《水下定位与导航技术》声学多普勒测速技术概述
第3章超短基线水声定位系统
有
R T c R T c
以水平位置精度与斜距之比来衡量定位精度时有
斜距相对 定位精度
X a 12 R 2d
响应器方式
带有深度的应答器/响应器方式
2 2019/4/9
一类是根据声线入射角和已知 超短基线系统的几种定位解算方式 深度进行位置解算
（ （ 测 ） 量 信 声 标 线 方 入 式 射 角 ） （ 单 程 距 离 和 角 度 ） (c)
另一类则是根据测量的距离和 声线入射角进行定位解算。
r
X Y
2 a
2 a
8
2019/4/9
3.3 入射角与距离算法 （应答器或响应器方式）
目标斜距 若使用应答器代替信标
1 R cTT , R 2
通过相位测量得到角度， 直接求出位置坐标
hR cos mx X cos a mx Xa
1 cos2 mx cos2 my
1 mx
，
Xa
3.2 入射角和深度方式（非同步信标 h cos mx 2 信标方式）位置解算 1 cos cos2
con my Ya 1 tan X tan con mx a
1
1 13 tan 21
c 2 T 2 d 2 2 2 2 12 c T d 2 d
2 2 总的均方误差 类似地，可得到 x y
13 2 Y 2d
武汉大学测绘学院现代海洋学第6章--GPS定位与海底声学定位
ϕi j (t ) = ϕi (ti ) − ϕ j (t j ) − N i j (t0 )
式中，Nij(t0)称为整周未知数（整周模糊度）。
（6-13）
卫星钟和接收机钟的振荡器有良好的稳定度，通常可达10-11～1012s，相应的频率漂移为0.016～0.0016Hz。由于信号由卫星到达接收 机的传播时间△t极短，其取值范围约为0.066～0.090s之间，因此， 忽略频漂产生的误差，即可视卫星信号频率与接收机基准频率相等， 即：
(6-12)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
测相伪距观测方程及其线性化
设卫星Si在卫星钟钟面时ti发射得载波信号相位为ϕj(ti)，而接收机 Mi在接收机钟面时ti收到卫星信号后产生的基准信号相位为 ϕi (ti )
ϕi(ti)，历元t的相位观测量
ϕi j (t ) 应当等于接收机基准信号相位与卫星
发射信号相位之差减去相应于初时历元t0的相位差整周数Nij(t0)。即有
式中：
∂ρi j (t ) 1 ( )0 = − j (Y j (t ) − Yi 0 ) = −li j (t ) ∂Yi ( ρi (t ))0 ∂ρi j (t ) 1 ( )0 = − j ( Z j (t ) − Z i0 ) = − mij (t ) ∂Z i ( ρi (t ))0
于是，站星几何距离的线性化表达式为：
f j = fi = f
(6-14)
在此条件下，信号相位与频率之间存在关系式：
ϕ (t + Δt ) = ϕ ( t ) + f Δt
(6-15)
记 ti = t + Δt , t j = t 且顾及（6-13）式则有：
ϕ i j (t ) = f Δ t − N i j (t 0 )
水下声学测距技术在海岸地形测量中的应用
水下声学测距技术在海岸地形测量中的应用海岸地形测量是海洋科学和海洋工程领域的重要任务之一，它对于海岸管理、海洋工程建设和环境保护具有重要意义。
近年来，随着水下声学技术的发展和应用，水下声学测距技术逐渐成为海岸地形测量中的重要方法。
本文将介绍水下声学测距技术及其在海岸地形测量中的应用。
水下声学测距技术是利用声波在水中传播的原理，通过测量声波的传播时间来计算对象与声源的距离。
与传统的海洋地形测量方法相比，水下声学测距技术具有无需直接接触测量对象、测量范围广、分辨率高等优势，因此被广泛应用于海岸地形测量。
首先，水下声学测距技术可以用于测量海岸线的形态。
海岸线的形态对海岸地貌、波浪、沉积物运移等诸多方面具有重要影响，因此准确测量海岸线的形态变化对于海岸管理和预警具有重要意义。
