《海洋测绘技术》课件 第2章-海洋测量定位（2.2）

声学定位系统组成声学定位系统的分类声学定位系统的原理声学定位的改正海洋声学声呐及其工作方式海洋声速的确定本

节

内

容第二章海上测量定位技术声学定位系统组成:

船台设备：发射、接收设备

水下设备：声学应答器基阵

基阵——固设于海底的位置已准确测定的一组应答器阵列

一、声学定位系统组成§2-3水下声学定位系统水声定位系统通常采用的方式：测距定位方式

测向定位方式测距定位方式：水声测距定位原理如图6-10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：图6-10水声测距定位原理

（6-84）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D可按下式求出：

（6-85）

测向定位方式

：

测向方式的工作原理如图6-11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。设△t和△t’分别为a和b相位超前和滞后的时延，那么由图6-11可写出a和b接收信号的相位分别为：图6-11测向方式的工作原理(6-86)于是水听器a和b的相位差为：

(6-87)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。

根据声学定位系统定位基线的长度，传统上我们将定位系统分为3种类型:

1.长基线定位系统(LongBaseLine)、

2.短基线定位系统(ShortBaseLine)、

3.超短基线定位系统(UltraShortBaseLine)，

定位系统的划分依据见表。二、声学定位系统的分类§2-3水下声学定位系统1.长基线定位系统

长基线定位系统(LBL)需要在海底布设3个以上的基点，以一定的几何图形组成海底定位基线阵，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。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§2-3水下声学定位系统8特点：利用海底应答器阵来确定载体的位置----相对于海底应答器阵的相对坐标。组成结构及原理（工作过程）应用水下施工海底电缆铺设海上石油勘探水下载体定位方面有广泛的应用。还可与GPS一起，完成水下机器人的高精度绝对定位。长基线、短基线和超短基线系统的区别基线：是以应答器构成的，通常应答器的应答距离为10～20公里基线安装的位置：海底定位方法：长基线利用海底应答器阵来确定载体的位置记录询问时刻和各应答器应答信号到达时刻位置坐标：定位的坐标是海底应答器阵的相对坐标应答器的频率：各个应答器的回答频率不同定位目标、使用条件：确知应答器阵的绝对地理位置1.长基线定位系统1.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。

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(HighFrequency)或超高频(ExtraHighFrequency)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1000m。

另外对水声定位系统来说长距离的信号传输也是一个很难回避的问题，传统的水声数据传输方式有多频键控(MFSK)和多相键控(MPSK)两种，MFSK调制方法性能适中，具有一定的抗多途能力，MFSK方式可以提高信息传输速率，但在传输距离和环境适应性方而性能不足，近来利用水声扩频技术传输受到国内外的广泛重视，己经出现了扩频技术的水声MODEM产品，其性能有较明显的提高，表现在传输距离增加、误码率降低，且对使用环境具有较好的宽容性。§2-3水下声学定位系统112短基线系统（SBL）系统组成被定位的船或潜器上至少有3个水听器。间距在5～20米的量级。水面船上面装有问答机一个同步信标（或应答器）置于海底工作原理问答机接收来自信标（或应答器）发出的信号，根据信号到达各基元的时间，求得斜距，据此可计算水面船相对于信标（或应答器）的位置。2.短基线定位系统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VRU，Gyro，DGPS等外围传感器。§2-3水下声学定位系统2.短基线定位系统

澳大利亚Nautrouix公司生产的NASDrillRS925型短基线定位系统抗干扰能力特别强，在传输距离和测量精度方而具有更优的性能，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测量和生产项目。NASDrillRS925系统能够在全海深范围工作，在工作范围3500m以内可以达到优于2.5m的定位精度。§2-3水下声学定位系统153.超短基线定位系统

