综合水下定位中的关键技术：声学测量技术
一、引言 综合水下定位系统涉及到卫星定位技术、声学测量技术、大地测量技术和电子工程的技术。其中最关键的技术就是声学测量技术和卫星定位技术，本文重点介绍下声学测量技术。声学测量技术主要分为超短基线、短基线和长基线三种技术，不管是哪种技术，它都类似于卫星定位技术进行距离和方位的测量。通过测量声音在水中传输的时间和速度，并利用“距离=速度×时间”来计算出水下物体到船舶的距离，再利用相位变化测量计算出水下通信单元到船舶的方位，并通过三角计算得到水下物体的位置。该测量技术包含了电子技术、声学理论、测量技术等。这里我们将以超短基线的测量为例分析声学测量的关键技术。
二、声学测量技术 1、信号检测
在水下测量定位中，使用到的信号通常有两种，一种是单频率信号，另外一种是宽带谱信号(多频脉冲信号)。因为很容易使用模拟电路来实现单频信号的处理，在水下通信单元 (Transponder) 中也容易生成这种单一的频率信号，因此，许多要求不高的超短基线使用这种单频信号进行水下距离和方位测量。虽然如此，但它容易受干扰，信噪比不高，受多路径影响也大，因此，对于环境噪声大、信噪比要求高、多路径现象严重的地方，测量精度要求高的地方，都会使用第二种信号(宽带谱信号)进行测量定位。这种信号刚好克服了单频信号的缺点，它具有抗干扰能力强，减少多路径现象的影响等优点，但这种信号的电路却相对复杂，因此在水下通信单元中通常会使用了MFSK 编码信号。
在水下定位测量中，系统使用了直接序列扩频技术进行了测量通信，因此，在信号检测时也使用同样的技术进行信号的复原。
图1 信号的时间检测
如上图1所示，接收到的信号包含了基准信号，这是信号发送时调制上去的一个时间信息。该信号通过乘法器和直接序列扩频的基准信号进行相关相乘，便可以检测出信号相关性的时间信息峰值信号来。因此便可以计算出信号经历的时间长度。而对于多频的分解来说，它与上面的时间检测很相似，只要将相关性相乘变成了频率相乘，即可以获得相关性的峰值，从而分解合成的不同频率。而这个相乘就是快速傅立叶变换和反变换的过程，如图2所示。
图2 信号的分解
此外，系统还具有识别多路径信号并拒绝接受该信号的功能。如图3所示，transponder发回来的信号被海面反射后传达了信号接收探头，这样探头就接受到了两个时间相近的信号。通过信号的相关性识别，得到了两个相近的峰值信号，由于直达波的信号传输的时间最短，该信号后面的那个峰值就被识别为多路径信号。这信号就会被系统当作多路径信号拒绝接受。
图3 多路径信号的处理
2、距离测量
在水下定位系统中，距离的测量比较容易。只要测得信号来回的时间再乘以声音在水中的速度即可。距离=(信号往返的时间-transponder反应时间)×声速/2 ，利用该公式就可以计算出transponder到信号发生探头transceiver的距离。距离的测量误差主要来自两部分，一部分是声速测量存在误差，另一部分是设备响应时间。前者可由提高声速计测量精度来解决，后者可由电子设备直接测量。
3、方位测量
水下定位中，主要测量就是距离和方位，当我们测得距离后，便可以进行方位测量和计算以确定Transponder的位置。对于方位的测量方法有很多种，有些人喜欢先计算出transponder的相对于发射探头的 X、Y、Z值后，再通过这些数值来求相对的角度;而另外一种方法就是，直接利用声波的相位变化来求角度，如图4所示。
图4 角度测量
图4中，H1和H2分别为发射信号探头 (transciever) 上的两个水听器，它们之间的距离为d，这也就是测量的基线。如果它们接收到transponder信号的相位差为Δφ，时间差为Δt，水声速度为c，通信信号频率为f0，那么transponder到声学信号发射探头的角度为：
而
通过以上公式就可以计算出Transponder相对于发射探头的角度，再加上距离就可以计算出它相对于发射探头的位置，整合GPS数据就可以得到它在地球上的具体坐标。对于该角度测量的精度，可以从Woodward公式得到。
式中，σΘ为角度标准偏差，λ为波长，d为基线长度，Θ为信号的入射角。
三、结束语 本文重点讲述了水下测量信号检测、距离测量、方位测量等技术，尤其是宽带扩频信号已成为发展主流，而距离测量以及方位测量的精度极大的决定了目标的坐标位置，相信不久的将来，这方面技术的发展也将为水下物体提供更高精度的定位。
参考文献：
何水原.水声通信在水下定位中的应用研究..广州：华南理工大学，硕士论文.2010
来源：本文转载自微信公众号 海洋信息(ID：Hi-marine)，原文整理自《水声通信在水下定位中的应用研究》
原作者：何水原
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