水下声学定位系统概述
水下综合声学定位技术简介：五种定位模式
水下综合声学定位技术简介：五种定位模式水下声学定位技术经过数十年的发展已成为各种应用和领域解决水下定位和跟踪最主要和最可靠的技术手段，从定位模式方面可分为USBL(超短基线)定位、SBL(短基线)定位、LBL(长基线)定位三种基本定位模式，和为满足某些特殊定位要求的组合定位模式：LUBL(长超短基线)定位、SLUSBL(长短超短基线)定位等。
以上定位模式简单介绍如下：USBL(超短基线)定位技术超短基线定位技术由于其系统组成简单、安装简易等特点成为应用最为广泛的水下声学定位手段，该技术主要应用与水下拖体定位跟踪、ROV定位导航、DP船声学定位参照、水下潜员跟踪定位等等。
顾名思义，该系统的测量极限非常之短，只有几十公分，且组合于单个声学换能器阵列，便于水面船安装和使用。
参考下图：USBL系统所采用的技术为相控测量技术，即通过测时得到目标距；通过相位测量测得目标的水平几垂直角度，进而确定目标的相对位置。
由于USBL系统的基线非常短，因此其测量角度的分辨率不可能很高，因此该技术系统所能提供的定位精度随斜距的增加而降低。
采用常规模拟声学技术的系统测距精度通常为20-30厘米，只有Sonardyne公司的宽带数字声学技术可达到2-3厘米；定位精度通常为0.2-0.5%X 斜距(必须经过高精度姿态改正和声速改正)。
典型的系统组成和应用如下：典型应用：水下拖体定位跟踪、ROV定位导航、DP船声学定位参照、水下潜员跟踪定位，AUV定位跟踪、遥控，BOP遥控遥测，导管架角度遥测等。
SBL(短基线)定位技术短基线定位系统组成较为简单、安装较为简易，基线由安装在船体的多个(通常4个)发射接收机组成基线，测量基线几十米，参考下图：SBL系统所采用的技术为测距定位技术，即通过测时得到目标距每个发射接收机的距离，进而确定目标的相对位置。
该技术的定位精度较USBL高，单又远远低于LBL技术，系统的操作优势不是很明显，性价比偏低，因此应用远比USBL 和LBL技术低。
声学定位与声呐系统的原理与设计
声学定位与声呐系统的原理与设计声学定位和声呐系统是一种利用声波传播和回声原理进行距离测量和目标定位的技术。
它广泛应用于海洋勘测、水下导航、鱼群探测、海洋生物研究等领域。
本文将介绍声学定位和声呐系统的原理与设计。
一、声学定位原理声学定位是通过发射声波信号和接收回声信号来计算目标的位置和运动方向。
其原理基于声波在介质中传播速度恒定的特性。
当发射器发出声波信号后，它会在介质中以声速传播，并在遇到物体时发生反射。
接收器接收到回声信号后，通过计算信号的传播时间和回声信号的强度，可以计算出目标物体的位置和运动状态。
声波传播速度的测量是声学定位的关键。
声波在水中传播速度约为1500米/秒，而在空气中约为344米/秒。
通过测量声波传播的时间和知道传播速度，我们可以确定目标物体与发射器（或接收器）的距离。
通过多个发射器和接收器组成的声学阵列，可以实现多点定位和跟踪目标物体。
二、声呐系统的结构与工作原理声呐系统是声学定位技术的重要应用之一，它主要由传感器、信号处理器和显示器三部分组成。
传感器是声呐系统的核心部分，它负责发射声波信号和接收回声信号。
传感器通常由压电材料制成，这种材料在施加电场时能产生机械位移。
当电压施加到传感器上时，它会振动产生声波信号，并将传感器环境中的声波转换成电信号。
信号处理器是声呐系统的智能化核心，它负责接收和分析传感器接收的电信号。
通过信号处理器，我们可以提取回声信号中的目标信息，并利用算法计算目标物体的位置和运动状态。
在信号处理过程中，需要注意降噪和滤波等技术，以准确提取回声信号。
显示器是声呐系统的输出部分，它将经过信号处理的目标信息可视化呈现给用户。
显示器通常以二维或三维形式显示目标物体的位置、轨迹和属性等信息。
