0 引言

      超短基線水聲定位儀(以下簡稱“水聲定位 儀”)是水運交通研究的基本設(shè)備，其工作原理是在水下被定位的目標上安裝聲信標, 水上的船體安裝 超短基線基陣,聲信標發(fā)出聲信號，水聲定位儀換能 器接收到信號后測算出目標的距離。因為無線電波在水中的快速衰減使GPS的定位手段無計可施，聲波是目前最有效的水下遠距離傳播的信息載體, 因而水聲定位儀在海洋、水運領(lǐng)域有愈來愈廣泛的用途,例如海洋探測研究與資源開發(fā)、海上救 援搜尋、沉船打撈、電纜布設(shè)等方面都離不開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，往往造成測量結(jié)果的失效或缺失，給海洋、水運研究工作帶來人力和財力上的巨大損失。在水聲定位儀的實際使用中，由于缺乏專業(yè)的計量校準系 統(tǒng)，國內(nèi)外研究人員只能認可生產(chǎn)廠家“標稱”的各項性能指標和探測能力，亦或是只能進行試驗比對或自行校準的方法，缺乏對水聲定位儀測量性能的準確評價。在這種情況下，水聲定位儀測量結(jié)果的準確與否將對海洋工程及水運工程的建設(shè)質(zhì)量、勘察、設(shè)計和模型試驗的結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。 因此，定期采用各種手段對儀器的計量性能、可靠性、適用性等進行測試和評價就顯得尤為重要。

      該文依托天津港的船閘水池，基于設(shè)計的多維 運行控制機構(gòu)提出水聲定位儀斜距的計量溯源方法，將填補水下定位系統(tǒng)計量檢測技術(shù)空白，為水下定位研究保駕護航。

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) 測量設(shè)備由安裝在船體的換能器基陣和安裝在水下移動載體的聲信標組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。聲學(xué)換能器發(fā)射聲波信號至聲信標，聲信標 在收到訊問信號后,發(fā)射區(qū)別于訊問信號的響應(yīng) 信號回換能器，響應(yīng)信號經(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

選擇計量標準器及配套設(shè)施應(yīng)當遵循以下原則：

(1) 水聲定位儀有相關(guān)計量檢定規(guī)程和國家標 準時，選擇的計量標準器應(yīng)當滿足或優(yōu)于技術(shù)文件 中的要求；

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

水聲定位儀校準系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)要求如下：

(1)多維運行控制機構(gòu)該文設(shè)計的多維運行控 制機構(gòu)包括水平移位、升降、回轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)接法蘭盤幾個 部分，其中水平移位部分隨試驗行車在導(dǎo)軌上實現(xiàn) 遠距離水平運動，運行速度為0.6 m/s；升降部分實 現(xiàn)水聲定位儀換能器與聲信標在水面垂直方向的精 確位置控制;回轉(zhuǎn)部分實現(xiàn)水聲定位儀水平旋轉(zhuǎn)運 動;轉(zhuǎn)接法蘭盤用于多維運行控制機構(gòu)與水聲定位 儀的機械連接。多維運行控制機構(gòu)實物圖如圖2 所示。

圖2多維運行控制機構(gòu)

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

圖3聲速剖面儀

(3)鋼卷尺準確度等級為1級,型號選5 m型, 經(jīng)檢定的鋼卷尺用于標定多維運行控制機構(gòu)行駛軌 道的刻度。

3 校準方法

      使用鋼卷尺標定多維運行控制機構(gòu)軌道刻度, 分辨率為0.01 m,距離為0~180 m；通過轉(zhuǎn)接法蘭盤將水聲定位儀換能器豎直固定于左側(cè)多維運行控制機構(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1m處且離岸不小于3m；使用經(jīng)檢定的聲速剖面儀測量不同水深點聲速,將標準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，將聲信標通過右側(cè)多維運行控制機構(gòu)置于水面以下1 m且保持聲信標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)多維運行控制機構(gòu)位于 軌道零刻度線處,緩慢移動右側(cè)多維運行控制機構(gòu), 選擇5m,100m,150m作為水聲定位儀斜距的校準 點;記錄水聲定位儀各斜距測得值Z= 10次，取平均值7作為斜距測量值，按式(1)計算斜距示值誤差。 水聲定位儀斜距校準原理如圖4所示。

