拖纜和海底電纜（以下簡稱OBC）地震勘探技術(shù)是海洋油氣勘探最重要的技術(shù)手段。拖纜和海底電纜在實(shí)際施工中，由于受到海流、潮汐等因素影響，水聽器實(shí)際位置相對水面實(shí)測位置將發(fā)生較大位移，最大位移將達(dá)30m以上。水聲定位方法以高速度、高精度、低成本成為OBC地震勘探水聽器二次定位的重要手段。

水聲定位的應(yīng)用--海洋開發(fā)

ROV/AUV等水下潛器被廣泛應(yīng)用于生物、礦石的采樣、海底環(huán)境信息采集與地形掃面勘探之中，海底沉船、失事飛機(jī)殘骸的搜索打撈作業(yè)中必須動用ROV或AUV對失事區(qū)域進(jìn)行大范圍搜索，同樣需要水聲定位系統(tǒng)，水聲定位系統(tǒng)可監(jiān)測引導(dǎo)ROV/AUV的行進(jìn)路線。

水聲定位的應(yīng)用--海洋開發(fā)

對于遠(yuǎn)程操作潛水器（ROV）和蛟龍?zhí)枮榇淼妮d人潛水器，更需要利用水聲定位系統(tǒng)進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航，從而引導(dǎo)這些作業(yè)工具安全到達(dá)指定位置，完成作業(yè)。如我國“蛟龍”號載人潛水器的水下定位主要靠兩套水聲定位系統(tǒng)：超短基線和長基線定位系統(tǒng)。

水聲定位的應(yīng)用--水下工程施工

通過RTK實(shí)現(xiàn)對刮刀框架的定位定姿，然后通過機(jī)械方式獲得刮刀位移，最終實(shí)現(xiàn)對刮刀的精確定位。水聲定位系統(tǒng)做為輔助定位系統(tǒng)通過對水下應(yīng)答器（刮刀）進(jìn)行測距，經(jīng)過位置解算，最終實(shí)現(xiàn)對刮刀的高精度定位，精度達(dá)到厘米級。

水聲定位的應(yīng)用--水下隧道對接高精度定位

為實(shí)現(xiàn)水下隧道的高精度對接，系統(tǒng)通過在對接的隧道模塊安裝1,2,3,4共4個(gè)對接聲學(xué)信標(biāo)。在已安裝固定好的隧道模塊相同位置安裝5,6,7,8共4個(gè)對應(yīng)的對接聲學(xué)信標(biāo)。通過精確測量信標(biāo)間的距離進(jìn)行各信標(biāo)的位置解算，最終實(shí)現(xiàn)對海底隧道對接過程的高精度定位。

二、水聲定位系統(tǒng)的分類

• 水聲定位系統(tǒng)有多個(gè)基元（接收器或者應(yīng)答器），基元間的連線稱為基線。

• 水聲定位系統(tǒng)根據(jù)基線長度進(jìn)行分類：
1、長基線(LBL)：100~6000m
2、短基線(SBL)：1~50m
3、超短基線(USBL或SSBL)：<1m

長基線水聲定位系統(tǒng)
浮標(biāo)形式的長基線水聲定位系統(tǒng)
1、至少三個(gè)以上定位節(jié)點(diǎn)，且位置已知。
2、收發(fā)器安裝在水下機(jī)器人或船只上

優(yōu)缺點(diǎn)
1、在較大的范圍內(nèi)可以達(dá)到較高的相對定位精度，定位數(shù)據(jù)更新率高
2、系統(tǒng)復(fù)雜，操作繁瑣；數(shù)量巨大的聲基陣，費(fèi)用昂貴；

長基線系統(tǒng)的基元是水面無線電浮標(biāo)。此時(shí)被定位的目標(biāo)上裝有同步或非同步聲信標(biāo)，諸基元接收的聲信號需調(diào)制為無線電信號發(fā)到一只母船上進(jìn)行處理，從而完成水下目標(biāo)的定位。由于無線電浮標(biāo)在海面上不固定，因此必須利用裝載其上的GPS接收機(jī)定時(shí)地測定自身位置，與定位信號一起發(fā)至母船。

長基線水聲定位系統(tǒng)

–海底應(yīng)答器陣的長基線水聲定位系統(tǒng)

• 基線：是以海底應(yīng)答器構(gòu)成的，通常應(yīng)答器的應(yīng)答距離為10～20公里
• 使用條件：確知應(yīng)答器陣的絕對地理位置
• 位置坐標(biāo)：定位的坐標(biāo)是海底應(yīng)答器陣的相對坐標(biāo)

優(yōu)缺點(diǎn)