通过将声源放置在海水中，利用声波的反射和折射特性，可以测量到海岸线与声源之间的距离，从而获得海岸线的形态。
其次，水下声学测距技术可以用于海底地形的测量。
海底地形的测量对于海洋工程建设、海洋资源开发等具有重要意义。
传统的海底地形测量方法主要依赖于潜水员进行人工测量，工作过程繁琐且存在一定的危险性。
而利用水下声学测距技术，只需要将声源放置在水下，即可通过测量声波的传播时间来推算出声源与海底的距离，进而获取海底地形的数据。
此外，水下声学测距技术还可以用于测量海底管道和电缆的敷设情况。
海底管道和电缆是海洋工程建设中常见的设施，它们的敷设情况对于海洋资源的开发和利用至关重要。
利用水下声学测距技术，可以通过测量声波在管道或电缆上传播的时间和路径，来推算出管道或电缆的敷设位置和状态，进而指导工程的施工和维护。
总体而言，水下声学测距技术在海岸地形测量中具有广泛的应用前景。
它可以实现对海岸线形态、海底地形、海底管道和电缆等多个方面的测量，为海洋科学和海洋工程领域的研究和应用提供了有力的数据支持。
随着水下声学测距技术和设备的不断升级和改进，相信其在海岸地形测量中的应用将会更加准确、高效和可靠。
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。
主要声学海流计介绍
主要声学海流计介绍声学海流计有声学矢量平均海流计、声学多普勒海流计、声学多普勒海流剖面仪、声相关海流剖面仪。
声学矢量平均海流计通常有三个换能器，用三个分量的矢量合成得出海流矢量（流速和流向）。
声学多普勒海流计利用海水中运动散射体的后向散射声信号的多普勒频移原理来测量流速。
声学多普勒海流剖面仪和声相关海流剖面仪可以同时给出某一深度范围内流速和流向的分层分布，例如一次测量可以得到128层的海流，其流速和流向是某一厚度层水体运动速度矢量的平均值。
声学海流计利用声波在海水中的传播特性来测量海流。
声波是机械波，产生的多普勒频移效应来测定流速的。
其优点是能连续记录，仪器无机械活动部件，无摩擦，无滞后现象，测量感应时间快，不影响流场测量，可测微弱海流，声速可自动校准，测量更可靠。
由于声学海流计种类繁多，下面来介绍工作中常用的两款声学海流计，分别为UCM－60L 超声测流仪和船用浅海型多普勒海流剖面仪（ADCP）。
一、UCM－60L超声测流仪（一）用途及特点UCM-60L是一种声学矢量平均海流计，它通过测量超声波在水体中往返传播的时间差来测量流速。
声速与海水介质的温度有关，因此要进行温度误差修正。
除了声学换能器以外，仪器中还装有温度、电导率、压力、倾斜、方位等传感器。
温度和倾斜传感器主要用于测量结果的误差修正，方位传感器用于确定流向。
该仪器可分为直读式和自记式两种工作方式，通过软件控制，用户可通过定义一些参数和编程来操纵仪器，如更换采样速率、采样时间、数据平均时间、启动时间等。
主要测量流速、流向、声速、温度、电导率、深度（压力）、倾斜等环境和状态参数，并给出海水计算盐度和密度等环境参数。
测流仪由主机(即水下测量探头)、通讯电缆、终端三部分组成。
主机结构紧凑，所有的传感器、数据记录设备、微处理器、供电电池等均集中在直径100mm，长650mm的不锈钢耐压圆筒内，测量要素的探测、信号处理均在主机内完成。
整机无转动部件，机械磨损小。
第6章_相关测速技术
2
2
总可能找到一个条件，使两条声线双程长度相等。 若有这一条件存在，则对海底其它海底反射点也会如此。 既然对海底各点都有两条相同的双程声线，因而两接收器接收的信 号包络除相差一时差之外，完全相同。这就是“波形不变原理”。 当两信号包络只相差一个时差而形状相同，意味着两信号是相关的。 为何要讨论波形不变原理？ 只有在两个波形相同的情况下才能保证相关。当两个波阵面往返的 路程相同时，即往返时间相同，因此，两个波阵面发射时刻相差τ， 接收时刻也相差τ，即两个波阵面之间的信号在某一个角度情况下， 波形和频率未发生变化。两个接收到的波形才具有相关性。实际上， 海底有很多具有此反射条件的散射点。
