（检测技术与自动化装置专业论文）利用声纳技术对水下抛投体及根石探测定位方法的研究.pdf

太原理i ：人学硕十研究生学何论文 利用声纳技术对水下抛投体及根石探测定位方法的研究 摘要 在水利工程中，对大坝拦截时，需要将大量的抛投体倾入河道，用 于阻断水流。随着合拢距离的缩短，水流的流速会逐渐加快，有些拦截 大坝的抛投体被水冲走，发生流失。不仅构成施工的浪费，而且这些流 失的抛投体犹如暗礁一样存在于河底，成为河流的障碍物，造成河流的 隐患，特别对船只的航行安全构成威胁。治理解决这一问题已经刻不容 缓。 因此，为了增加抛投体填堵大坝的准确率，减少抛投体的流失，增 加河道的安全性，有必要对这些流失的抛投体进行动态与静态的探测定 位。通过跟踪监测，分析抛投体的分布情况和运行轨迹。另外，河道整 治工程中根石走失是个严重问题，根石走失直接影响河道安全。当水流 强度增大，使原来稳定的块石可能发生向下和顺水流位移，即根石走失。 随着根石走失的加剧，坦石护坡会因失去支撑而失稳，导致坍塌险情的 发生，使工程失去有效防护，危及工程安全，因此探测根石走失就显得 尤为重要。 利用电磁波对各l b - t h 电量进行检测是目前检测技术中最常用，也最 便于信启、处理的方法。对抛投体和根石的临测过程是在水下环境中进 行，由于电磁波在水中衰减很快，所以对水中目标的探测、导航、定位 太原理| ：人学硕十研究生学位论文 和通信主要是采用声波，声波是水中信息的主要载体。水下声波( 简称 “水声”，u n d e r w a t e rs o u n d ) 的应用构成了“声纳”这门工程科学，而以 各种形式利用水声的系统叫做“声纳系统”或“声纳技术”。因此，如 何利用声纳技术对水下抛投体及根石进行探测定位是本文的研究重点。 对于水下抛投体及根石的监测，论文从两个方面进行方法的归纳与 研究，一是对于抛投体及根石在静态下的声纳探测方法的讨论，并且提 出了采用侧扫声纳系统，合成孔径声纳系统，多波束探测系统及水下地 形剖面仪四种方案，利用水下地形剖面仪进行了根石探测实验，并最后 对四种方案进行了分析比较。二是对抛投体及根石在动态下的水下定位 方法研究，提出了利用水下g p s 定位系统，超声波遥测技术，g p s 结 合短基线定位，g p s 结合超短基线定位四种方案，对其中已有的水下 g p s 系统进行了全面介绍，对后两种未成系统的方案进行了理论的研究 探讨，提出了相应的数学解算模型，进行了计算验证，最后对四种方案 从精度、可靠性等方面进行了分析与比较，并分别在静态与动态两方面 提出了针对我国国情的可行方案。 本文是对抛投体及根石监测问题的前期研究，重点是水下的声纳应 用。由于抛投体及根石的监测问题目前仍是相关水利部门未解决的技术 难题，希望通过本文的研究，能够对此难题的解决做出贡献。 关键字：声纳，g p s ，侧扫声纳，超短基线，水下定位 太原理1 人学硕十研究生学位论文 t h er e s e a r c h0 nd e t e c t i o na n do r i e n t a t l 0 n 0 fu n d e r ，a t e rc a s to b j e c t b ys o n a rt e c h n o l o g y a bs t r a c t i ni r r i g a t i o np r o j e c t sa n di n t e r c e p t i o no ft h ed a m ，i t i s n e c e s s a r yt o d u m pal o to fo b j e c t si n t ot h er i v e ri no r d e rt os t o pt h ef l o w w i t hd i s t a n c e b e i n gs h o r t e n e d ，t h ew a t e rf l o ws p e e d w i l l g r a d u a l l yq u i c k e n ，s o m ec a s t o b j e c t so fi n t e r c e p t i n gd a mw e r er u s h e da w a yb e c a u s eo ft h ew a t e rf l o w n o to n l yc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l sa r ew a s t e db u ta l s ow o u l dt h ec a s to b j e c t s b r i n gd a n g e ru n d e r t h er i v e rb e d t h i sp r o b l e mi sc r i t i c a la n du r g e n t t h e r e f o r e ，i no r d e rt oi n c r e a s et h ea c c u r a c yt h a tc a s to b j e c ti sp u ti nt h er i g h t p l a c eo fd a m ，d e c r e a s ew a s t a g eo fc a s to b j e c ta