超短基線(xiàn)水聲定位儀不僅廣泛應(yīng)用于水運(yùn)工程、港口航道保障及海洋工程調(diào)查等領(lǐng)域， 在水下救險(xiǎn)、海上救援搜尋、沉船打撈等方面也展現(xiàn)出得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)超短基線(xiàn)定 位儀的測(cè)量性能，基于研發(fā)的多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)，該文提出了超短基線(xiàn)水聲定位儀斜距測(cè)量準(zhǔn)確度 的計(jì)量校準(zhǔn)方法，并分析了校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度,論證了校準(zhǔn)方法的可行性。結(jié)果表明，在 100 m斜距條件下，測(cè)量不確定度, 滿(mǎn)足測(cè)量不確定度合格判定的要求，為超短 基線(xiàn)水聲定位儀量值溯源提供了技術(shù)保障。

0 引言

      超短基線(xiàn)水聲定位儀(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“水聲定位 儀”是水運(yùn)交通研究的基本設(shè)備，其工作原理是在水下被定位的目標(biāo)上安裝聲信標(biāo),水上的船體安裝 超短基線(xiàn)基陣,聲信標(biāo)發(fā)出聲信號(hào)，水聲定位儀換能 器接收到信號(hào)后測(cè)算出目標(biāo)的距離，因?yàn)闊o(wú)線(xiàn) 電波在水中的快速衰減使GPS的定位手段無(wú)計(jì)可 施，聲波是目前最有效的水下遠(yuǎn)距離傳播的信息載 體,因而水聲定位儀在海洋、水運(yùn)領(lǐng)域有愈來(lái)愈 廣泛的用途,例如海洋探測(cè)研究與資源開(kāi)發(fā)、海上救援搜尋、沉船打撈、電纜布設(shè)等方面都離不開(kāi)水聲定位儀為其提供高精度、高質(zhì)量的定位資料。然而,由于其使用環(huán)境復(fù)雜多變,儀器自身性能改變等 因素，往往造成測(cè)量結(jié)果的失效或缺失，給海洋、水運(yùn)研究工作帶來(lái)人力和財(cái)力上的巨大損失。在水聲 定位儀的實(shí)際使用中，由于缺乏專(zhuān)業(yè)的計(jì)量校準(zhǔn)系 統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外研究人員只能認(rèn)可生產(chǎn)廠家“標(biāo)稱(chēng)”的各項(xiàng)性能指標(biāo)和探測(cè)能力，亦或是只能進(jìn)行試驗(yàn)比對(duì) 或自行校準(zhǔn)的方法，缺乏對(duì)水聲定位儀測(cè)量性能的 準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。在這種情況下，水聲定位儀測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確與否將對(duì)海洋工程及水運(yùn)工程的建設(shè)質(zhì)量、勘察、設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。 因此，定期采用各種手段對(duì)儀器的計(jì)量性能、可靠 性、適用性等進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)就顯得尤為重要。

      該文依托天津港的船閘水池，基于設(shè)計(jì)的多維 運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)提出水聲定位儀斜距的計(jì)量溯源方 法,將填補(bǔ)水下定位系統(tǒng)計(jì)量檢測(cè)技術(shù)空白,為水下定位研究保駕護(hù)航。

1 水聲定位儀結(jié)構(gòu)組成及工作原理

      水聲定位儀主要由水下聲學(xué)測(cè)量設(shè)備和水上數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備兩大部分組成,其中水下聲學(xué) 測(cè)量設(shè)備由安裝在船體的換能器基陣和安裝在水下移動(dòng)載體的聲信標(biāo)組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。聲學(xué)換能器發(fā)射聲波信號(hào)至聲信標(biāo)，聲信標(biāo) 在收到訊問(wèn)信號(hào)后,發(fā)射區(qū)別于訊問(wèn)信號(hào)的響應(yīng) 信號(hào)回?fù)Q能器，響應(yīng)信號(hào)經(jīng)由通訊電纜傳輸給甲 板處理單元。

圖1水聲定位儀結(jié)構(gòu)示意圖

2  校準(zhǔn)裝置及配套設(shè)施

選擇計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)施應(yīng)當(dāng)遵循以下原則：

(1) 水聲定位儀有相關(guān)計(jì)量檢定規(guī)程和國(guó)家標(biāo) 準(zhǔn)時(shí)，選擇的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足或優(yōu)于技術(shù)文件 中的要求；

(2) 對(duì)于測(cè)量結(jié)果有較大影響的儀器設(shè)備，例 如水聲定位儀測(cè)量過(guò)程中用于聲速校正的聲速剖面 儀,應(yīng)進(jìn)行有效的溯源。

水聲定位儀校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)要求如下：

(1)多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)該文設(shè)計(jì)的多維運(yùn)行控 制機(jī)構(gòu)包括水平移位、升降、回轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)接法蘭盤(pán)幾個(gè) 部分，其中水平移位部分隨試驗(yàn)行車(chē)在導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn) 遠(yuǎn)距離水平運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行速度為0.6 m/s；升降部分實(shí) 現(xiàn)水聲定位儀換能器與聲信標(biāo)在水面垂直方向的精 確位置控制;回轉(zhuǎn)部分實(shí)現(xiàn)水聲定位儀水平旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng);轉(zhuǎn)接法蘭盤(pán)用于多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)與水聲定位 儀的機(jī)械連接。多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)