通过显示器，用户可以直观地了解目标物体的位置和情况。
三、声呐系统的设计与应用声呐系统的设计需要考虑多个因素，如传感器的灵敏度、带宽、功耗、可靠性等。
同时，还需要根据具体的应用场景确定系统的工作频率和探测范围。
声学技术在水下探测中的应用
声学技术在水下探测中的应用近年来，声学技术在水下探测领域有着越来越广泛的应用。
声音在水中传播的特性使得它成为一种非常有效的探测手段，与其他手段相比，它具有灵敏、高分辨率、非侵入性等优点。
本文将介绍声学技术在水下探测中的应用及其基本原理。
一、声学成像技术声学成像技术是目前水下探测领域中最常用的技术之一。
该技术通过发射一定频率的声波信号，并依据信号在水中的反射信号来确定水下物体的位置、形状和大小等信息。
声学成像技术的核心是声学成像仪，它通过探头将发射的声波信号传达到水中，并接收反射回来的信号，通过计算机处理，最终生成水下物体的影像图像。
声学成像技术在海洋石油勘探、水下机器人探险等方面有着广泛的应用。
二、声纳定位系统声纳定位系统又称声纳测距仪。
该系统利用声波在水中的传播特性，通过计算声波信号从发射源到目标物体的距离来确定目标物体的位置。
声纳定位系统广泛应用于水下搜救、水下作业、危化品泄漏等领域。
传统的声纳定位系统只能提供目标物体的大致位置信息，但随着声学技术的发展，现在的声纳定位系统可以精确到厘米级别，为水下作业提供了更高的精度和效率。
三、声学流速计声学流速计是一种利用声波测量水流速度的装置。
水力学上的Reynold 数越来越小，海底、河床的底质便越粘稠，流体也变得更难流动。
这时候，声学流速计便成为了一种极为有用的工具。
它可以被用来测量水下河流的流速、流垢分布，进而为水文模拟、水电设计、水质监测等提供大量实测数据。
四、声学扫描仪声学扫描仪是一种用于水下肉眼观察的装置，可以对水下景观进行三维立体扫描。
声波在水中的传播速度是固定不变的，可以根据声波反射回来的时间差判断出目标物体的距离，进而生成三维视觉效果。
声学扫描仪可以被应用于石油勘探、海底考古、生态保护等领域。
五、声学通讯技术在水下通讯领域，光通讯一直是一个难点，传统的无线电通讯暂时不能够有效解决问题。
而声学通讯则可以应用于水下上互通信息传递。
声波传播在水中的速度比较慢，通行距离不够长，数据传输速率也比较低。
水下声源定位技术的研究与应用
水下声源定位技术的研究与应用一、引言水下声源定位技术是指通过声纳等探测设备来确定水下声源位置的技术。
随着深海勘探与开发的不断深入，越来越多的工作需要通过水下声源定位技术来实现。
本文将从水下声源定位技术的发展历程和基础知识、应用案例和未来发展方向等方面进行详细介绍。
二、水下声源定位技术的发展历程和基础知识自从20世纪初海洋调查开始，人们就开始尝试开发声纳技术来探测水下声源。
20世纪60年代，声纳技术得到逐步完善，水下声源定位技术也开始随着海洋科学的不断发展而不断改进和创新。
声纳技术主要需要用到声波、超声波等物理学知识和降噪、信号检测等信号处理技术。
其中，超声波可在水下传播距离更远，灵敏度更高。
而水下声源定位技术也开始向着精度、速度、探测深度和信噪比等方面进行不断优化。
三、水下声源定位技术的应用案例3.1 石油勘探石油是世界各国的重要能源资源。
在石油勘探中，水下声源定位技术被广泛应用。
声纳设备可以探测石油地层中的声波反射，获取地层信息，开展现场勘探和分析。
这种技术可以大幅减小开采成本，提高石油采集率和开采效益。
3.2 海底隧道施工海底隧道建设需要对隧道施工的稳定性和安全性进行保障。
其中，水下声源定位技术可以实时监测施工情况，获取隧道内相应数据，优化施工方案和提高施工效率，从而在海底隧道建设中发挥重要作用。
3.3 船舶探测水下声源定位技术广泛应用于船舶探测中。