n di n c r e a s et h es e c u r i t yo f t h er i v e rc h a n n e l ，i ti sd e a d l yn e c e s s a r yt ot r a c ka n dm o n i t o rd y n a m i c a l l y a n da n a l y z et h ed i s t r i b u t i o na n do p e r a t i o nt r a j e c t o r yo fc a s to b j e c t - i n a d d i t i o n ，i nr i v e rr e p a i r i n gw o r k s ，r o o tr o c kl o s si s as e r i o u sp r o b l e ma n d a f f e c t sr i v e rs a f e t y w h e nt h ef l o ws p e e df a s t e n s ，t h ef o r m e rs t a b l e r o o t s t o n e sa r ee a s i l yr u s h e dd o w n w a r da n du n c e r t a i nd i s p l a c e m e n th a p p e n e d i i i 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 n a m e l y r o o tr o c kl o s s w i t hr o o tr o c kl o s s i n t e n s i f i e d ，t h es e c u r i t yo f p r o j e c t sc a nb et h r e a t e n e d s oi ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt od e t e c tr o o tr o c k l o s s b e c a u s et h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v ea t t e n u a t i o ni sq u i c k l yu n d e r w a t e r , s o u n dw a v ei su s e dt o d e t e c t ，n a v i g a t e ，o r i e n t a t e a n dc o m m u n i c a t e u n d e r w a t e r s o u n dw a v ei st h em a i nc a r r i e ro f a q u a t i c i n f o r m a t i o n u n d e r w a t e rs o u n dw a v e ( i ns h o r t “w a t e rs o u n d ”) a p p l i c a t i o n sc o n s t i t u t ea ”s o n a r ”a n dw a t e rs o u n d s y s t e mi nv a r i o u sf o r m sc a l l e d 。s o n a rs y s t e m o r ”s o n a rt e c h n o l o g y ”t h e r e f o r e ，t h eu s eo fu n d e r w a t e rs o n a rt e c h n o l o g yt o d e t e c ta n do r i e n t a t ec a s to b j e c ta n dr o o tr o c ki st h ef o c u so f t h i sp a p e r f o ru n d e r w a t e rm o n i t o r i n go fc a s to b j e c ta n dr o o tr o c k ，t h i sp a p e r c a r r i e so u tr e s e a r c ht h r o u g ht w oa s p e c t s ，t h es t a t i ca n dd y n a m i cs t a t u so f c a s t o b j e c t sa n dd i s c u s s e sc a s to b j e c ta n dr o o t r o c ki n p a s s i v e s o n a r d e t e c t i o nm e t h o d ，a n dm a k e su s eo fas i d e - s c a ns o n a rs y s t e m ，s y n t h e t i c a p e r t u r es o n a r ( s a s ) s y s t e m ，a n d m u l t i - b e a ms o n a r s y s t e m s ，a n d u n d e