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 2

1

=

（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。若对三个以上水下应答器进行测距，就可采用最小二乘法计算船位的最或然值。 二、测 向

测向方式的工作原理如图6—2所

示。船台上除安置换能器以外，还在船的两侧各安置一个水听器，即a 和b 。P

为水下应答器。设PM 方向与水听器a ，b 连线之间的夹角为θ，a 、b 之间距离为d ，且aM=Bm=d/2。

首先换能器M 发射询问信号，水下应答器P 接收后，发射应答信号，水听器a 、b 和换能器M 均可收到应答信号，

由于a 、b 之间距离与P 、M 间距离相比甚小，故可视发射与接收的声信号方向相互平行。但由于a 、M 、b 距P 的距离并不相等，若以M 为中心，显然a 接收到信号相位比M 的要超前，而b 接收到的信号相位比M 的要滞后。设Δt 和Δt ＇分别为a 和b 相位超前和滞后的时延，那么由图2—9，我们可写出a 和b 接收信号的相位分别为：

⎪⎪

⎭

⎪⎪

⎬⎫='∆=-

=∆=θλπωφθλ

πωφcos cos d

t d t b a （6—3）

于是水听器a 和b 的相位差为：

θλ

πφφφcos 2d

a b =

-=∆ （6—4）

显然当θ=90°时，a 和b 的相位差为零。这只有船首线在P 的正上方才行。所以只要在航行中使水听器a 和b 接收到的信号相位差为零，就能引导船至水下应答器的正上方。这种定位方式在海底控制点（网）的布设以及诸如钻井平台的复位等作业中经常用到。

图6—2

三、水声定位系统的工作方式

水声定位系统可采取许多不同的工作方式进行工作。例如，直接工作方式，中继工作方式，长基线工作方式，短基线工作方式，超短基线工作方式，双短基线工作方式等等。不同的水声定位系统可以具有其中一种或多种工作方式。本章仅介绍长基线、短基线和超短基线定位系统。

6.2 长基线系统

6.2.1 概述

长基线系统通常在海底布设三个以上的应

答器（或声信标），以一定图形组成海底基阵，如正三角形或正四边形等。基线长度按所要求的作业区域确定。运载工具（测船）一般位于基阵内，通过测量距离确定点位。长基线系统定位精度可

达到5—10米，测程约5公里。 长基线测量距离可采用两种方式：一种是单向测距，即采用声信标；另一种是双向测距，即

采用应答器定位。 如图6—3所示。4321T T T T ，，，是设置在

海底的应答器，其高斯坐标为）

，（i i i y x T ，i z 为平均海面至i T 的深度。P 为测点，可用水声仪器测得P 至i T 的距离i ρ（经声线弯曲改正），用距离空间交会法就能确定P 点的坐标）

，，（z y x 。 为提高定位精度，可进行多余观测，即由四个以上位置面误差方程，用平差方法求得

最或然点位。下面讨论计算P 点近似坐标），，（p p p z y x 的方法。

6.2.2 定位点近似坐标计算

当采用两距离方式定位时，如选用，，21ρρ则运载工具至T1、T2的平面距离S 1、S 2

为：

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬⎫

-+-=--=--=2212212

122

222222

12121)()()()(y y x x S z z S z z S p p ρρ （6—5）

2 4

图6—3