1 R12 ( ) x1 (t ) x 2 (t )dt T0
d v 2 0
17
T
2013-8-1
6.3 时间相关测速和空间相关测速
时间相关测速
方法1：直接利用相关函数求（相关）时延τ
这种方法的缺点：对τ的搜索，运算量较大。而且为保证足 够的测速精度，必须量化得足够精细。
系统参数 速度信息的来源
较可取得信号带宽 发射和接收波束宽度 发射阵孔径 接收阵孔径 更有利的声波传播方向
声相关计程仪 空间和时间域
宽带 宽 小 小 与速度矢量垂直
6
多普勒计程仪 方向和频率域
窄带、宽带 窄 大 大 与速度矢量平行
2013-8-1
6.1 引言
声相关计程仪的优点： 在一定的工作深度上，声相关计程仪需要的发射功率低。 在没有专门方法补偿时（相控阵除外），声相关计程仪的读数 不受传播声速的影响。 因为是宽波束发射，在载体摇晃和海底起伏不平时，声相关计 程仪有很好的可靠性。而且，海底表面的倾角不会引起太大的 测速误差。 由于声相关计程仪的基阵系统外形尺寸小，易于安装和有利于 维修。当船体发生变形时基阵系统的方向性特性轴不会发生弯 曲。 声纳工作频率低，因而声传播损失小，加上声波垂直向下发射， 因而可以得到更强的海底回波。
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。
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fdfd I fdI I4 C vxfTco c so sv vx zsi n
在船舶无摇摆及上下起伏时
前后两波束接收信号的频差为
fd
r
4vx C
fT cos
相对频率测量误差
fd fdfdrco svzsi n 1
fd r
fd r
vx
浅水使用时 收发期间只 需测量一次
姿态角
例如当 5和 10时，将分别带来 0.3%和 1.5％的测量误差。
计算法定位导航设备
机械式导航设备：水压式测速计、拖曳式旋转流量计等。 电子式导航设备：电磁计程仪、声多普勒计程仪和声相关
计程仪。
5.1 引言
多普勒现象 目标与声源的相对运动（相向、相离） 声源和接收一体的情况
多普勒速度解算公式 舰船的测速原理、方法 测速误差产生的原因
影响多普勒测速的主要因素及改进方法
在相向运动时，脉冲被压缩；在相离运动时，脉冲被展宽。
5.2 舰船多普勒测速原詹纳斯理（Janus）配置
舰船多普勒测速原理
xv/C
船与被照射 vvxcos
区的相对径 向速度为 ：
x vx cos
C
fd
I
2vx C
fT cos
接收的回波 1x (1x)2
信号频率为：fr
1x
fT
1x2
fT
fdII2Cvx fTcos
若其往返时间为t2，在t2时间内目标又向声呐靠近 vt2 / 2 。
因此有 L12v2tvT12C2t
由此得到后沿的往返时间为
xv/c
t2
2L/C2xT 1x
5.2 舰船多普勒测速原理
多普勒效应的时域分析 换能器接收到的脉冲宽度
t1
2L/C 2L/C 1v/C 1x
前后沿所需往返时间不同，其差值是
2C vx fT2co2 C vxscfTo cso2 C vsz(f T2 )c2 oC vzssfTis n in ()
前后两波束接收信号的频差为
fdfd I fdI I4 C vxfTco c so sv vx zsi n
船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 利用姿态测量装置对速度进行修正
无摇摆时 0，因此 fd / fdr0
当vz=0时，可以解出修正后的速度为
vx
4fT
Cfd
coscos
5.3 影响多普勒测速的主要因素及改 进方法
由解算公式近似引起的误差 船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 传播声速引起的测速误差 有限波束宽度的影响 噪声对频率测量的影响 安装角度偏离误差及其校正
各个测量误差对总误差的贡献
