6--海底声学定位

2020/10/291现代海洋测绘技术—海底声学定位主讲人：赵玉新电话：[phone]Email:[e-mail]2020/10/292本节提纲声学定位基础水声定位的基本原理和方法水声定位系统水声定位改正2020/10/2933声波在水中的独特优势：光波：作用距离近10米至100米；电磁波：衰减4500dB/公里；声波：衰减1dB/公里（10kHz频率）；有无利用声波进行导航的系统声学定位基础2020/10/2944方向性：声波的特性：λ声源尺寸：均匀各方向传播其他：圆锥形传播V声学定位基础2020/10/2955声波的特性：恒速性：3311/273(/)msVT反射性：入射角反射角反射面入射线反射线声学定位基础海水（25℃）1531m/s2020/10/296水声定位的基本原理和方法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或置于船后“拖鱼”内的换能器以及水听器阵。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。水声定位系统的主要构成2020/10/297水声定位的基本原理和方法换能器：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。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变成电信号，输人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，是水声定位系统的主要水下设备，它也能作为海底控制点的照准标志（即水声声标）。水声定位系统的主要构成2020/10/298水声定位的基本原理和方法水声定位系统的主要定位方式1.测距定位方式水声测距定位系统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个应答声脉冲信号，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：12SCt由于应答器的深度Z已知，则船台至应答器之间的水平距离D可求出：22DSZ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。2020/10/299水声定位的基本原理和方法水声定位系统的主要定位方式2.测向定位方式测向定位方式的工作原理：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/2aMbMd2020/10/2910水声定位的基本原理和方法水声定位系统的主要定位方式2.测向定位方式但由于a,M,b距P的距离并不相等，若以M为中心，显然a接收到的信号相位比M的要超前，而b接收到的信号相位比M的要滞后。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均可接收到应答信号，由于a,b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。2020/10/2911水声定位系统的主要定位方式2.测向定位方式于是水听器a和b的相位差为：设和分别为a和b相位超前和滞后的时延，那么a和b接收信号的相位分别为：t'tcosadt'cosbdt显然当90。a和b的相位差为零。cos2dab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。水声定位的基本原理和方法2020/10/2912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，如长基线工作方式、短基线工作方式、超短基线工作方式等。不同的水声定位系统可以具有其中一种或多种工作方式。水声定位系统所谓基线，是指应答器之间的连线距离。2020/10/2913长基线声学定位系统长基线系统包含两部分，一部分是安装在船只上或水下机器人上的收发器（transducer)；另一个部分是一系列已知位置的固定在海底上的应答器。长基线声学定位系统是通过测量收发器和应答器之间的距离，对目标实施定位。由于基线长度在百米到几千米之间，相对超短基线和短基线，该系统被称为长基线系统。它既可利用一个应答器进行定位，也可同时利用两个、三个或更多的应答器来进行测距定位。水声定位系统2020/10/2914314“蛟龙号”母船---向阳红09号，装备有超短基线和长基线声学定位系统长基线声学定位系统水声定位系统2020/10/2915长基线声学定位系统水声定位系统2020/10/2916长基线声学定位系统水声定位系统1.一个应答器定位222002220022200AAABBBCCCxxyyDxxyyDxxyyD00cos180cossin180sinAACcAACcxxVtKxxVtKyxVtKyxVtK这里2020/10/2917长基线声学定位系统2.双应答器定位121212arctanyax由几何分析可得：222121arccos2DdDdD1112cosxxDa1112sinyyDa则：水声定位系统2020/10/2918318水声定位系统长基线声学定位系统3.