通过声纳设备可以对深海中的障碍物和海床等进行探测。
这对于保障船只航行和预防海底障碍物的碰撞具有至关重要的意义。
四、水下声源定位技术的未来发展方向4.1 深海勘探随着海洋科学的不断进步，深海勘探成为了前沿性的课题。
因此，水下声源定位技术在深海勘探领域中的应用将越来越广泛。
优化声源定位技术精度，提高深海探测深度和信号传播能力，将有助于深海勘探领域的快速发展。
4.2 新型声纳设备新型水下声源定位技术的发展是具有重要意义的。
例如，开发集成了人工智能和机器学习等技术的水下声源探测设备，这将使声源定位技术的精度和速度得到极大的提高。
水声定位系统算法研究
水声定位系统算法研究1.引言水声定位系统是一种广泛应用于海洋、水下物探、水下通信及水下机器人等领域的技术。
水声定位技术具有定位精度高、适应海底环境等特点，因此受到重视。
定位系统的关键是算法，本文旨在探讨水声定位系统中的算法。
2. 水声定位系统基础水声定位技术包括超声波、声呐和声纳等技术，其中以超声波技术最为常用。
超声波是一种高频声波，根据声波在水中的传播速度和接收时间差来测量目标物体的距离。
声呐和声纳是利用声波在水中的传播特性，通过控制声波的发射和接收实现目标物体的定位。
水声定位系统通常由超声发射器、超声接收器和计算机三部分组成。
其中发射器发出超声波信号，接收器接收信号，计算机进行信号处理和定位计算。
3. 水声定位算法研究3.1 距离定位算法距离定位算法是一种简单常用的定位算法，其定位原理是根据声波传播速度和声波发射与接收时间差计算目标物体到发射器与接收器之间的距离，由此确定目标物体的位置。
该方法适用于目标物体距离较远但定位精度要求不高的场合，如海洋频段的目标物体。
3.2 角度定位算法角度定位算法是在距离定位算法的基础上加入角度信息，通过三角定位计算目标物体的位置。
该算法需要至少三个超声发射器和至少三个超声接收器，利用发射器和接收器之间的角度信息来计算目标物体的位置。
该方法定位精度较高，适用于在水下环境中需要高精度定位的应用场合。
3.3 最小二乘法定位算法最小二乘法定位算法是一种利用最小二乘原理来计算目标物体位置的方法。
该方法利用多个超声发射器和接收器发射和接收声波，并且测算出目标物体到发射器和接收器之间的距离和时间差。
在此基础上通过最小化误差平方和来得到目标物体的位置信息。
该方法适用于需要高精度定位的场合。
4. 算法应用实例4.1 海底石油管道检测海底石油管道是一种重要的能源输送管道，为保障其安全运输，需要对其进行定位和检测。
通过水声定位系统，可以定位管道的位置和检测管道的状态，如是否有渗漏或磨损等情况。
6水下声标定位(第六章)讲解
第六章水下声标定位水声定位系统是用于测定水下或水面运载工具位置的定位系统。
水声定位系统利用超声波传播信号，具有的方向性好、贯穿能力强的特点。
水声定位系统有三种工作方式：长基线系统、短基线系统和超短基线系统。
6.1 水声定位基础6.1.1 水声定位的基本设备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的换能器（也可置于船后的“拖鱼”内）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。
水声定位系统中有关电子设备的电路工作原理与一般电子线路相同，在此不予赘述。
下面仅简要介绍系统中的水声设备。
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，如经常使用的磁致伸缩换能器和电致伸缩换能器。
磁致伸缩换能器的基本原理是当绕有线圈的镍棒（通电）在交变磁场作用下会产生形变（振动）而产生声波，电能转变成声能；而磁化了的镍棒在外力（声波）作用下产生形变（振动），从而使棒内的磁场也相应变化，而产生电振荡，声能转变为电能。