r w a t e rs e c t i o np l o t t e rf o u rp r o g r a m s ，u s e su n d e r w a t e rs e c t i o np l o t t e r t od e t e c tt h et h i c k n e s so ft h er o o t sr o c k f i n a l l y ，f o u rp r o g r a m sw e r e a n a l y z e df o rc o m p a r i s o n o nt h eo t h e rh a n d ，c a s to b j e c ta n dr o o tr o c ki na d y n a m i cp o s i t i o n i n g o fu n d e r w a t e rr e s e a r c hm e t h o d sm a d eu s eo f u n d e r w a t e rg p sp o s i t i o n i n gs y s t e m s ，u l t r a s o n i ct e l e m e t r y ，g p sp o s i t i o n i n g i v 奎垦堡! ：叁堂堡塑窒尘堂堕丝茎一 w i t hs h o r tb a s e l i n e ，g p sp o s i t i o n i n gw i t hu l t r as h o r tb a s e l i n ef o u rp r o g r a m s i ti sg e n e r a l l yi n t r o d u c e dt ou n d e r w a t e rg p ss y s t e mh a v i n ge x i s t e d i n s t e a d o ff o rt h ep r o g r a mh a v i n gn o tb e e ns y s t e mo ft h el a t t e rt w op r o g r a m st o c o n d u c tt h e o r e t i c a ls t u d ya n dm a k et h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lc o u n t m o d e l s ，a n dt h ec a l c u l a t i o no fc e r t i f i c a t i o n f i n a l l y , f o u rp r o g r a m sf r o mt h e p r e c i s i o n ，r e l i a b i l i t ya r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h i sp a p e rd o e sp r e l i m i n a r ys t u d y f o rc a s to b j e c ta n dr o o tr o c k m o n i t o r i n g ；t h e f o c u si ss o n a ra p p l i c a t i o n si nt h eu n d e r w a t e r , b u tf o rt h e s i g n a lp r o c e s s i n gp a r to ft h ew a t e rr e m a i n st o b es t u d i e d b e c a u s eo ft h e d e t e c t i o np r o b l e mo fc a s to b j e c ta n dr o o tr o c kr e m a i n su n r e s o l v e dt e c h n i c a l s s u ei nc o r r e l a t i v ei r r i g a t i o n w o r k d e p a r t m e n t ，i t i s h o p e d t h a tt h e c o n t r i b u t i o ni sm a d et os o l v et h i si s s u et h r o u g ht h i ss t u d y k e yw o r d s ：s o n a r , g p s ，s i d e s c a ns o n a r ，u l t r as h o r tb a s e l i n e ，u n d e r w a t e r o r i e n t a t i o n v 太原理j 人学硕十研究生学位论文 第一章绪论 1 1 研究抛投体及根石水下监测的课题背景 111 抛投体监测的必要性 在水利工程中，对大坝拦截时，需要将大量的抛投物倾入河道，用于阻断水 流。随着合拢距离的缩短，水流的流速会逐渐加快，有些拦截大坝的抛投物因水 流流速过快而被水冲走，发生流失，不仅构成施工的浪费，而且这些流失的抛投 体犹如暗礁一样存在于河底，成为河流的障碍物，造成河流的隐患，特别对船只 的航行安全构成威胁。