水下声学定位技术简介：被动定位和主动定位

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　　与陆地上电磁波定位相似，在水下进行无线传播信息往往以声波为载体。水下声学定位技术通常可分为：被动定位技术和主动定位技术。

　　被动定位技术

　　被动定位技术主要指通过被动的接收目标辐射噪声来确定水下目标位置，主要有三子阵法、水下GPS定位和匹配场处理法。与主动定位技术相比，被动定位技术并不发射声波，因此具有优良的隐蔽性，通常应用于军用舰艇。

　　(1) 三子阵法

　　三子阵被动测距方法(简称：三子阵法)是六十年代后期发展起来的噪声测距方法，目前，己经成为了实用化了的被动定位技术。三子阵法一般包括方位法和时差法，其共同特点是利用间距相当长的3个子阵，子阵本身具有一定的指向性，可获得良好的空间处理增益。

　　一般来说方位法测距误差较大，实际被动声呐测距常使用时差法。时差法常利用3个子阵，测量波阵面的曲率来完成对目标距离的估计。影响时差法测距精度的因素主要有时延估计精度、目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精度、信号强度等。

　　但是，三子阵定位方法对水声信道进行了简化，三子阵系统是在同一平面内进行定位的，它不考虑信道声速的垂直分布，也不考虑信道的多途效应。不过这种定位方法算法简单，而且对近距离声源定位能达到较高的精度，目前在工程上已经得到广泛应用。

　　(2) 水下GPS定位

　　水下GPS技术的设计灵感来自于GPS，该技术可以用于潜艇定位，进行爆炸军火处理，还能用于水雷对抗许多领域。水下GPS利用空间GPS系统在海洋中布放一系列声纳浮标，形成网格，在水面用空间GPS，在水下用水声通信。

　　法国的ASCA公司已经开发了用水下全球定位系统进行搜索与救援的系统，它可以利用水下的GPS信号确目标的三维坐标，进行动目标分析。该系统可以用于跟踪水下的飞机或潜艇中黑匣子的声波发器，从而找到目标。系统包括GPS浮标，控制站及声波发送器。浮标下有水听器，浮标通过水面上的三个天线与指挥、控制、通信等系统联系。利用目标发射的信号与浮标接收信号的时间延迟得到浮标和目标的相对位置，同时，利用分GPS接收机能精确测量出浮标的精确位置。

　　水下GPS定位示意图

　　(3) 匹配场处理法

　　匹配场声源定位是国际上新兴的水声定位方法，它根据海洋声信道性，在声场建模的基础上，运用一定的匹配场处理算法反演声源位置。匹配场定位技术充分利用了海洋信道特点来反演声源位置，因此它可以有效消除信道对定位的影响，它的定位精度比传统的被动定位精度高。

　　匹配场定位的被动原理图

　　匹配场定位的被动原理图如上图所示。匹配场定位首先将水听器阵列接收到的数据经过傅立叶变换后计算频域协防方差矩阵。假设声场中某一位置有目标，已知海洋声场环境参数时，利用现有的声场模型可以计算出该目标声源产生声信号在接收水听器阵列处的声场值，通常称之为拷贝场向量。最后将拷贝场向量和测量信号的协方差矩阵进行匹配运算从而输出定位模糊表面，如果实际目标位置与假设声源位置一致，则匹配处理器有最大值输出，这样从定位模糊表面上可以读出目标的位置。

　　匹配场定位有两个重要环节，一是拷贝声场的计算，二是匹配处理器的设计。拷贝声场可利用现有的声场模型计算得到。现有的声场模型主要有简正波模型、声线模型、抛物方程模型等。其中，最常用的2种传播模型是射线模型和简正波模型。射线模型具有简捷、直观的特点，适用于描述深海声场。在浅海存在严重的多途和较强的海底散射，射线模型不再适用。简正波模型考虑了各种海底边界的影响，适用于研究浅海、低频的声传播问题。目前声传播模型的研究主要集中在快速、高精度的声场模型的研究上。