三个应答器定位222211112222222222221333RxxyyzzRxxyyzzRxxyyzz13221332113221332113221332113221332122yyyyyyxxyyxyyxyyxxxxxxyyxxxxxxxx22222(1,2,3)iiiiiixyzRzzi2020/10/2919319海底布设四个位置精确已知的应答器1111(,,)Txyz2222(,,)Txyz3333(,,)Txyz4444(,,)Txyz22221111222222222222333322224444()()()()()()()()()()()()xxyyzzRxxyyzzRxxyyzzRxxyyzzR测量出换能器至应答器的斜距1R4R水声定位系统长基线声学定位系统2020/10/29203水声定位系统长基线声学定位系统优点：缺点：存在较多的多余观测值，因而可以得到非常高的相对定位精度；此外，长基线定位系统的换能器非常小，实际作业中，易于安装和拆卸。系统过于复杂，操作繁琐。布设数量巨大的声基阵需要较长的布设和回收时间，并且需要对这些海底声基阵进行详细对校准测量。长基线定位系统设备比较昂贵。2020/10/2921321水声定位系统短基线声学定位系统短基线系统的水下部分仅需要一个水声应答器，而船上部分是安置于船底部的一个水听器基阵。换能器之间的距离一般超过10m，换能器之间的相互关系精确测定，并组成声基阵坐标系。基阵坐标系与船坐标系的相互关系由常规测量方法确定。短基线系统的测量方式是由一个换能器发射，所有换能器接收，得到一个斜距观测值和不同于这个观测值的多个斜距值。系统根据基阵相对船坐标系的固定关系，结合外部传感器观测值，如GPS、动态传感器单元MRU、罗经Gyro提供的船位、姿态和船艏向值，计算得到海底点的大地坐标。系统的工作方式是距离测量。2020/10/2922短基线声学定位系统水声定位系统2020/10/2923短基线声学定位系统水声定位系统短基线定位既可按测向方式定位，称为方位一方位法，又可按测向一测距的混合方式定位，称为方位一距离法。2020/10/2924短基线声学定位系统水声定位系统1.方位-方位法121222coscos,coscoscos2cos2cos1coscosyxzzxyzxymmmmxmxxymyymmmxzyzCtbbCtbb2020/10/2925短基线声学定位系统水声定位系统2.方位-距离法coscoscosxyzmmmxSySzS2020/10/2926短基线声学定位系统水声定位系统优点：缺点：集成系统价格低廉、系统操作简单、换能器体积小，易于安装。深水测量要达到较高的精度，基线长度一般需要大于40m；系统安装时，换能器需在船坞上严格校准。2020/10/2927327水声定位系统超短基线声学定位系统超短基线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。声基阵坐标系与船体坐标系之间的关系要在安装时精确测定，即需测定相对船体坐标系的位置偏差和声基阵的安装偏差角度（横摇角、纵摇角和水平旋转角）。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定声波传播的时间，再用声速剖面修正波束线，确定距离。定位精度=0.2%斜距2020/10/2928Xh1h2dhxθmdcosθmcos2mλdθπ水声定位系统超短基线声学定位系统超短基线系统与短基线系统的区别:船底的水听器阵，以彼此很短的距离（小于半个波长，仅几厘米），按直角等边三角形布设而装在一个很小的壳体内。以方位一距离法定位。2020/10/292929cos2mλdθπ231yxozTxyθxmθymxayazaoS1222cos4cos41coscosaxmaymaxmymctxSdctySdzSλπλπ1cos2xmdλθπ2cos2ymdλθπ12iSct水声定位系统超短基线声学定位系统2020/10/293030水声定位系统超短基线声学定位系统求出声线方向和船首方向之间的夹角A2211tanarctanyAAx则在海平面直角坐标系中的船位可求出：cos()sin()ppxxDAKyyDAK式中，为应答器在海面直角坐标系中的坐标，为已知。K为船航向角，D为应答器至船台水听器基阵中心的水平距离。pxpy2020/10/293131水声定位系统短基线、超短基线声学定位系统的误差源分析将公式微分后再求方差可得：12xyctctxSySbb122222222222122222222222xybtscxxbtscyyxSCbtySCbt船越接近声标上方，定位精度越高。同时，定位精度还与斜距测定误差、声速测定误差以及水听器阵接收信号的时间间隔测定误差有关。2020/10/2932短基线声学定位系统水声定位系统优点：缺点：集成系统价格低廉、操作简便容易；因实施中只需一个换能器，安装方便；定位精度比较高。超短基线较短基线更为突出的优点是船底水听器阵受船体动态影响小，因此定位精度更好些，而且船大船小均可使用，更为方便灵活。系统安装后的校准需要非常准确，难度大；测量目标的绝对位置精度依赖于外围设备（电罗经、姿态和深度）的精度。2020/10/293333用途！声学定位系统能输出局部区域精确定位信息水声定位系统2020/10/293434水声定位改正1.船姿态改正通常船姿态参数（横／纵摇角）由安装在船上的姿态传感器在位置测定的同时测出。假设水听器基阵中心与船台中心一致，船的纵倾角为，横摇角为。为未经船姿态改正的坐标，为改正后的坐标，显然有：'xx'1'1coscoscoscosxxSSyySS