• 在較大的范圍內(nèi)可以達(dá)到較高的相對定位精度
• 海底應(yīng)答器的布置、標(biāo)定、維護(hù)及供電實(shí)現(xiàn)困難

短基線水聲定位系統(tǒng)

• 聲基陣是由3個(gè)以上陣形成三角形或四邊形的換能器組成的。聲基陣布置在船底。
• 一換能器發(fā)射，所有換能器接收。
優(yōu)缺點(diǎn)
• 系統(tǒng)的構(gòu)成簡單，便于操作。
• 定位精度與水的深度和工作距離關(guān)系極大。

超短基線水聲定位系統(tǒng)

• 聲基陣由集中安裝在一個(gè)收發(fā)器中的所有聲單元（≥3）組成聲基陣布置在船底。
• 通過測定各聲單元接收到的應(yīng)答信號的相位差來確定換能器到目標(biāo)的方位。聲基陣與目標(biāo)的距離通過測定聲波傳播的時(shí)間，再用聲速剖面修正波束線確定距離。

優(yōu)缺點(diǎn)：

• 整個(gè)系統(tǒng)的集成度較高、尺寸小、輕便靈活、操作方便。
• 需要做大量的校準(zhǔn)工作；同時(shí)定位精度與水的深度、工作距離及方向關(guān)系極大。

水聲定位系統(tǒng)的分類

•水聲定位系統(tǒng)有多種工作模式，對應(yīng)不同的聲學(xué)終端。

• 根據(jù)工作模式，聲學(xué)終端分為：

–應(yīng)答器（Transponder）
–響應(yīng)器（Responder）
–聲信標(biāo)（Pinger/Beacon）

應(yīng)答器工作模式：

應(yīng)答器（Transponder）
• 使用方便
• 不需要時(shí)間同步
• 不需要同步電纜/光纜
• 一次定位需要更長時(shí)間
• 需要進(jìn)行信號檢測與解算

響應(yīng)器（Responder）

• 需要同步電纜/光纜
• 需要有線時(shí)間同步
• 定位刷新頻率更快
• 使用不方便，作用距離有限
• 適用于ROV等有纜設(shè)備
• 適用于噪聲較大的環(huán)境

響應(yīng)器的使用范圍

有線時(shí)間同步方式

供電電纜

• 作用距離較短：通常小于500米；
• 時(shí)間同步精度：<1毫秒；
• 同時(shí)提供較高速度的電力線載波信息傳輸能力；

光纜

• 作用距離較長：可達(dá)數(shù)千米，甚至更高；
• 時(shí)間同步精度：<1us；
• 提供高速數(shù)據(jù)傳輸能力；

聲信標(biāo)工作模式：

聲信標(biāo)（Pinger）
• 使用方便
• 時(shí)間同步困難
• 需要更多基元求解
• 一次定位需要較短時(shí)間
• 非同步信標(biāo)不適用于超短基線系統(tǒng)

超短基線系統(tǒng)的位置解算方法

1、一類是根據(jù)聲線入射角和已知深度進(jìn)行位置解算
2、另一類則是根據(jù)測量的距離和聲線入射角進(jìn)行定位解算。

超短基線系統(tǒng)的基本原理

1、在水下發(fā)射聲波信號
2、聲基陣包含多個(gè)陣元（水聽器），各陣元按一定幾何規(guī)則布陣
3、水聽器之間距離只有幾厘米~幾十厘米，將其設(shè)計(jì)裝在一個(gè)部件中
4、通過測量zetaX,zetaY及R進(jìn)行定位

三、國外水聲定位產(chǎn)品介紹、對比

Fusion系列USBL

1、在為所有海事和海洋石油應(yīng)用設(shè)計(jì)和提供聲學(xué)定位、監(jiān)測和控制系統(tǒng)方面，Sonardyne公司在世界上被業(yè)界公認(rèn)為領(lǐng)導(dǎo)者。
2、Fusion系統(tǒng)是Sonardyne公司目前最高端、技術(shù)最先進(jìn)的水聲定位系統(tǒng)。
3、將USBL和LBL結(jié)合為LUSBL，從而獲得更高的精度。
4、采用中頻寬帶信號，作用距離大于4000米，同時(shí)跟蹤10個(gè)目標(biāo)。
5、支持中頻和高頻全系列的應(yīng)答器。
6、AODC (HF)
7、OBC (HF)
8、SST (MF)
9、SSM (MF)
10、WSM (MF)
11、DPT / DPTi (MF)
12、Compatt 4 (MF)
13、Compatt 5 (MF)