减小测速误差的方法 相控阵多普勒测速技术 多普勒计程仪在大深度使用时摇摆问题的分析及摇摆补偿 多普勒测速声呐频率测量技术
5.2 舰船多普勒测速原理
多普勒效应的时域分析
脉冲前沿到达时刻
t1
设脉冲经目标反射回到接收点
的时间为t1，
则目标移动的距离为 vt1 / 2 。
2vx C
fTcos()2Cvz
fT(cos)
2vx C
fTcos()2Cvz
fTsin()
fdfd I向fdI后I 的II号波束测得的多普勒频移为
2C vx fT fd IcIo 2C vs x (fT ) cco os(s ( )) 2C v2C zvzfTfT ( scio n s )( )si n()
2xT
t2
2L/C2xT 1x
t t 1 x 1 2
无相对运动时前后沿到达的时间应当相等， 有相对运动，t1-t2变化了多少时间？
因此，接收信号的脉宽为
接收信T 号r 频T 率 变(t1 为t2)T1 2 xxT 1 1 x x T
结论
fr
11x11xf Tr 1x T 1x
0
T
t1 t2＋T
船首尾线方向
船首尾线方向
前后左右形配置
X形波束配置
5.3 影响多普勒测速的主要因素及改 进方法
由解算公式近似引起的误差
船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿
传播声速引起的测速误差 有限波束宽度的影响 噪声对频率测量的影响
vx
cfd
4 fT cos
安装角度偏离误差及其校正
由解算公式近似引起的误差 没有近似时的多普勒频移为
5.3 影响多普勒测速的主要因素及改 进方法
由解算公式近似引起的误差 船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿 传播声速引起的测速误差 有限波束宽度的影响 噪声对频率测量的影响 安装角度偏离误差及其校正
船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿
在有摇摆和上下起伏时
向前的I号波束测得的多普勒频移为
fdI
fd1
C
没有近似时I号波束、II号波束接收的信号频率为
fr1
1 x 1x
fT
fr2
1x 1 x
fT
前后两波束接收信号的频差为
4x fd1fr1fr21x2 fT
一阶近似后的多普勒频移
fd
4x
fT
4vx C
fTcos
4x
引入的相对测速误差为 fd 1x2
4x
x2
vx
cos2
fd1
4x
C
1x2
因此有
L vt1 Ct1 22
因而得到前沿往返时间为
ct1 / 2
vt1 / 2
t1v2Lc12Lv//cc 2 1L /xc
5.2 舰船多普勒测速原理
多普勒效应的时域分析
脉冲后沿到达时刻
t2 设发射脉冲宽度为T， 则当脉冲后沿离开换能 器表面时，目标已向声 呐靠近了vT。
vt2 / 2 vT
水下定位与导航技术
第五章 声学多普勒测速技术
5.1 引言
舰船导航设备的类型
无线电导航设备，典型的有劳兰-C系统（定位精度 约200米）、系统（精度约1海里）以及台卡系统 （精度25米）等。
卫星导航系统，全球卫星导航系统定位精度可达 5~10m。
惯性导航系统。可长时间连续工作，但是有累积误 差，其量级达到每小时几十米。
多普勒频(1移2x)
fT
fT
1
2vx C
cos
fd fdIfdII4C vx fTcos
为：
fdxfrfT2xTf2 C vx fTco s
水平速度 ：
vx
C
2fT cos
fdx
vx
Cfd
4 fT cos
5.2 舰船多普勒测速原理
舰船多普勒测速原理
詹纳斯（Janus）配置
十字形配置和X形配置
fT－－发射频率 fr－－接收频率 fd－－多普勒频移
1 x
2 x
fd 1frfT 1 xfTfT 1 xfT
一阶近似后的多普勒频移
fdx2xTf
2vx C
fTcos
引入的相对测速误差为
fd fd1fd 12xx2xxvxcos
fd1
fd1
2x
C
1x
由解算公式近似引起的误差
詹纳斯配置
fd xvx cos