治理解决这一问题已经刻不容缓。因此为了增加抛投体 填堵大坝的准确率，减少抛投体的流失，增加河道的安全性，有必要对这些流失 的抛投体进行跟踪监测，从而分析抛投体的分布情况和运行轨迹。 112 大坝根石监测的重要性 河道整治工程中根石走失也是个严重问题，影响河道安全。当水流强度增大 块石启动临界粒径不断减小，使原来稳定的块石可能发生向下和顺水流位移， 即根石走失。随着根石走失的加剧，坦石护坡会因失去支撑而失稳，导致坍塌 险情的发生，使工程失去有效防护，危及工程安全，因此探测根石走失就显得 尤为重要。 1 13 课题研究意义 ( 1 ) 通过研究水下物体的静态与动念的监测方法，提出解决抛投体及根石监测 的方案，研究最切实可行的方案对这些流失的抛投体及根石进行跟踪监测，以 便实现掌握其走向规律和分布规律的目的，这样便于河道清理，减少盲目性， 降低治理成本，同时通过清除这些人为的障碍也增加了河道航行的安全a 另一 太原理1 人学硕十研究生学位论文 方面，这些监测的数据，为进一步研究抛投体的运行轨迹，以便改变抛投方式 或距离从而减少抛投物的流失。 ( 2 ) 对根石的探测研究，了解根石的厚度和流失走向，可以大大提高河道的安 全。根石探测技术一直是困扰堤防安全检测的重大难题之，解决水下根石探 测技术问题，及时掌握根石的分布情况，对减少险工出险、保证防洪安全至关 重要。几十年来，水下根石状况完全靠人工探摸估计，人工探摸范围小、精度 差，难以满足防洪保安全要求。19 8 2 年河务部门开始对河道下游现代化根石探 测技术进行研究，1 9 9 2 年曾被列入国家科技攻关项目，但未能彻底攻破这一难 颢。 12 声纳技术的发展现状 众所闰知，电磁波是空气中传播信息最重要的载体，例如，通信、广播、 电视、雷达等都是利用电磁波。但是在水下，它几乎没有用武之地，这是因为 水是一种导电介质，向水空间辐射的电磁波会被水介质本身所屏蔽，它的绝大 部分能量很快地以涡流形式损耗掉了，因而电磁波在水中的传播受到严重限制。 至于光波，本质上属于更高频率的电磁波，被水吸收损失的能量更为严重。因 此，它们在水中都不能有效地传递信息。实验证实，在人们所熟知的各种辐射 信号中，以声波在水中的传播最佳。正因为如此，人们利用声波在水下可以相 对容易地传播及其在不同介质中传播的性质不同，研制出了多种水下测量仪器、 侦察： 具和武器装备，即各种“声纳”设各【2 3 】。 水声探测和声纳系统的发展可以追溯到15 世纪，早在1 4 9 0 年，意大利人 达芬奇就记述了利用两端丌口的长管插入水中听测远处航船的方法。后人把这 种水下探测信号的工具称为“芬奇管”。 现代声纳技术的发展始于2 0 世纪。1 9 1 6 年，法国物理学家p f l g 之万等 人利用电容发射器和碳粒微音器进行了回声声纳技术实验，收到了海底回波和 距离2 0 0 多米处一块装甲板的回波。次年，郎之万改用石英钢央心换能器， 采用刚研制成的电子管放大器，使水声与电子技术相结合，成为现代主动声纳 2 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 的先导。试验中，收到潜艇回声信号的最大距离达】5 0 0 米。 声纳技术最早用于军事。第一次世界大战后，声纳技术不断发展。1 9 2 5 年 开始生产以回声方法测深的船用测深仪，1 9 3 5 年有几型比较适用的舰艇声纳陆 续装备水面反潜舰艇和潜艇，第二次世界大战中又出现了航空声纳和海岸声纳。 这一时期的声纳使用磁致伸缩换能器和人工压电晶体换能器，发射功率o 5 - 0 8 千瓦，频率为超声频段( 2 03 0 千赫) ，主动探测距离为l 1 5 海罩，被动探测 距离为2 3 海里。总的来说这时期的声纳技术和声纳性能都是比较落后的。 第二次世界大战之后，电子技术和计算技术的迅速发展大大推动了声纳技 术的发展。6 0 年代初出现了一批新型声纳。7 0 年代由于大规模集成电路和数字 计算机进入声纳技术领域，出现了全数字化声纳。8 0 年代以后，一系列高速并 行处理结构及器件的发展，使声纳信号处理技术以全新的面貌出现，为其实时 处理提供了条件。 目前声纳技术发展的主要特征是： 普遍采用低声频、大功率、大基阵。这是提高声纳作用距离和定位精度 的有效技术途径。目前主动声纳工作频率为15 3 5 千赫，被动声纳为0 i - 1 5 千赫，大型主动声纳的发射功率达1 0 0 2 0 0 千瓦。而大基阵是声纳向低声频、 大功率发展的技术途径之一，二次世界大战时声纳圆柱阵的直径不到o 5 米， 而7 0 年代圆柱阵直径最大达5 米( 例如，美国的a n s q s 5 3 声纳的为4 8 米) ：拖曳线列阵的声学模块段长达百米，使其工作频率低至数十赫兹。 广泛地采用数字计算机。计算机用于信号处理、波束形成、系统控制、 性能监视、故障检测等。计算机进入声纳领域，经历了模拟计算机、模拟机和 数字信号处理机混合、数字信号处理机、微处理机等几个阶段。采用分柿式微 处理机系统结构的典型系统有美国的a n q q 一一5 、a n q q 一一6 、法国的 c i e d o n e 声纳等。