HiPAP系列USBL

1、多達(dá)241個(gè)單元的獨(dú)特的球形換能器的設(shè)計(jì)
2、卓越的噪聲抑制技術(shù)
3、極窄，±5度收聽波束
4、極強(qiáng)的跟蹤范圍的能力
5、真正的多用戶長基線功能
6、可將定位結(jié)果輸出給動力定位系統(tǒng)作為參考

HiPAP®全海深應(yīng)用–聲學(xué)定位系統(tǒng)的主要架構(gòu)

• USBL/LBL/MULBL定位
• 便攜式安裝
• 固定式安裝
• 單系統(tǒng)或備份系統(tǒng)配置
–共享部件和共享功能
–工作站
– Responder驅(qū)動器
–換能器
–換能器安裝單元
–可選的換能器
– HiPAP® 350
– HiPAP® 500
– HiPAP® 100

法國 IXSEA GAPS 全球聲學(xué)定位慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

GAPS是一套勿需標(biāo)定的便攜式即插即用超短基線聲學(xué)定位USBL慣性導(dǎo)航系統(tǒng)它將高精度光纖陀螺慣性導(dǎo)航技術(shù)與水下聲學(xué)定位完美地結(jié)合在一起并融入了GPS測量技術(shù)系統(tǒng)可以同時(shí)追蹤多個(gè)水下目標(biāo)這使得多用途的GAPS能最大限度地滿足海面和水下定位及導(dǎo)航的要求。

四、超短基線關(guān)鍵技術(shù)

1、采用寬帶擴(kuò)頻信號，抗噪聲及多徑干擾能力強(qiáng)；
2、USBL/LBL結(jié)合的混合基線系統(tǒng)，兼顧實(shí)時(shí)性和精度；
3、應(yīng)答器兼容USBL/LBL模式；
4、USBL系統(tǒng)具有一定垂直孔徑，極大提高了淺海環(huán)境下系統(tǒng)定位精度；
5、定位、通訊、釋放功能相結(jié)合；
6、模擬電路高信噪比、低功耗設(shè)計(jì)。

提高水聲定位精度的途徑

提高水聲定位系統(tǒng)測距測向精度可以考慮的途徑：
提高水聲信號信噪比
• 提高發(fā)射聲源級；
• 降低模擬電路噪聲
• 選擇噪聲小的環(huán)境安裝定位基元；
• 提高發(fā)射功率；
• 提高接收換能器靈敏度；

提高水聲信號帶寬

• 線性調(diào)頻信號；
• 直接擴(kuò)頻信號（CDMA）；

水聲定位使用擴(kuò)頻信號的好處

• 抗干擾能力強(qiáng)；
• 抗頻率選擇性衰落和多徑干擾的能力強(qiáng)；
• 能精確地定時(shí)和測距。
• 可以實(shí)現(xiàn)多址通信，多用戶定位；
• 易于重復(fù)使用頻率，提高了信號頻譜利用率；
擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信(Spread Spectrum Communication) ，是一種信息傳輸方式，它將待傳輸信息的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)擴(kuò)展后成為寬頻帶信號，送入信道中傳輸，接收端再利用相應(yīng)手段將其壓縮，從而獲取傳輸信息。

在這種信息傳輸方式中:
• 擴(kuò)頻信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；
• 頻帶的擴(kuò)展是通過一個(gè)獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；
• 接收端用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息。
水聲定位使用擴(kuò)頻信號的好處

（1）抗頻率選擇性衰落和多徑干擾的能力強(qiáng)
• 擴(kuò)頻信號所占據(jù)的帶寬較寬，只是在一小部分帶寬產(chǎn)生選擇性衰落，所以具有抗頻率選擇性衰落的能力。
• 由于偽碼具有優(yōu)良的自相關(guān)特性，只有在多徑反射信號的時(shí)延小于一個(gè)碼片間隔時(shí)，才會發(fā)生衰落；偽碼的碼片很窄，發(fā)生多徑衰落的可能性小。

（2）可以實(shí)現(xiàn)多址通信，同時(shí)定位多個(gè)用戶
• 可以充分利用各種不同碼型的擴(kuò)頻碼序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，
• 在接收端利用相關(guān)檢測技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)。不同用戶分配不同擴(kuò)頻編碼，可準(zhǔn)確區(qū)分不同用戶的信號，提取出有用信號。
• 在一寬頻帶上多個(gè)用戶可以同時(shí)定位，互不干擾。

