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1、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
2、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
3、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 M S 海面 D Z 海底 P图61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61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）： （61）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： （62）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
4、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 t a d/2 M b t 航首方向图62测向方式的工作原理如图62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，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
5、M的要滞后。设t和t分别为a和b相位超前和滞后的时延，那么由图29，我们可写出a和b接收信号的相位分别为： （63） 于是水听器a和b的相位差为： （64） 显然当=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。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
6、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 o x p y 1 3 T1 T3 2 4 T2 T4图63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510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63所示。是设置在海底的应答器，其高斯坐标为，为平均海面至的深度。P为测点，可用水声仪器测得P至的距离（经声线
7、弯曲改正），用距离空间交会法就能确定P点的坐标。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，如选用则运载工具至T1、T2的平面距离S1、S2为： （65） P T1 S1 S12 S2 T2图64 T1、T2与P点在平面上的关系如图64所示，由图可知，由S1、S2、S12可推算，进而求得，而：上面为两距离计算P点近似坐标的方法。当采用三距离方式定位时，如选用，则运载工具至T1、T2和T3的距离为： 设 则 （66） （67） （68） 由（66）式减（67）式： （6
8、9） 由（68）式减（67）式： （610）由（69）式： （611） （612）将（611）式和（612）式代入（610），经整理可得： 当采用具有多余观测方式定位时，可采用下面平差的方法计算最或然点位坐标。6.2.3 最或然点位坐标计算首先根据（332）式建立位置线误差方程式： 式中：为的改正数； （613） 其中分别表示由P点近似坐标计算的与之间的距离。 其中系数表示为以下形式： （614） 解算上面位置线误差方程式可得： （615）如果只布设三个应答器T1，T2，T3时，则把视为精确值（已知值），平差计算测点坐标及其定位中误差。6.3 短基线系统 H1 H2 H3 x H1 H2 R
9、z x T图656.3.1 概述如图65所示，短基线系统水下部分仅需要一个声信标（或应答器），而船上的接收基阵一般由三个换能器组成。基阵安装在船体的下方，为了提高定位精度，基线长度尽可能利用船体的长度和宽度，通常在10米以上。三个换能器构成互成正交的基阵，H1和H2连线指向船首的方向定为x轴，基线H1H2的长度为。H2和H3连线指向右舷的方向为y轴，长度为。指向海底的方向为z轴。短基线系统有声信标、应答器和响应器三种工作方式，下面分别介绍。6.3.2 声信标工作方式 P x y x y z z R T z图66声信标工作方式是在海底设置声信标T，由仪器测得H1、H2至T的时间差，H1、H3至T
10、的时间差，则可求得点位坐标。如图65、图66所示，设x、y和z分别为PT方向与x、y、z轴间的夹角，可得： 而 式中：V为声波在海水中的传播速度。声信标T相对于船位P的坐标x，y为： （616） 式中：z为定位时水听器H与声信标T的深度差。 X x Hx P Y y x y x T y图67这种系统主要用于深海采矿和钻井工程的动态定位。声信标常设置在井口旁边，用于保证钻井船只准确位于井口上方。因此在水平位移较小时，x、y接近90；而z接近0，即。同时： （617） 声信标相对于船位P在高斯投影平面上的坐标增量，由图67可以看出： （618）式中：为定位瞬间，作业船只的坐标航向。=真航向+子午线
11、收敛角。船只的高斯坐标为： （619）6.3.3 应答器工作方式该工作方式是把设置在海底的声信标改换为应答器。此时，在作业船上要相应增加主动询问应答器的系统和更加复杂的处理回答信号的设备。如图65，图66所示，通过测量作业船只至应答器的距离和方位来确定船位： （620）应答器方式的主要优点是：1. 可测出传播路径的绝对时间，因此应答器的三维空间坐标，在没有任何简化与假设的条件下，就能测得。从而使短基线系统有能力将工作距离延伸至几倍的水深，扩大了系统的应用范围。2. 在多个参考声源工作时，可按顺序进行询问，便于控制。3. 应答器未被询问时，不发射，可节约能源，有利于延长工作时间。4. 便于回收应
12、答器。6.3.4 响应器工作方式响应器是通过电缆与作业船只相连的。响应器的发射是由船上的电信号控制，触发一次才发射一次声脉冲。响应器的工作方式与应答器工作方式基本相同。不同之处，询问应答器是声路径；而询问响应器是电路径，因而计算作业船只至响应器的距离，仅使用单程传播时间。与应答器工作方式相比，该方式的优点在于用电路径询问干扰小，可靠性好；其缺点是需用电缆连接，活动范围受限制。 6.4 超短基线系统短基线系统适用于较大的船只，安装换能器较麻烦。超短基线系统也仅需一个海底参考声源，也有声信标和应答器工作方式。它与短基线系统的区别是其船底的水听器阵是将三（或四）个敏感元件集中安装在一只精密的容器内，敏感元件之间的间距仅为几个厘米。容器内如安装如图65所示的三个敏感元件，可形成两个正交的基线bx、by，构成二维空间。如安装四个敏感元件，可形成三个正交基线bx、by、bz，构成三维空间。通过测定T至H2的距离，同时测定声波到达敏感元件H1、H3、H4和H2的相位差x、y、z。这样船位P至应答器T的方向余弦为： 带入（620）式即可求得应答器T相对于船位P的坐标x、y、z。