8 0 年代后，随着基阵进一步扩大和潜艇噪声、目标信号强度 的降低，要求声纳信号处理机的信息吞吐能力再提高1 2 个数量级，整个系统 的运算速度达l o 1 0 0 亿次秒，因此，必须采用更先进的处理结构和方法，数 字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ，简称d s p ) 、单片机、脉动阵列机相继出现， 3 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 为声纳数字信号处理技术的发展开辟了道路。 利用数字多波束和单波束电子扫描技术，实现对目标的水平全向或三维 空问搜索。这种技术能实现对多个目标的搜索和跟踪，测向精度为o 2 5 ，测 距精度为l 5 。 大力发展拖曳线列阵声纳。最初用于地震波和海底勘探的拖曳线列阵声 纳，是7 0 年代爿移植到船上的。它的出现被誉为“7 0 年代水声技术领域的重 大突破”。其主要特点是：它的基阵孔径比舰壳声纳的大一个数量级以上，从而 可工作于超低频：基阵远离拖曳平台并可选择最佳工作深度，使背景噪声大大 减小。因此，拖曳线列阵的探测能力相当高，例如，利用线谱检测技术的监视 型拖曳线列阵声纳，其被动探测距离最大可达数百海罩。最先进的拖曳线列阵 是美国的a n s o r 1 9 。 提高系统的综合化程度。7 0 年代术发展的第三代声纳，出于普遍采用了 高速中、大规模器件，信号处理机的运算速度和容量大大提高，因此，探测跟 踪、定位、侦察、通信等信号处理可综合进行，不仅减少设备数量，而且提高 了可靠性。 发展主动和被动识别技术，解决水下目标的自动识别。这包括敌我目标 识别和目标性质识别。目标性质识别有传统的听测和视觉显示，或在传统方法 上增加目标多h 勒频移、目标航速、目标航角、识别相关图等多种技术途径。 声纳电路采用小型化、系列化、模块化结构。集成电路在现代声纳中的 大量应用，使其体积比采用分离元件的早期系统大大减小。采用系列化、模块 化结构，使其电子设备具有很强的适应性，可根据需要选择适当模块构成最佳 系统，同时使系统便于功能扩展。 采用新型换能器材料。压电材料作为换能器的主要材料已在声纳中应用 3 0 多年了，其缺点是机械阻抗高、脆性、不均匀等。因此，近几年来出现了压 电聚合物材料、陶瓷复合材料、稀土材料和光纤换能材料等。压电聚合物材料 的优点是密度低、顺性大、阻抗与水的接近、动态范围大，特别适合于做拖曳 线阵和大面积舷侧阵的水听器。陶瓷复合材料是一种新型压电换能材料，其声 4 太原理i ：人学硕士研究生学位论文 阻抗与水十分接近，不易破碎，可制成大尺寸元件。光纤材料在声纳技术领域 可用做水听器和信号传输线。光纤水听器的优点是：尺度小、重量轻、成本低、 可靠性高、抗电磁干扰、灵敏度高、噪声低、设计灵活、功能多等。 声纳技术的发展趋势：进一步加强对各类水声信道的利用，提高声纳作用 距离，利用计算机技术的新成果和继续发展水声信号处理、线谱检测、目标识 别等技术，发展新一代数字式声纳，研究新型换能器材料和制造工艺，利用光 纤水听器、高分子聚合物水听器，发展新型拖曳线列阵声纳；发展新型环境自适 应声纳，以获得最大的有效性和减轻声纳操作员的工作负担等。 国际上从事声纳技术发展的国家主要有美国、法国、英国、俄罗斯、同本、 加拿大、德国、意大利、荷兰、挪威、澳大利亚等。从事声纳生产的公司估计 有数百家之多，比较著名的有美国的雷西昂公司、埃多公司、通用电气公司、 霍尼韦尔公司等，法国的汤姆森c s f 公司等，英国的普莱赛公司等，r 本 的电气公司等。资料显示，美国从1 9 9 4 财年至1 9 9 9 财年用于声探测技术发展 的经费为每年0 9 亿美元左右。 13 水下探测技术的发展现状 水下探测技术【3 6 】称为探测声纳技术。探测声纳2 1 分为侧扫声纳、测深侧扫 声纳、合成i l 径声纳、多波束声像声纳、浅底层剖面仪。 侧扫声纳的研制丌始于5 0 年代后期，目自口己获得广泛的应用。于6 0 年代 后期丌始研究合成孔径声呐技术和测深侧扫声纳等技术。 ( 1 ) 侧扫声纳( s i d e s c a ns o n a r ) 的发展1 3 1 1 3 2 i 侧扫声纳是一种利用声波来探测水下内部环境的有效系统，侧扫声纳由拖 在水中的拖鱼、线缆和装在船上的处理器三部分组成。其基本原理为：由随船 行进的拖鱼产生两束与船行进方向垂直的扇形声束，声波碰到海底或礁石、沉 船等物体就会反射回来。反射回来的信号出拖鱼接收系统接收、转换放大，然 后用处理器以图像的形式记录、显示和反射信号。最初用于军事方面海底地形 图等，随着水下开发和环境保护的发展，加上侧扫声纳自身的特性，现在侧扫 5 太原理i ：人学硕士研究生学位论文 声纳越来越应用于水下环境，特别是海洋环境的连续自动监测中。 从2 0 世纪5 0 年代起，侧扫声纳经历了几十年的研究和丌发，由最初的单 波束模拟信号侧扫声纳发展为多波束数字信号侧扫声纳和合成孔径侧扫声纳， 其分辨率、量程和探测深度都有很大提高。 8 0 年代后期，许多公司成立并研制自己的产品，目前，世界上的侧扫声纳 主要有b e n t h o s 公司生产的s i s 一1 0 0 0 和t t v - 1 9 0 数字侧扫声纳；k l e i n 公司的 s y s t e m 3 0 0 0 数字侧扫声纳；c - m a x 公司的c m s 0 0 模拟侧扫声纳和c - m 2 数字侧扫 声纳；e d g e t e c h 公司的d f 一5 6 0 a 模拟侧扫声纳；d f l 0 0 0 、9 0 0 d 等数字侧扫声纳。 