（3）易于重復(fù)使用頻率，提高了頻譜利用率
• 水聲帶寬窄，頻譜十分寶貴；
• 采用擴(kuò)頻信號，利于降低發(fā)送功率，提高應(yīng)答器有效作用距離；
• 采用了相關(guān)接收技術(shù)，且可工作在信道噪聲、熱噪聲和環(huán)境噪聲背景中；
• 易于在同一地區(qū)重復(fù)使用同一頻率, 也可與現(xiàn)今各種窄道通信共享同一頻率資源。

水聲定位使用擴(kuò)頻信號的好處

（1）能精確地定時(shí)和測距
• 精確測量聲波在聲頭和終端之間傳播的時(shí)間，同時(shí)利用現(xiàn)場測得的聲速剖面，就可準(zhǔn)確測量兩個(gè)物體之間的距離。
• 在擴(kuò)頻通信中如果擴(kuò)展頻譜很寬，則意味著所采用的擴(kuò)頻碼速率很高，每個(gè)碼片占用的時(shí)間就很短（通常小于1ms）。
• 定位基元接收客戶終端發(fā)射的擴(kuò)頻信號，在接收端解調(diào)出擴(kuò)頻碼序列。通過比較收發(fā)兩個(gè)碼序列相位差，就可以精確測出擴(kuò)頻信號往返的時(shí)間差，從而算出二者之間的距離。
• 測量的精度決定于碼片的寬度，即擴(kuò)展頻譜的寬度。碼片越窄，擴(kuò)展的頻譜越寬，精度越高。

（2）淺海環(huán)境，定位基元接收到的擴(kuò)頻水聲信號
• 在嚴(yán)重多徑干擾情況下，可穩(wěn)定可靠檢測到擴(kuò)頻信號；
• 測距穩(wěn)定可靠；
• 平均測距誤差小于0.05米；
自研系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)
應(yīng)答器
• 兼容USBL/LBL模式；
• 相對聲頭運(yùn)動速度：<5節(jié)；
• 尺寸：直徑68mm，長度380mm；
• 工作深度：500米；
• 發(fā)射聲源級：180dB；
• 接收靈敏度：-190dB;
• 靜態(tài)待機(jī)：150天；
• 應(yīng)答次數(shù)：>5000次；
• 已完成小批量生產(chǎn)試制。
聲基陣
• 垂直孔徑：10CM；
• 最大作用距離：3000米；
• 系統(tǒng)定位精度：1%斜距；
• 大工作開角：聲頭下方180度范圍；
• 發(fā)射聲源級：190dB；
• 接收靈敏度：-190dB;
• 工作水深：30米；
• 可管理應(yīng)答器分組達(dá)1024個(gè)，每組應(yīng)答器最多達(dá)1024個(gè)；
淺水環(huán)境深度方向定位精度
• 測距精度最高；
• 測向精度低于測距精度；
• 深度方向定位精度低于水平方向定位精度；

淺水環(huán)境深度方向定位精度降低的原因：

• 水面和水底多徑干擾信號的影響；
• 平面陣在大開角方向上估計(jì)誤差較大；
五、自研水聲定位系統(tǒng)的應(yīng)用案例

項(xiàng)目名稱：水下鋪排施工檢測科研項(xiàng)目
依托單位：中船勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司
攻關(guān)目標(biāo)：解決填海造地、水運(yùn)交通時(shí)的鋪排作業(yè)過程中，由于深水區(qū)、大流速等惡劣的工況，經(jīng)常會出現(xiàn)斷排、縮排、鋪排船失去系泊控制、排體驗(yàn)收檢測困難等問題，尤其是排體水下檢測一直都是難題。采用超短基線結(jié)合長基線的技術(shù)，一方面指導(dǎo)鋪排施工，另一方面對完成的排體進(jìn)行高精度水下定位檢測。
項(xiàng)目內(nèi)容：
• 鋪排船鋪6張排；
• 每張排寬40米，長120米，排厚度約1公分；
• 每張排將捆6個(gè)應(yīng)答器；
• 每個(gè)應(yīng)答器捆綁的位置距離排的邊緣5米；
• 每張排的內(nèi)部編號如下圖所示：

水聲定位產(chǎn)品在水下鋪排定位的應(yīng)用
• 用于鋪排作業(yè)定位的混合基線聲吶頭：

• 用于鋪排作業(yè)定位的拋棄型應(yīng)答器

湖試測試

湖試地點(diǎn)：南京市溧水區(qū)東屏湖水庫
湖試時(shí)間：2014/11/17到2014/12/13，2014/12/28到2014/12/30
江試驗(yàn)收
江試地點(diǎn)：上海市長興島東側(cè)促淤施工區(qū)
江試時(shí)間：2015年1月10日到2015年1月13日
江試結(jié)果：在500米范圍內(nèi)，定位精度0.5米以內(nèi)