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主成电信号。
输入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。
它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（称为水声声标）。
6.1.2 水声定位系统的基本定位方式水声定位系统通常有两种定位方式，即测距和测向。
一、测距水声测距定位原理如图6—1所示。
它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应答声脉冲信号，船台接收机记录发射询问信号图6—1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（斜距）： Ct D 21=（6—1） 由于应答器的深度Z 已知，于是，船台至应答器之间的水平距离S 可按下式求出： 22Z D S -=（6—2）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。
第六章——声学定位及综合导航
为水面上或水体中目标定位。 若潜艇、水面船只上安装该设备，则可以为特殊地区(无法 或不能进行GPS定位)情况下运动载体进行定位。 开发出高精度定位的水下DGPS系统，建立水下立体高精度 定位系统，解决深拖、ROV(Remotely Operated Vehicle)、 深海载人潜器以及各种取样器和特殊水下工程的水下高精度 定位问题。
水听器
水声应声器
声信标工作方式（测时差/相差定位方式）
H1
x
bx
H2
z
测量T到H1和H2的时间差为t1=t1-t2， 测量T到H2和H3的时间差为t2=t2-t3 则产生的距离差为vt1和vt2 ，则相 应的角度x、y和z为：
x
P y
T
x
R
x
sin x sin y
水下声学定位目前常采用的系统主要有：
长基线定位系统 短基线定位系统
超短基线定位系统
在实际应用中，由于单一定位系统的缺陷，需要 将几个系统联合起来，保证定位或导航结果的正确性， 即组合导航
§6.2 长基线声学定位系统
通常在海底布设3个以上的应答器Ti，以一定的图形 组成海底基阵，如三角性或四边形。基线长度按照 作业区域确定。运载工具位于基阵内，测量到Ti的 距离而确定点位。 长基线的定位精度比较高，一般可达到5m~20m， 最大测程为5km，定位方式有两种：
响应器工作方式
响应器是通过电缆与测量船相连接的。响应器的发 射是由测量船控制的。触发一次，测量一次。 响应器的工作方式与应答器的工作方式基本相同。 不同之处在于询问应答是声路径，而响应应答是电 路径，因而计算作业船到响应器的距离仅使用单程 传播时间。 与应答器的工作方式相比，该方法的电 路径询问干扰小，可靠性好；缺点在于需要电缆连 接。
水下声学通信与定位技术研究
水下声学通信与定位技术研究水下声学通信与定位技术研究一、引言地球表面约 70%被水覆盖，其中海洋蕴含着丰富的资源并在全球气候调节、交通运输等诸多方面扮演着极为关键的角色。
随着人类对海洋探索与开发活动的日益频繁，水下声学通信与定位技术作为实现水下信息传输与目标位置确定的核心手段，正受到越来越广泛的关注与深入的研究。
水下环境与陆地环境存在着显著差异。
水对电磁波具有强烈的吸收作用，导致电磁波在水下传播时衰减迅速，传播距离极为有限。
而声波在水中却能够相对稳定地传播较长距离，因此成为水下信息传输与目标探测的主要载体。
水下声学通信与定位技术基于声波在水中的传播特性，通过合理设计声学系统、信号处理算法等，致力于实现高效、可靠的水下信息交互以及精准的目标位置确定，这对于海洋资源开发、海洋科学研究、水下事应用等多个领域都具有不可替代的重要意义。
