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。
听器输出电压值；将水听器移置于混响场中，声轴指
向目标，水听器输出电压值。
水听器输出端混响功率 RL 10lg 参考声强信号产生的功率
声纳参数
接收指向性指数DI
定义：
无指向性水听器产生的 噪声功率 DI 10lg 指向性水听器产生的噪 声功率
物理含义：接收系统抑制背景噪声的能力。 注意：指向性水听器的轴向灵敏度等于无指向性水
8.5 声呐方程及有关参数
什么叫声纳？ Sonar—SOund NAvigation and Ranging 利用水下声波信息对水下目标进行探测、识别、 定位、导航和通讯的系统 声呐按工作方式分为主动声呐和被动声呐 声呐方程：将介质、目标和设备的各项参数 相互作用联结在一起的关系式
声纳参数
主动声纳
声纳方程
1.将海水介质、声纳目标和声纳设备作用联系在一起； 2.将信号与噪声相联系； 3.综合考虑水声所特有的各种现象和效应对声纳设备的 设计和应用所产生影响的关系式。
声纳方程
基本考虑
1.声纳方程基本原则：信号级-背景干扰级 检测
阈
2.背景干扰级含义：设备工作带宽内部分背景噪声才起 干扰作用。
声纳方程
发出的声波构成的，它是声纳设备的一种背景干扰。
NL是度量环境噪声强弱的量 ：
IN NL 10 lg I0
注意：IN是测量带宽内或1Hz频带内的噪声强度。
声纳参数
主动声纳背景干扰
环境噪声 混 响 平稳的、各向同性的 非平稳的、非各向同性的
声纳参数
等效平面波混响级RL
定量描述混响干扰的强弱。
定义：强度已知的平面波轴向入射到水听器上，水
3 卫星导航 （1）定义 用导航卫星发送的导航定位信号引导运动载体 安全到达目的地的导航手段。 这种系统由导航卫星、地面站和用户设备三大 部分构成。目前世界上应用比较成熟广泛的是美 国的GPS卫星导航系统以及俄罗斯的GNSS导航系 统，我国的北斗导航定位系统也在快速发展中目 前已经发射了15颗卫星。 （2）特点 可以实现全球、全天候、高精度、连续导航。
第八章：水声定位导航概述
主要内容
8.1 定位与导航概述 8.2 水面舰船的定位导航方法 8.3 水下导航定位技术的发展 8.4 水声定位导航技术简介 8.4.1 水声定位系统 8.4.2 声学测速和计程设备 8.4.3 地形地貌测量 8.5 声呐方程及有关参数 8.5.1 主动声呐方程 8.5.2 被动声呐方程
8.1 定位与导航概述
1 什么是定位与导航 定位与导航可以简单归结为怎样回答下面三个 问题： （1）我在什么地方？（2）我要到哪去？（3） 我怎样去那里？回答这三个问题必须要有一个参 照，也就是一个坐标系统，如以国家大地基准、 WGS-84坐标系统等为参考来回答这三个问题。 2 绝对定位与相对定位 海洋空间定位分为绝对定位和相对定位。以 国家大地基准、ITRF或WGS-84为参考的定位称 为绝对定位，如国家领海的划分等。小范围的海 洋活动需采用相对定位，如寻找石油井口或打捞 沉船等。
8.4 水声定位与导航技术简介
水声定位与导航技术大体分为三类：水声定位技术、载 体声学测速技术和海底地形地貌测量技术。 8.4.1 水声定位系统 水声定位系统主要指可用于局部区域精确定位与导航的 系统。水声定位系统分为：长基线系统、短基线系统和超 短基线系统。 水声定位系统都有多个基元（接收器或应答器），这些 基元间的连线成为基线。
主动声纳方程
信号级（回声信号级）：SL-2TL+TS 背景干扰级：NL-DI
注意：换能器声轴指向？
声纳方程
主动声纳方程
处理器处电信号信噪比：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）
主动声纳方程（噪声背景）：
（SL-2TL+TS）-（NL-DI）＝DT
注意：适用于收发合置型声纳，对于收发分置声纳，
往返传播损失不能简单用2TL表示；适用于背景干 扰为各向同性的环境噪声情况。
声纳方程
主动声纳方程
主动声纳方程（混响背景）：
（SL-2TL+TS）-RL＝DT
声纳方程
被动声纳方程
• 噪声源发出的噪声直接由噪声源传播至接收换能器； • 噪声源发出的噪声不经目标反射，即无TS； • 背景干扰为环境噪声。
声纳方程
被动声纳方程
（SL-TL）-（NL-DI）＝DT
注意：SL噪声源辐射噪声的声源级。 被动声纳存在混响背景声纳方程吗？为什么？
8.4.2 声学测速和计程设备 声学测速和计程设备主要有两种： 多普勒速度计程仪（Doppler Velocity Log ,DVL） 声相关速度计程仪（Acoustic Correlation Log ,ACL） 两种设备参数比较