最初的侧扫声纳控制和显示仪器庞大而笨重，并且采集到的数据用打印机 记录在纸上，不仅查阅的麻烦而且图像不容易识别。在2 0 世纪7 0 年代，第一 台基于计算机的数据处理系统由f r e d n e w t o n 研制而成，但是，直到9 0 年代， 出于计算机硬件和软件的飞速发展这种数据处理系统爿普及起来。到现存 所显示的数据不仅能够以各种形式在显示器上滚动显示、保存、回放，而且能 依据用户自己的要求进行校f 、处理，可以更加名了的显示所探测的水底情形。 目自u 国际上流行的几种侧扫声纳主要有t e i 公司丌发的，也是世界上使用 最多的i s i s 侧扫声纳软件及扩展模块如t a r g e tp r o 、p i p e s c a n 等后处理软件， 美国o i c 公司的侧扫声纳采集软件g e o d a s 和o i c t o o l k i t 和g e o d a sd e s k t o p 两 种便于对所采集的数据进行图形解译的后处理软件等。 中国科学院声学研究所侧扫声纳课题组在“八五”期帕j 成功研制了c s l 型 侧扫声纳系统。c s 一1 型侧扫声纳系统已跻身于国际先进行列，有些技术指标优 于或相当于国际上一些著名公司的产品指标。另外，华南工学院也开发出了s b 型侧扫声纳。而对于侧扫声纳数据处理软件，国内一些单位进行了初步开发， 但没有商品化的东西。 ( 2 ) 合成孔径声纳f s y n t h e t i ca p e r t u r es o n a ls a s ) 技术4 嘲 合成7 l 径声纳技术是利用声纳为雷达而丌发的合成孔径技术，以提高水下 声纳成像的措施，该技术原理是利用一些实体小阵列的移动而合成一个大得多 的阵列，因此可改善分辨率和信噪比。 6 太原理f 人学硕十研究生学何论文 7 0 年代，随着合成孔径i 雷达( s a r ) 技术的推广应用，合成孔径声纳理论 也应运而生。进入9 0 年代后，美、欧等国相继丌展了旨在丌发具有高分辨率的 用于海底测图的合成孔径声纳( s a s ) 系统的研制。由欧共体资助的几家欧洲研 究机构合作，成功地研制了a c i d s a s 系统，并于1 9 9 3 年5 月进行了海上试 验。 美国动力技术公司研制的s a s 也取得了重大进展，它能产生比普通声纳成 像仪洋细近2 0 倍的海底图像。目前，实验用s a s 系统已经可以从4 0 0 m 范围内 分辨出4 0 c m 大小的物体的形状。与普通侧扫声纳系统相配合，应用合成孔径 技术具有巨大的潜在效益，推动丌发这新技术的是计划利用它寻找水雷的海 军部门。不过，用不了几年，从海洋学家、探宝者到电报公司和矿产丌发公司， 任何一个想了解海洋之下隐藏着什么的人或公司都可以利用这一技术，达到他 们的目的或更加有效地工作。 在合成孔径声纳研究过程中，很大程度上依据五、六十年代合成孔径雷达 早期的研究理论和实践。现在，航天和航空的s a r 系统广泛应用于地质找矿、 构造分析、地形测绘、土壤湿度分析、水资源探测和海况分析等领域。我们已 经从空间获得了高质量的s a r 图像。但是把这种微波上使用的技术，运用到 声波成像技术上，特别是应用于具有不稳定性和不均匀性的海水介质中，就要 复杂和困难的多。还有，要求换能器阵列在海洋中的定位精度须在发射波长的 几分之一之内，也阻碍了合成孔径的发展。 合成孔径声纳( s a s ) 利用目标回波信号的相位信息，重构目标声像，通过相 干处理获得的横向( 或方位) 分辨率等于声纳阵的物理大小，它是当今分辨率最 高的声纳技术，它在水中、底上和掩埋目标的探测中具有广阔的应用的景，它 也能获得海底的分辨率声像在每个发射周期内，s a s 要求接收阵元的相对位置 的测量，精度必须在波长的几分之一之内，目前的测量传感器难以达到这个精 度。 s a s 目前研究的重点是直接由声回波中提取接收阵元的位置信息，用常规 的传感器对相应于比波长大得多的那部分相位误差进行修f ，再用先进的自聚 7 太原理l ：人学硕十研究生学位论文 焦信号处理方法修f 掉剩余的相位误差，获得好的声像。海上试验表明，这是 很有的途的方法我国8 6 3 计划海洋监测技术( 8 1 8 ) 主题已把s a s 列入研究计划。 ( 3 ) 测深侧扫声纳( b a t h y m e t r i cs i d e s c a r ls o n a r , b s s s ) 技术 测深侧扫声纳( b s s s ) 的工作原理是声纳拖体的两侧装有两条以上的平行线 阵，估计线阵间的相位差可以测量海底的高度。b s s s 可以同时测量海底的地貌、 地形。水中拖体处的噪声一般比船噪声低2 0 d b ，拖体在水中运动相当稳定，只 需要价格低廉的姿态传感器补偿，因为声阵简单，所以测深侧扫声呐的价格比 较低廉。 国际上许多研究机构不断对其研究完善，b s s s 的主要弱点是测量精度易受 水声信道多途信号的干扰，克服了有关的多途干扰后，它的精度将会有很大提 高，达到i h o ( 国际航道局) 的标准。 b s s s 的主要研究方向是采用高分辨率波束形成技术，区分不同的方向同时 达到的回波。