　　匹配处理器就是将拷贝场与实测声场进行匹配运算的算法，从理论上来说，匹配场处理器是传统的阵列信号处理的波束形成概念的推广，因此，很多传统的阵列处理方法都可以用于匹配场处理，而且人们已经证明其中的很多方法是很有效的。按照匹配场处理器的权向量是否与测量数据有关，将其分为线性匹配处理器(CMFP)和自适应匹配处理器(AMFP)。常用的MFP处理器有线性处理器(Bartlett)、最小方差估计器(MV)和匹配模处理器(MMP)。随着人们对传播理论研究的深入以及阵处理技术的飞速发展，匹配场处理技术的研究取得了一些突破性的进展。

　　主动定位技术

　　主动定位技术主要指通过声应答的方式实现水下目标定位，需要设置声基阵，并根据声基阵的基线长度，主要分为3类(表1)，即长基线(LBL)、短基线(SBL)和超短基线(USBL/SSBL)。

　　长基线水声定位系统的基阵长度一般在几百米到几千米的量级，它通过测量水下目标声源到各个基元间的距离来确定目标的位置。短基线水声定位系统的基阵长度一般在几米到几十米的范围，它通过测量目标发出的信号达到各接收基元的时间差，解算目标的方位和距离。超短基线水声定位系统的基阵长度一般在几厘米到几十厘米的范围，它与前两种不同，利用各个基元接收信号间的相位差来解算目标的方位。

　　表1 水声定位系统的划分

　　(1) 长基线(LBL)定位系统

　　LBL声学定位系统一般由3大部分组成：
　　    · 安装在水面母船的数据处理及控制系统;
　　    · 装于定位目标或母船上的收发器;
　　    · 布放在海底的由多个收发应答器组成的海底基阵。

　　“蛟龙号”载人潜水器及其长基线定位系统示意图

　　其中，应答器的数量至少为3个，并构成一定的几何形状。因为，如果采用2个应答器，便会产生目标的偏离模糊问题，而且不能测量目标的水深，所以至少需要3个海底应答器才能得到目标的三维坐标。实际应用中会布设4个或更多应答器，以提高被测载体上的收发机收到不少于3个应答信号的概率，如接收多于3个海底应答器的信号则可获得冗余观测量，提高测量精度。

　　应答器之间的连线构成基线，基线长度一般在几百米到几千米之间。在声学应答模式中，被测载体上的收发机向各应答器发出询问信号，并接收各应答器的应答信号，通过信号传播时延获得收发机至各应答器的距离，列出解算方程，最终确定被测载体的三维位置坐标。

　　另外，目标上的收发器和海底基阵阵元大多都集成有温盐深仪(CTD)，可以精确获得测量点的声速和深度。海底基阵收发应答器大多都集成有声学释放机构，便于基阵布放及回收。除了上述主要部分外，根据LBL绝对定位要求，母船上还需安装水面GNSS定位系统、电罗经、声速剖面仪、姿态补偿装置等外围支持设备。

　　长基线系统优点：定位精度高，与工作水深无关。

　　长基线系统缺点：系统复杂，操作繁琐;声基阵数量大，费用昂贵;需要长时间布设和回收海底基阵;需要详细对海底声基阵校准测量，耗费大量的时间。

　　(2) 短基线(SBL)定位系统

　　与长基线定位系统不同，短基线定位系统的定位基元布置在船底(如下图所示)，通常由3个以上换能器组成，换能器的阵形为三角形或四边形，组成基阵。基阵长度一般在几米到几十米之间，各换能器之间的相互关系精确测定，组成基阵坐标系。

　　短基线定位系统示意图

　　短基线系统的测量方式是由一个换能器发声，所有换能器接收，通过测量声波在应答器与发射基元之间的传播时间来确定斜距;通过各基元接收应答器信号的时间差来解算目标的方位，进而推算出应答器的相对坐标。系统根据基阵相对于船坐标系的固定关系，配以垂直参考单元(VRU)、罗经(Gyro)、参考坐标系统(GPS)等外部传感器，以获取船的位置、姿态、船艏向等辅助信息，最终计算得到应答器的大地坐标。