式中:AL為被校水聲定位儀斜距示值誤差(m) ； i為被 校水聲定位儀斜距測量值(m) ；￡為被校水聲定位儀斜距標準值。

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

圖4斜距校準原理圖

4 校準結(jié)果

選用Ranger-2型水聲定位儀作為試驗樣機, 按前述校準方法開展斜距校準試驗。圖5是換能器距離聲信標5m處數(shù)據(jù)采集軟件實測效果,校準結(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，各校準點的示值誤差均 小于JJG(交通)152—2020(超短線水聲定位儀》中 規(guī)定的斜距最大允許誤差±(0.5+Rx3%),其中R表示斜距測量值。

5 測量不確定度評定

對上述試驗方法和試驗結(jié)果開展測量不確定度 評定,以驗證該文提出的校準方法是否合理。

5.1數(shù)學(xué)模型

5.2合成靈敏度系數(shù)

5.3計算分量不確定度

此測量不確定度為被校準設(shè)備所引入的測量不 確定度，主要影響因素為測量重復(fù)性所引入的測量 不確定度分量。在測量不確定度評價的過程中，采 用標準斜距為100 m時水聲定位儀采集的數(shù)據(jù)，作 為代表性數(shù)據(jù)開展測量不確定度的評價，重復(fù)測量 10次,測量數(shù)據(jù)見表1。采用測量不確定度的A類 評定方法計算標準不確定度,使用貝塞爾公式計算 標準偏差，計算平均值的測量不確定度。

標準斜距為100 m時，測量數(shù)據(jù)的標準偏差S = 0.32 m,斜距測量重復(fù)性所引入的測量不確定度為

5.4合成標準不確定度

5.5擴展不確定度

取擴展因子k=2,則擴展不確定度為U = k x u(△l) = 0. 20 m

5.6測最不確定度的報告與表示

水聲定位儀的斜距測量不確定度17 = 0.20 m (4 =2) ，小于被測儀器最大允許誤差絕對值的1/3,滿 足測量不確定度合格判定的要求,合理性。

6結(jié)論

      隨著水聲定位儀的應(yīng)用日益廣泛, 其校準需求 不斷增加，亟需開展相應(yīng)儀器的計量研究工作。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方法,并選取樣機進行了試驗測量，得到被測儀器的斜距示值誤差。測量結(jié)果與 測量不確定度符合規(guī)定指標，驗證了該校準方法的可行性及合理性。

參考文獻：

[1 ]程謙，王英民,諸國磊.多子陣組合的短基線聲學(xué)定位系 統(tǒng)數(shù)據(jù)優(yōu)化方法[J].應(yīng)用聲學(xué),2019,38(4) ：742 -749. 

[2] SUN, DAJUN, DING, et al. Angular misalignment calibration method for ultra - short baseline positioning system based on matrix decomposition [ J ]. IET Radar, Sonar & Navigation, 2019, 13(3) ：456 -463. 

[3] 金博楠，徐曉蘇，張濤，等.超短基線定位技術(shù)及在海洋工 程中的應(yīng)用[J] •導(dǎo)航定位與授時,2018,5⑷：8-20. 

[4] 楊元喜，徐天河,薛樹強•我國海洋大地測量基準與海洋導(dǎo) 航技術(shù)®]究赧與展望[口測繪報,2017,46(1) ：1 _& 

[5] TAN H P, DIAMAJNT R, SEAH WKG, et al. A survey of techniques and challenges in underwater localization [J]. Ocean Engineering, 2011, 38(14 -15) : 1663 -1676. 

[6] 楊保國•超短基線系統(tǒng)安裝校準技術(shù)研究[D].哈爾 濱:哈爾濱工程大學(xué)，2013. 

[7] 羅宇，施劍，王熙贏•基于最大似然估計的超短基線定 位方法研究[A]//2019年全國聲學(xué)大會論文集[C]. 中國聲學(xué)學(xué)會，2019. 

[8] 劉長友•超短基線升降裝置設(shè)計與研究[D].煙臺：煙 臺大學(xué),2013. 

[9] 牛清正•超短基線定位系統(tǒng)檢測裝置設(shè)計實現(xiàn)[D].哈 爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2017. 

[10] 全國水運專用計量器具計量技術(shù)委員會•超短基線水 聲定位儀檢定規(guī)程:JJG(交通)152 -2020 [訂.2020.

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