8.4.2 地形地貌测量 海底地形指海底深度与地理坐标对应的关系图（或等 高线图），海底地貌指海底表面的细微结构图（类似于 照片或图像）。海底地形图通过海底深度测量数据绘制， 地貌图则根据海底各点的回波强度来获得。 用于海底地形地貌测量的设备有： 单波速回波测深仪（Single Beam Echosounder） 多波速回波测深仪（Multibeam Echosounder） 侧扫或旁视声呐（Side Scan Sonar）
听器的灵敏度。
声纳参数
检测阈DT
定义：设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的
信噪比值(SNR)。
刚 好 完 成 某 种 职 能 时信 号 功 率 的 DT 10lg 水 听 器 输 出 端 上 的 噪功 率 声
注意：对于同种职能的声纳设备，检测阈值较低的
设备，其处理能力强，性能也好。
声纳方程
3 导航 导航分为4类 （1）海面长程导航，如海面船只的导航 （2）水下短程导航，如用于水下调查潜水器的导 航 （3）水下长程导航，如潜艇的导航 （4）冰盖下的导航，如北冰洋游轮的导航
自主式导航（无源导航） 非自主式导航（有源导航）
8.2 水面舰船的定位导航方法
现代水面舰船的导航方法有路标导航、 天文导航和无线电导航、卫星定位导航、推 算导航、惯性导航等。其中路标导航和天文 导航是传统的导航手段
水声定位系统的工作频率和作用距离
这是根据水下声波传播的性质划分的频率范围
水声定位系统的用途：
随着海洋开发事业和科学技术的发展，水声 定位系统有愈来愈广泛的用途。例如它可用于水 下目标的跟踪定位、海洋资源开发、海底管道和 电缆的铺设维修、水下结构施工和定位等。在军 事上它应用的重要性更加突显。如潜艇的定位导 航等。
5 惯性导航 （1）定义 利用陀螺仪和加速度计这两种惯性敏感器， 通过测量船舶加速度和角速度而实现的自主式导 航方法。
8.3 水下导航定位技术的发展
（1）需求与局限 20世纪70年代，由于经济上、军事上、科技上的需求 对水下载体的定位要求越来越高。经济上主要是海洋资源 的开发，科技上主要是海洋资源环境调查，军事上主要是 提高水下作战效能的需要。而上面介绍的各种水面舰船的 导航手段除了惯性导航外均很难用于水下载体的定位导航。 并且惯性导航容易导致误差积累精度难以满足需求。 （2）获取水下信息最有效的转播载体是声波 20世纪70年代海洋勘探中用到了长基线、短基线、超 短基线水声定位系统。 80年代核潜艇和水下导弹技术对潜艇定位提出更高要 求。 结果是水声定位和导航已经成为导航领域一个十分重要 的分支
定量描述声波传播一定距离后声强度的衰 减变化：
I1 TL 10lg Ir
声纳参数
目标强度TS
定量描述目标反射本领的大小 ：
Ir TS 10 lg Ii
Q
C
目 标
r 1
P
Ir
1m
常识：1. 不同目标回波不一样；
2. 回波与入射波特性和目标特性有关。
声纳参数
海洋环境噪声级NL
海洋环境噪声：由海洋中大量的各种各样的噪声源
1 传统的导航手段 （1）路标导航 路标导航是利用罗经、测距仪及六分仪测定路 标的方位（船与路标连线与船舶所在子午线的夹 角）、距离或水平夹角等决定船舶位置的导航过 程。 （2）天文导航 天文导航是利用六分仪测定天空中具有一定 规律的天体（星、太阳、月亮）决定船舶位置进 行导航的过程。 （3）传统导航手段的特点 传统的导航手段只能在天气良好的条件下， 物标或天体的能见度良好时才能适用，而且观测 繁杂、速度慢、精度差。
r 1
SL反映发射器辐射声功率大小。
1.2 声纳参数
如何提高主动声纳作用距离？
解释原因：它可以提高辐射
信号的强度，相应也提高回
声信号强度，增加接收信号
的信噪比，从而增加声纳的
作用距离。
声纳参数
声源级与声功率的关系
假设： 1. 介质无声吸收； 2. 声源为点源； 3. 辐射声功率为Pa(W)
I r 1 Pa
缺点：某些水听器可能不可避免安装在高噪声区从 而使性能恶化，此外其定位精度与水深和工作距离 关系极大。 （3）长基线定位系统 优点：定位精度高，且定位精度与水深无关，换能 器小易于安装。 缺点：系统复杂、操作繁琐，需要安装数量巨大的 声基阵、费用昂贵；需要长时间布设和收回海底声 基阵，深水使用时，数据更新率低。
声源级SL 传播损失TL 目标强度TS 传播损失TL 接收指向性指数DI 噪声级NL 等效平面波混响级RL 检测阈DT

声纳参数
被动声纳
声源级SL 传播损失TL 指向性指数DIR 噪声级NL 检测阈DT

声纳参数
声源级SL
描述主动声纳所发射声信号的强弱：
I SL 10 lg I0