(2)聲速剖面儀最大允許誤差為士0.2 m/s,為 水聲定位儀提供標(biāo)準(zhǔn)聲速值，實(shí)物圖如圖3所示。

圖3聲速剖面儀

(3)鋼卷尺準(zhǔn)確度等級(jí)為1級(jí),型號(hào)選5 m型, 經(jīng)檢定的鋼卷尺用于標(biāo)定多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)行駛軌 道的刻度。

3 校準(zhǔn)方法

      使用鋼卷尺標(biāo)定多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)軌道刻度, 分辨率為0.01m,距離為0~180 m；通過(guò)轉(zhuǎn)接法蘭 盤(pán)將水聲定位儀換能器豎直固定于左側(cè)多維運(yùn)行控 制機(jī)構(gòu)升降套筒下端,旋轉(zhuǎn)水平桿折疊轉(zhuǎn)軸使水聲 定位儀換能器置于水面以下1 m處且離岸不小于 3 m;使用經(jīng)檢定的聲速剖面儀測(cè)量不同水深點(diǎn)聲 速,將標(biāo)準(zhǔn)聲速值輸入到水聲定位儀換能器,修正水聲定位儀的聲速參量;同水聲定位儀換能器一樣，將 聲信標(biāo)通過(guò)右側(cè)多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)置于水面以下 1 m且保持聲信標(biāo)離水池邊壁距離與換能器至水池 邊壁的距離相同;保持左側(cè)多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)位于 軌道零刻度線(xiàn)處,緩慢移動(dòng)右側(cè)多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu), 選擇5 m,100 m,150 m作為水聲定位儀斜距的校準(zhǔn) 點(diǎn);記錄水聲定位儀各斜距測(cè)得值Z = 10次,取平均值7作為斜距測(cè)量值，按式(1)計(jì)算斜距示值誤差。 水聲定位儀斜距校準(zhǔn)原理如圖4所示。

1-行駛軌道；2-軌道刻度；3-左側(cè)多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)；4-右側(cè)多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)；5-水池邊壁；6-斜距測(cè)量值

圖4斜距校準(zhǔn)原理圖

4 校準(zhǔn)結(jié)果

選用Ranger-2型水聲定位儀作為試驗(yàn)樣機(jī), 按前述校準(zhǔn)方法開(kāi)展斜距校準(zhǔn)試驗(yàn)。圖5是換能器 距離聲信標(biāo)5 m處數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)測(cè)效果,校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。由表1可知,Ranger -2的斜距示值 誤差隨斜距的增加而增大，各校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差均 小于JJG(交通)152—2020(超短線(xiàn)水聲定位儀》中 規(guī)定的斜距最大允許誤差±(0.5+Rx3%),其中R表示斜距測(cè)量值。

表1試驗(yàn)樣機(jī)校準(zhǔn)結(jié)果

5 測(cè)量不確定度評(píng)定

對(duì)上述試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果開(kāi)展測(cè)量不確定度 評(píng)定,以驗(yàn)證該文提出的校準(zhǔn)方法是否合理。

5.1數(shù)學(xué)模型

5.2合成靈敏度系數(shù)

5.3計(jì)算分量不確定度

(1) 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

此測(cè)量不確定度為被校準(zhǔn)設(shè)備所引入的測(cè)量不 確定度，主要影響因素為測(cè)量重復(fù)性所引入的測(cè)量 不確定度分量。在測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)的過(guò)程中，采 用標(biāo)準(zhǔn)斜距為100 m時(shí)水聲定位儀采集的數(shù)據(jù)，作 為代表性數(shù)據(jù)開(kāi)展測(cè)量不確定度的評(píng)價(jià)，重復(fù)測(cè)量 10次,測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。采用測(cè)量不確定度的A類(lèi) 評(píng)定方法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不確定度,使用貝塞爾公式計(jì)算 標(biāo)準(zhǔn)偏差，計(jì)算平均值的測(cè)量不確定度。

(2) 鋼卷尺測(cè)量弓I入的測(cè)量不確定度分量

(3) 聲速剖面儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

聲速是水聲定位儀進(jìn)行幾何測(cè)量的重要量，在 水聲定位儀工作的過(guò)程中,應(yīng)當(dāng)進(jìn)行聲速修正。采 用測(cè)量不確定度的B類(lèi)評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定。

(4) 由安裝誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

儀器安裝位置誤差引入的不確定度分量，來(lái)源于水聲定位儀換能器的安裝偏差,安裝偏差由測(cè)深鋼卷尺引起。測(cè)深鋼卷尺的最大允許誤差為 ±0.5 mm,由此引起的測(cè)距不^定度分量劃.3 mm。

5.4合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

6結(jié)論

      隨著水聲定位儀的應(yīng)用日益廣泛,其校準(zhǔn)需求不斷增加，亟需開(kāi)展相應(yīng)儀器的計(jì)量研究工作。該 文介紹了水聲定位儀的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，提出 了水聲定位儀的校準(zhǔn)方法,并選取樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn) 測(cè)量，得到被測(cè)儀器的斜距示值誤差。測(cè)量結(jié)果與 測(cè)量不確定度符合規(guī)定指標(biāo)，驗(yàn)證了該校準(zhǔn)方法的 可行性及合理性。

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