组成结构：发射换能器和几个水听器可以组成一个直径只有几厘米～几十厘米的水听器基阵，称为声头。声头可以安装在船体的底部，也可以悬挂于小型水面船的一侧。

超短基线系统定位解算方式非同步信标方式

应答器方式响应器方式带有深度的应答器/响应器方式

3.超短基线定位系统超短基线定位系统(USBL)与短基线定位系统一样，定位基线是布置在船底的，只是它的基线长度更短些，基点是集中做在一个阵列上的，同样是通过测时、测相技术来确定应答器的空间位置，工作方式有3种:声学应答式、电触发式、pinger模式(应答器与接收器通过同步钟方式控制进行工作)。系统也需配有VRU，Gyro，参考定位系统。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VRU，Gyro，DGPS等。§2-3水下声学定位系统3.超短基线定位系统法国OceanoTechnology公司生产的posidonia6000型超短基线定位系统最大作用距离8000m，定位精度为作用距离的0.5%-1.0%，从1997年开始己经开始装备在法国IFREMER的水下机器人和深拖系统Simrad公司研制的HIYAR500型系统测量精度优于作用距离的0.2%，工作水深达到4000m，新近推出的HIYA8700型系统理论推算最大作用距离为8000m,最大工作水深为6000m，定位精度为作用距离的0.5%。§2-3水下声学定位系统

四、联合声学定位系统§2-3水下声学定位系统为了解决水下仪器导航定位的问题，国外一些研究人员己经尝试研制出了一些联合式的声学定位系统，主要是3种声学定位系统的不同组合，例如L/USBL,L/SBL,S/USBL,L/SBL/USBL等等我国的DGPS定位系统DGPS水下定位系统的浮标目前我国已经研发了水下DGPS高精度定位系统用于水下定位，该设备首次利用全球定位技术（GPS）解决水下设备导航问题和水下设备实时三维定位问题。五

水声定位的几项改正水下声学定位系统的精确定位需要进行如下几种改正：船姿态改正水听器基阵偏移改正声线曲率改正§2-3水下声学定位系统

在各种水下辐射形式中，以声波在海水中的传播为最佳。海洋传递声音的性能比大气好得多，且在海洋中声波的衰减远小于无线电波的衰减。水声的这些特性使它成为海洋工程的重要工具，作为通讯、导航、探测和监测手段，水声技术被广泛地用于海洋开发和军事方面。§2-4海洋声学一、

海洋声速

海水中的声速随着温度、盐度和压力的增加而增加，是压力P（bar）或深度Z（米）的线性函数，是温度T（℃）、盐度S的非线性函数。海水中的声速可以用声速剖面来描述。声速剖面亦称“声速垂直分布”，反映的是声速沿深度的变化规律。声速随深度的相对变化率，即单位深度内声速的相对变化量，称之为声速梯度，单位为1/秒。声速梯度可表达为：海水温度变化1℃，海水声速变化约为原来的0.35％(约5m/s)；盐度每增加l‰，声速约增加1.14m／s；深度每增加100米，声速约增加1.75m／s。其中以水温变化对声速的影响为最大。

海水中声速在垂直方向的变化可分为三个水层：表层（0~150m）、中间层（~1500m）、深水层（1500m~）。表层和深水层温度分布较均匀，由于压力影响，声速随深度而增加；中间层中的声速由于温度迅速降低而减小。深海声速垂直分布图：

波束在海水中的折射特性，可通过Snell法则很好的反映。Snell法则为：式中

i和

i+1是声速为Ci和Ci+1相邻介质层界面处波束的入射角和折射角，p为Snell常数。二、声波在海水中的传播特性

入射角

0时，波束在界面处发生折射，若经历的水柱中有N+1个不同介质层，则产生N次折射，波束的实际传播路径为一个连续折线，即声线。

Snell法则不但解释了波束在水中的传播特性，还给出了求解声线路径的算法。声波在海水中传播时，会在介质常数不同的两个水层界面处产生反射、折射和某种程度的反向散射。其中折射现象起因于海水是非均匀介质，这也是导致波束声线弯曲和传播速度发生改变的根本原因。折射后的声线是向声速减小的方向弯曲。声线的弯曲程度和方向与声速在垂直方向的变化相互联系，声速变化越大，弯曲越显著。此外，声波的传播速度在温水区要比冷水区快，且向冷水区（即声速较低的水区）弯曲。因此，若温度随深度增加，声线向海面弯曲，反之则向海底弯曲。正常情况下，声线弯曲成圆弧状。海面反射：声波由海水射向海面时，在海水与空气界面上所产生的反射，称为海面反射。海底反射：声波由海水射向海底时，在海水与海底的界面上所产生的反射，称为海底反射。海水中声波强度减弱的主要因素可归纳为如下三个方面：几何衰减：由于海水温度、盐度、压力等分布不均匀，因此有声速梯度存在，再加上海面、海底的影响，引起声线弯曲。散射衰减：声波在海水中传播时，由于海面、海底的不平整性、海水介质温度不均匀而产生散射，使部分声能离开原来的前进方向，向其它方向发射出去，使声波传播方向上能量减少，声强度减弱。海水对声波的吸收：由于声波在海水介质中传播时要引起海水内部发生一些变化，如海水温度的变化，在传播过程中，相邻的海水介质要发生相对运动，有一部分声能要用来克服因海水介质相对运动而产生的摩擦力，消耗于海水中，使声强度减弱。三、