　　短基线定位系统优点：系统组成简单，便于操作，不需要组建水下基线阵，测距精度较高;

　　短基线定位系统缺点：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，系统的定位精度与水深和工作距离密切相关，水深越大，工作距离越大，则系统的定位精度越低。

　　(3) 超短基线(USBL/SSBL)定位系统

　　与前两种不同，超短基线定位系统的基阵长度一般在几厘米到几十厘米的量级，它利用各个基元接收信号间的相位差来解算目标的方位，通过测量声波在应答器与基阵之间的传播时间来确定斜距。超短基线定位系统一般需要3个以上的换能器基元装入一个部件中，组成基阵，并安装在水面的船体上，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。系统也需要配有垂直参考单元(VRU)、罗经(Gyro)、参考坐标系统(GPS)等外部传感器。

　　“蛟龙号”载人潜水器超短基线定位系统示意图

　　水面基阵的一个换能器向水下应答器发射询问信号，通过测量对比不同换能器基元接收的同一个应答信号之间的相位差确定应答器的方位，从而可以确定应答器相对于船体的方位。换能器与应答器的距离通过测定声波传播的时间，再用声速剖面修正确定距离，从而获取应答器的相对坐标。将水面船载GPS与超短基线定位系统相结合，能够准确判断水下应答器的精确位置。

　　超短基线定位系统优点：构成简单，操作方便，不需要组建水下基线阵，便于大范围机动作业;

　　超短基线定位系统缺点：需要做大量的校准工作，系统的定位精度与水深和工作距离密切相关，水深越大，工作距离越大，则系统的定位精度越低。

　　(4)小结

　　· 长基线定位(LBL)的定位精度最高，但是水底布设高精度定位已知点的施工难度大且费用较高，一般使用在石油平台监测、水下考古打捞等需要高精度定位的工程。

　　· 短基线定位(SBL)需要对船体进行改造，才能放置换能器基阵，对船只的要求使短基线的应用受一定的限制。


　　· 相比长基线定位(LBL)和短基线定位(SBL)，超短基线声学定位系统(USBL)的优势是很明显的：只需要在船舶上安装一个换能器及其声基阵，就可以提供高精度的声学定位，并与GPS/INS定位技术相结合，即可实现相对定位与绝对定位的转换，直接为定位目标提供高精度、高可靠性的大地经纬度坐标。GPS+INS+USBL的组合导航定位方式，即使是在卫星信号短暂失锁的情况下，也可保证水下目标(ROV、AUV、潜水员)连续不断的高精度定位需求。


　　应用方向

　　(1) 军事

　　由于潜艇和深海探测技术的发展，水下目标的精确定位就显得额外的重要，潜艇、水面舰艇的调遣、作战航行都离不开导航定位，利用水声定位、GPS、惯性导航的组合定位系统可对水下各类有人、无人潜器进行水下定位和导航，配合多波束、侧扫声呐、合成孔径声呐等，可探测敌方目标位置和三维地图等。

　　(2) 海洋考察和海底打捞

　　遥控潜水器(ROV)/水下机器人(AUV)等水下潜器被广泛应用于生物、矿石的采样，海底环境信息采样与地形勘探之中。水声定位系统还可监测引导ROV/AUV进行海底沉船、失事飞机残骸的搜索、打捞作业。如我国“蛟龙”号载人潜水器的水下定位就主要依靠：USBL和LBL定位系统。

　　(3) 海洋工程

　　水声定位系统在钻井船和浮式平台等海洋工程装备中也得到广泛应用，如海上油田的电缆定位、管线铺放、管线测量等都需要用到水下定位技术。

　　本文内容综合自《海洋技术学报》2016年02期《水下声学主动定位技术及其在载人潜水器上的应用》、《海军航空工程学院学报》2007年第4期《改善三元子阵测距精度方法研究》以及导航圈公众号《GPS/INS如何实现水下定位，你造吗?》