过定位系统对ROV载应答器定位测绘管线的实际水平位置与走向，据此调节铺管船的航向，减小实际管线与设计偏差。
管线铺设完成后需要获取管端基盘（PLET）的大地绝对位置，在作业中将使用LBL 定位系统。
水下结构物的安放包括管汇基盘（PLEM）、管汇（Manifold）与水下分配基盘（SDU）等的安放作业。
作业中首先沉放3种水下结构物的底座，随后在声学定位系统的引导下完成顶层结构与底座的对接，作业中使用了LBL定位系统。
作业中通过水下基阵对安装在水下结构物的应答器进行声学定位，据此测量安装过程中结构物的大地绝对位置以及方位角。
为避免管线铺设以及水下结构安装产生的误差，水下结构物之间通过测量两者接口之间实际距离后选用匹配的跨接管完成衔接。
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fdfd I fdI I4 C vxfTco c so sv vx zsi n
在船舶无摇摆及上下起伏时
前后两波束接收信号的频差为
fd
r
4vx C
fT cos
相对频率测量误差
fd fdfdrco svzsi n 1
fd r
fd r
vx
浅水使用时 收发期间只 需测量一次
姿态角
例如当 5和 10时，将分别带来 0.3%和 1.5％的测量误差。
计算法定位导航设备
机械式导航设备：水压式测速计、拖曳式旋转流量计等。 电子式导航设备：电磁计程仪、声多普勒计程仪和声相关
计程仪。
5.1 引言
多普勒现象 目标与声源的相对运动（相向、相离） 声源和接收一体的情况
多普勒速度解算公式 舰船的测速原理、方法 测速误差产生的原因
影响多普勒测速的主要因素及改进方法
在相向运动时，脉冲被压缩；在相离运动时，脉冲被展宽。
5.2 舰船多普勒测速原詹纳斯理（Janus）配置
舰船多普勒测速原理
xv/C
船与被照射 vvxcos
区的相对径 向速度为 ：
x vx cos
C
fd
I
2vx C
fT cos
接收的回波 1x (1x)2
信号频率为：fr
1x
fT
1x2
fT
fdII2Cvx fTcos
若其往返时间为t2，在t2时间内目标又向声呐靠近 vt2 / 2 。
因此有 L12v2tvT12C2t
由此得到后沿的往返时间为
xv/c
t2
2L/C2xT 1x
5.2 舰船多普勒测速原理
多普勒效应的时域分析 换能器接收到的脉冲宽度
t1
2L/C 2L/C 1v/C 1x
前后沿所需往返时间不同，其差值是
2C vx fT2co2 C vxscfTo cso2 C vsz(f T2 )c2 oC vzssfTis n in ()
前后两波束接收信号的频差为
fdfd I fdI I4 C vxfTco c so sv vx zsi n
船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 利用姿态测量装置对速度进行修正
无摇摆时 0，因此 fd / fdr0
当vz=0时，可以解出修正后的速度为
vx
4fT
Cfd
coscos
5.3 影响多普勒测速的主要因素及改 进方法
由解算公式近似引起的误差 船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 传播声速引起的测速误差 有限波束宽度的影响 噪声对频率测量的影响 安装角度偏离误差及其校正
各个测量误差对总误差的贡献
减小测速误差的方法 相控阵多普勒测速技术 多普勒计程仪在大深度使用时摇摆问题的分析及摇摆补偿 多普勒测速声呐频率测量技术
5.2 舰船多普勒测速原理
多普勒效应的时域分析
脉冲前沿到达时刻
t1
设脉冲经目标反射回到接收点
的时间为t1，
则目标移动的距离为 vt1 / 2 。
2vx C
fTcos()2Cvz
fT(cos)
2vx C
fTcos()2Cvz
fTsin()
fdfd I向fdI后I 的II号波束测得的多普勒频移为
2C vx fT fd IcIo 2C vs x (fT ) cco os(s ( )) 2C v2C zvzfTfT ( scio n s )( )si n()
2xT
t2
2L/C2xT 1x
t t 1 x 1 2
无相对运动时前后沿到达的时间应当相等， 有相对运动，t1-t2变化了多少时间？
因此，接收信号的脉宽为
接收信T 号r 频T 率 变(t1 为t2)T1 2 xxT 1 1 x x T
结论
fr
11x11xf Tr 1x T 1x
0
T
t1 t2＋T
船首尾线方向
船首尾线方向
前后左右形配置
X形波束配置
5.3 影响多普勒测速的主要因素及改 进方法
由解算公式近似引起的误差
船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿
传播声速引起的测速误差 有限波束宽度的影响 噪声对频率测量的影响
vx
cfd
4 fT cos
安装角度偏离误差及其校正
由解算公式近似引起的误差 没有近似时的多普勒频移为
5.3 影响多普勒测速的主要因素及改 进方法
由解算公式近似引起的误差 船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 传播声速引起的测速误差 有限波束宽度的影响 噪声对频率测量的影响 安装角度偏离误差及其校正
船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿
在有摇摆和上下起伏时
向前的I号波束测得的多普勒频移为
fdI
fd1
C
没有近似时I号波束、II号波束接收的信号频率为
fr1
1 x 1x
fT
fr2
1x 1 x
fT
前后两波束接收信号的频差为
4x fd1fr1fr21x2 fT
一阶近似后的多普勒频移
fd
4x
fT
4vx C
fTcos
4x
引入的相对测速误差为 fd 1x2
4x
x2
vx
cos2
fd1
4x
C
1x2
因此有
L vt1 Ct1 22
因而得到前沿往返时间为
ct1 / 2
vt1 / 2
t1v2Lc12Lv//cc 2 1L /xc
5.2 舰船多普勒测速原理
多普勒效应的时域分析
脉冲后沿到达时刻
t2 设发射脉冲宽度为T， 则当脉冲后沿离开换能 器表面时，目标已向声 呐靠近了vT。
vt2 / 2 vT
水下定位与导航技术
第五章 声学多普勒测速技术
5.1 引言
舰船导航设备的类型
无线电导航设备，典型的有劳兰-C系统（定位精度 约200米）、系统（精度约1海里）以及台卡系统 （精度25米）等。
卫星导航系统，全球卫星导航系统定位精度可达 5~10m。
惯性导航系统。可长时间连续工作，但是有累积误 差，其量级达到每小时几十米。
多普勒频(1移2x)
fT
fT
1
2vx C
cos
fd fdIfdII4C vx fTcos
为：
fdxfrfT2xTf2 C vx fTco s
水平速度 ：
vx
C
2fT cos
fdx
vx
Cfd
4 fT cos
5.2 舰船多普勒测速原理
舰船多普勒测速原理
詹纳斯（Janus）配置
十字形配置和X形配置
fT－－发射频率 fr－－接收频率 fd－－多普勒频移
1 x
2 x
fd 1frfT 1 xfTfT 1 xfT
一阶近似后的多普勒频移
fdx2xTf
2vx C
fTcos
引入的相对测速误差为
fd fd1fd 12xx2xxvxcos
fd1
fd1
2x
C
1x
由解算公式近似引起的误差
詹纳斯配置
fd xvx cos