二、水下声学通信技术（一）水下声学通信原理水下声学通信主要是利用声波在水中的传播来传递信息。
发送端将待传输的信息（如数据、语音、图像等）进行编码和调制，加载到声波信号上，然后通过换能器将电信号转换为声波信号向水中发射。
声波在水中传播，经过一定的传播路径后到达接收端。
接收端的换能器将接收到的声波信号转换为电信号，再经过解调、解码等处理过程，恢复出原始的信息。
在这个过程中，声波在水中的传播特性对通信效果有着至关重要的影响。
例如，声波的传播速度在海水中约为1500m/s 左右，且会随着水温、盐度、深度等因素的变化而发生改变。
此外，声波在传播过程中会发生衰减、散射、多径传播等现象。
衰减会导致信号强度随着传播距离的增加而逐渐减弱，限制了通信的有效距离；散射会使信号向不同方向扩散，造成信号能量的分散；多径传播则会使同一信号经过不同路径到达接收端，产生时延扩展和信号失真，这些因素都给水下声学通信带来了巨大的挑战。
（二）水下声学通信调制技术为了提高水下声学通信的效率和可靠性，多种调制技术被应用于水下通信系统中。
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水下声学定位系统概述
概述
20世纪90年代以来，世界先进国家的海洋调查技术手段逐步成熟与完善，其中超短基线（简称USBL）水下设备大地定位技术也获得了长足的发展。
高精度水下定位系统具有广泛的用途，在海洋探测研究、海洋工程、水下建筑物施工、潜水员水下作业、水下考古、海洋国防建设等方面，都离不开水下定位系统为其提供高精度、高质量的定位资料，因此高精度水下定位技术对维护国家领土权益和国民经济建设都具有重要意义。
关于水下声学定位系统
20世纪50～60 年代，在国际上，随着光、声、磁等技术的不断发展，在大力开发海洋自然资源和海洋工程的进程中，水下探测技术得到了较大发展，相继开发了一系列先进的、高效能的水下探测设备：在各种水下检测的光、声、磁技术中，由于水下光波衰减很快，即使是波长最长、传播最远的红外光波在水中传播到了几米以后也衰减完了，而声波和电磁波在水中有良好的传播性，因而，声呐、磁探和超短基线成为水下检测的有效方法。
声学定位系统最初是在19世纪60年代的时候被开发出来用于支持水下调查研究。
从那时起，这类系统便在为拖体，ROV等水下目标的定位中成为了重要角色。
声学定位系统能够在有限的区域内提供非常高的位置可重复精度，甚至在远离海岸。
对大多数用户来说，可重复性精度要比绝对精度重要。
水下声学定位系统分类
在声学定位系统中，有3种主要的技术：长基线定位（LBL），短基线定位（SBL），和超短基线定位（SSBL/USBL），有些现代的定位系统能组合使用以上技术。
长基线（LBL）:长基线定位能在宽广的区域内提供高精度的位置，它需要至少3个应答器组成的阵列部署在海底上的已知点上，水面舰只安装一个换能器。
换能器测量出到水底应答器的斜距，从而计算出自身的坐标位置。
图1
短基线（SBL）：短基线定位需要在舰船上安装至少3个换能器阵，换能器之间的位置关系为已知，应答器安装在需要定位的目标上，舰船上的多个换能器测量出到同一个应答器的距离，从而计算出目标的位置。
图2
超短基线（SSBL/USBL）:超短基线定位的船载换能器中，有至少3个单元，应答器安装在需要定位的目标上，换能器测量出到应答器的水平和垂直角度及斜距。
图3
这三种不同方式的声学定位系统中，长基线定位（LBL）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。
因此，超短基线声学定位系统（SSBL）的优势是很明显的：只需要在船舶上安装一个换能器及其电子单元，就可以提供高精度的声学定位。