声道

当声波在海洋中传播时，若有一部分声能在海中某一水层内而不逸出该水层，则称此为声道，亦称声波道。

沿深度方向声速极小处，声源发出的声线将向上和向下弯曲返回极值区，而保留在该水层上下两个声速相等的深度之间传播。四、

海洋噪声

海洋是不平静的，存在着各种各样的噪声。就水声学研究范畴而言，水中噪声分为环境噪声和舰艇噪声两大类。海洋环境噪声包括：①海洋动力噪声，如风吹在海面上引起的噪声，流过海底的海流、碎浪及降雨引起的声响；②生物噪声。

在海洋测量中，海洋环境噪声是指由海洋中大量的各种各样的噪声源发出的声波构成的，它是声纳设备的一种背景干扰。环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量。

声纳是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统。按照工作方式分为主动声纳和被动声纳两种。主动声纳信息的流程为：发射系统发射携带一定信息的声信号（发射信号），在海水中传播时如遇到障碍物（潜艇、水雷、鱼雷、冰山、暗礁，统称声纳目标），产生回声信号；在某一方向上的回声信号传到接收基阵，并将其转换为电信号，经处理器处理后送到判决器，根据预先确定的原则进行判决，最后显示判决结果。如下图所示：§2-5声纳及其工作方式

被动声纳（噪音声纳站）信息的流程为：被动声纳通过接收被探测目标（声源部分）如鱼雷、潜艇等的辐射噪声，来实现水下目标探测。

主、被动声纳工作信息流程的基本组成包括声信号传播介质（海水）、被探测目标和声纳设备。影响声纳设备工作的因素，即声纳参数，主要包括：声源级SL、发射指向性指数DIT

、声功率Pa、传播损失TL、目标强度TS、海洋环境噪声级NL、等效平面波混响级RL、接收指向性指数DI以及检测阈DT。声纳参数的定义声源级SL：是用来描述主动声纳所发射的声信号的强弱（反应发射器辐射声功率大小）的参数。若I为发射器声轴方向上离声源声中心1米处的声强，I0

为参考强，I0=0.67×10-18W/m2，则SL的定义为：DIT的含义：是在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无指向性发射器辐射声场声级的分贝数。

DIT可定义为：式中，ID为指向性发射器在声轴上测得的声强度；IND为无指向性发射器辐射的声强度。无指向性声源辐射声功率Pa与声源级SL的关系：有指向性声源辐射声功率与声源级的关系：传播损失TL定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化，它定义为：式中，I1是离声源声中心1米处的声强度；Ir离声源声中心r米处的声强度。

目标强度TS定量描述目标反射本领的大小，它定义为：式中，Ii是目标处入射声波的强度；Ir离目标声中心1米处的回波强度。环境噪声级NL是度量环境噪声强弱的量，其定义为：接收换能器的接收指向性指数DI定义为：即：式中：b（

，

）是归一化的声束图函数，

，

是空间方位角。代表无指向性水听器产生的均方电压，代表指向性水听器产生的均方电压。根据以上参数，我们可以给出声纳方程。声纳方程是在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。它将海水介质、声纳目标和声纳设备的作用联系在一起。主动声纳方程：被动声纳方程为：海洋中的声速可以通过直接法和间接法获得。1、声速的直接测定凡通过测量声速在某一固定距离上传播的时间或相位(一般采用声速测量仪测量声速），从而直接计算海水声速的方法均属直接声速测量。声速测量仪依据的原理有：脉冲时间法、干涉法、相位法脉冲循环法等。一、

海洋声速的确定§2-6海洋声速的确定脉冲时