湖上试验表明这种方法很有前途，将会达到i h o 的标准，我国8 6 3 计划智能机器人( 5 1 2 ) 主题中，“c r 0 26 0 0 0 米自治水下机器人”上将装有我国 自行研制的采用高分辨波束形成技术的b s s s 。 ( 4 ) 多波束测深声纳( m u i t i b e a mb a t h m a t r i cs o n a rs y s t e m ，m b s s ) 技术【3 3 | 1 3 4 l 多波束测量是利用同时发射和同时接收多个波束对水底进行条带式i ”】全覆 盖测量的。几乎与测深侧扫声纳发展的同时，国际上于6 0 年代后期丌始研究和 发展多波束测深声2 n ( m b s s ) 技术。它采用常规的延时、加权、求和的波束形成 技术，俗称幅度法，只能在3 2 。内测量海底地形。 8 0 年代挪威s i m r a d 公司研究了新的波束形成技术，即差动相位法多波束 测探声纳可在7 5 。内测录海底地形地貌。当波束与海底处于垂直附近时，幅 度法精度较高，而相位法较差。反之，当波束与海底倾斜时，幅度法精度较差， 而相位法精度较高。现在的产品都同时采用上述两种波束形成技术在宽角度内 测录海底地形地貌。 国际上已有1 0 多家公司生产多种m b s s ，有三家公司在m b s s 上加了一个 频率为3 5 k h z 的发射阵，把m b s s 的接收阵兼作接收阵构成了5 波束的浅地 8 太原理f ：人学硕十研究生学位论文 层剖面仪这样台m b s s 就可获得高质量的地形地貌和浅地层的三维声像。目 日口国际上多波束测深声纳技术的主要研究内容是由它的记录进行底介质分类研 究，并且不断提高成图软件性能。 ( 5 ) 水下地形剖面仪 目前水下地形剖面仪主要以浅地层剖面仪为主。以c o d ad a 5 0 浅地层剖 面仪为例，其原理是通过调频装置，根据拖鱼型号和测试条件，利用3 5 k h z 的声波向水中发射，同时接收水下地层反射回来的信号，并进行分析和处理， 从而获得水下地层的地址状况的信息。国际上，美国e d g et e c h 公司设计的 “x s t a r 全谱扫频式数字水底剖面仪”是世界上最先进的水下剖面探测仪器， 其最大特点是可以穿透浑水和淤泥层。水下地形剖面仪综合了声波与数字信号 处理技术，具有良好的水下探测性能。 1 4 水下定位技术的发展现状【2 7 】 探测声纳是对水下静止的物体进行监测的有效方法，而水下声学定位技术 则是对水下移动物体进行跟踪监测的有效方法。根据声学定位系统定位基线的 长度，传统上将定位系统分为3 种类型：长基线定位系统( l o n gb a s el i n e ) 、短 基线定位系统( s h o r tb a s el i n e ) 、超短基线定位系统( u l t r as h o r tb a s el i n e ) 。 定位系统的划分依据见表1 1 ： 表1 - 1 定位系统的划分 t a b l ei lt h ec l a s s i f i c a t i o no fp o s i t i o n i n gs y s t e m s 定位系统的类型基线长度 超短基线( u s b l ) 1 0 c m 短基线( s b l ) 2 0 - 5 0 m 长基线( l b l ) l0 0 - 6 0 0 0 + m 9 太原理：人学硕十研究生学位论文 14 1 长基线定位系统 长基线定位系统【3 0 】( l b l ) 需要在海底布设3 个以上的基点，以一定的几 何图形组成水底定位基线阵，工作船( 或被测目标) 一般位于基线阵之内，通过 测量应答器与基点之间的相对位置来确定应答器的坐标，工作方式有声学应答 式、电触发式两种。 长基线定位系统的优点是定位精度与水深无关，在较大的范围上可以达到 较高的相对定位精度，定位数据更新率高；缺点是系统构成复杂，基线阵布设需 要消耗高昂的费用，并且需要做大量的校正工作，耗费大量的时间。再者，虽 然长基线定位系统的定位精度是独立于水深的，但是却与工作频率密切相关， 若要获得更高的定位精度，目前典型的做法是发展高频( h i g hf r e q u e n c y ) 或超高 频( e x t r ah i g hf r e q u e n c y ) 的长基线定位系统，但是由于高频信号在水中衰减很 快，因此作用范围很有限，一般很难超过1 0 0 0m 。 目前在国际市场上所见性能较好的长基线定位系统有美国s o n a r d v n e 公司 f u s i o n 系列的长基线定位系统，该系列产品可用于水下仪器设备的连续跟踪定 位，也可应用于复杂的深海工程建设项目、矿石丌采、海难救援等等。中频段 7 8 0 7 型工作水深4 0 0 0m ，定位精度01 5 1 0r n ，高频段7 8 0 8 型工作水深2 5 0 0 m ，定位精度0 0 2 0 1 5m 。再有，挪威s i m r a d 公司的h p r 4 0 8 s 型长基线定位 系统也是同类产品中的佼佼者，具有自动校准功能的异频收发阵使得整个系统 在超过3 0 0 0m 的作用范围内可以达到几厘米的定位精度。h p r 4 0 8 s 型长基线 定位系统因其高精度、高可靠性、数据更新率高( 定位数据更新时间在2 s 左右) 的特点己经被广泛的应用于水下机器人、深拖系统等水下设备的导航定位。 142 短基线定位系统 短基线定位系统【2 0 1 ( s b l ) 与长基线定位系统所不同的是定位基点是布置 在船底的，3 个以上的基点在船底构成基线阵，通过测量声波在应答器与基点 ( 接收器) 之l 、白j 的传播时间来确定斜距，通过测相技术来确定方位，进而推算 1 0 太原理l 。人学硕+ 一研究生7 子1 市论文 出应答器的坐标。 因为基线阵是布置在船底的，所以短基线定位系统需要配有垂直参考单元 ( v e r t i c a lr e f e r e n c eun i t ) 、罗经( g y r o ) 、参考坐标系统( 一般用d g p s 或g p s ) 。 短基线定位系统的优点是系统组成简单，便于操作，不需要组建水下基线阵， 测距精度高，缺点是需要在船底布置3 个以上的发射接收器，要求具有良好的 几何图形，这就对船只提出了更高的要求，在深水区为了达到更好的定位精度 需要加大船底基线的长度，整个系统需要做大量的校准工作，绝对定位精度主 要依赖于v r u ，g y r o d g p s 等外围传感器。 澳大利亚n a u t r o n i x 公司生产的n a s d r i l lr s 9 2 5 型短基线定位系统采用 a d s 信号( ac o u s t i cd i g i t a ls p r e a ds p e c t r u m ) ，此种信号的抗干扰能力特别强， 在传输距离和测量精度方而具有更优的性能，即便是在环境噪声较大且深水区 作业的情况下同样能够取得良好的定位效果，因为系统的这个特点，该产品己 经与多套动力定位系统组成联合系统应用于深海调查和生产项目。n a s d r i l l r s 9 2 5 系统的水听器是由多个换能器单元组成的组合阵，波束的指向性和信噪 比更佳，系统定位数据更新率高。n a s d r i l lr s 9 2 5 系统能够在全海范围工作， 在工作范围3 5 0 0 m 以内可以达到优于2 5m 的定位精度。 1 4 3 超短基线定位系统 超短基线定位系统( u s b l ) - 与短基线定位系统一样定位基线是枷置在 船底的，只是它的基线长度更短些，超短基线的所有声单元( 耋3 ) 集中安装在一 个收发器中，组成声基阵，声单元之间的相互位置精确测定，组成声基阵坐标 系，声基阵坐标系与船的坐标系之间的关系要在安装时精确测定，包括位置 ( x ，y ，z 偏差) 和姿态( 声基阵的安装偏差角度：横摇、纵摇和水平旋转) 。 系统通过测定声单元的相位差来确定换能器到目标的方位( 垂直和水平角 度) ，换能器与目标的距离通过测声波传播的时间，再用声速剖面修正波束线， 确定距离。以上参数的测定中，垂直角和距离的测定受声速的影响特别大，其 中垂直角的测量尤为重要，直接影响定位精度，所以多数超短基线定位建议在 1 1 太原理1 人学硕+ 研究生学位论文 应答器中安装深度传感器，借以提高垂直角的测量精度。 超短基线定位系统要测量目标的绝对位置( 地理坐标1 川，必须知道声基阵 的位置、姿态，这可以由g p s 、运动传感器和电罗经提供。同样是通过测时、 测相技术来确定应答器的空问位置，工作方式有3 种：声学应答式、电触发式、 p i n g e r 模式( 应答器与接收器通过同步钟方式控制进行工作) 。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，系统的主要缺点同样是 需要做大量的校准工作，绝对定位精度主要依赖于外围传感器v r u ，g y r o ， d g p s 等。 1 5 水下g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 发展现状 目前，随着数字化技术研究的不断深入，基于g p s i “1 技术的水下目标监测 系统具有实现简单，定位精度高监测水域大等特点，是目前水下测控领域的重 要研究方向。通常水下g p s 应用技术是将g p s 技术，水声微弱信号监测技术， 分层级联d s p 技术和无线数字通信技术等先进技术进行综合的复杂系统，它可 有效地在大水域对水下目标进行导航监测。 1 5 1 世界水下g p s l 2 8 i 定位技术的发展 法国于1 9 9 5 年最早开始研究将g p s 用于水下导航。1 9 9 5 1 9 9 6 年期间完成 了原型样机。包括4 个装有g p s 的智能浮标，一个区域无线电网络，一个遥控 站和载体电子装置。1 9 9 7 年进行了试验，试验水域探1 0 3 0 0 m ，效果良好。在 2 千米的距离精度达到了3 m 。法国科学家分析了现有的水声定位系统，认为长 基线定位系统的应答器校准起来费时费力，而且精度不高。短基线定位系统需 要船的支持，对大多数军用目的来说不合适。基于这些考虑他们要研究新型系 统。新型系统研究中遵循的原则是要立足于成熟技术。g p s 是成熟技术，装有 g p s 的浮标很易被精确定位。采用扩谱信号在水下通讯也是成熟技术，它不但 用于传输指令，而且这种信号用于测量时延也有好的精度。 1 2 太原理c 人学硕十研究生学位论文 法国的海洋g p s 原型样机工作时，用三个智能浮标，每个浮标上装有g p s 和水声换能器。浮标位置很快就可确定，浮标与水下载体之间用低波特率