超短基线阵基元位置精确校准试验研究

马根卯 董铭锋 钟琴琴

（第七一五研究所，杭州，310023）

超短基线阵基元位置精确校准试验研究

马根卯 董铭锋 钟琴琴

（第七一五研究所，杭州，310023）

为提高超短基线阵的定位精度，需对超短基线基元本身的位置进行精确校准。提出了根据水听器基元稳态波形的相位差进行距离差测量的方法，并进行了消声水池试验，得到了超短基线对角基元的距离（孔径）和高度差以及对角基元连线的夹角，为超短基线工作时提供位置修正。

超短基线；基元孔径；高度差；位置校准

近年来，随着对海洋资源勘探的日益重视，声学定位技术得到了飞速的发展，其应用也越来越广泛。超短基线定位系统是一种常见的水下定位系统，适用于深海矿产资源的调查和开发、海底光缆管路的调查和维护等［1］，它具有尺寸小、易于安装、成本低等优点。超短基线阵利用基元间的相位差进行定位，微小的安装误差可能带来很大的定位误差，因此，其系统安装后的校准需要非常准确，并且成阵后其自身基元的间距及高度差也需要精确校准。

喻敏等［2，3］提出了通过改进超短基线基阵阵型，从而加大基阵孔径来提高定位精度的方法，并测量了基元的相移差，通过补偿附加相移来提高定位精度；郑翠娥［4，5］等对超短基线系统的安装误差进行了精确校准，以补偿基阵坐标系与船心坐标系不完全重合带来的误差。本文针对超短基线成阵后基元本身的位置进行精确校准和测量。

1　测量原理及步骤

传统超短基线阵定位系统的三个基元排列成等腰直角三角形，本文介绍的超短基线阵在传统阵型基础上做了改进，采用的阵型如图1所示。四个接收基元位于正方形的四个顶点，对角基元的设计间距为210 mm，中间为一发射换能器，整个超短基线阵硫化为一个整体。

图1　超短基线基阵示意图

为测量孔径和安装高度差，采用测量相位差法进行测量。声波到达的距离差可以转化为相位差，从而可以通过相位差的测量来测量微小的距离差，如式（1）所示，其中c为水中声速。

1.1高度差测量

测量对角基元的高度差时，在基阵辐射面的下方安装一块光洁的不锈钢平板，与基阵辐射面间距为0.30 m，钢板平行度要远小于0.1 mm，如图2、3所示，将整个设备放在水面以下0.30 m，测量步骤如下：

1、用高精度声速剖面仪测出此水深处声速c；

2、中间发射换能器发射25 kHz的正弦脉冲信号，脉冲宽度为8个周期，脉冲发射周期10 ms；

3、分析1#、3#水听器的信号，找到经平板反射回来的信号，同时截取2个周期的稳态反射波数据，对截取的数据做DFT分析，得出两个信号的相位1ϕ、3ϕ，求出相位差Δϕ；

4、根据（1）式得出两个水听器的声程差d，那么1#和3#水听器的高度差为，其中θ为发射声线和垂直线的夹角；

5、同测量1#、3#水听器高度差的方法一样，测量2#、4#水听器的高度差。

图2　高度差测量声程示意图

图3　高度差测量布阵图

1.2角度测量

将基阵辐射面向下放到水中，入水深度0.80 m，以消除水面反射的影响，在3#到1#水听器的延长线上，距离1#水听器1.3 m处放置一个发射换能器，其入水深度也为0.80 m，俯视图如图4所示。测量步骤如下：

1、观察1#、3#接收信号，通过旋转基阵使1#、3#接收水听器的信号同时到达，记录此时回转装置的角度值ϕ始；

2、顺时针旋转基阵，观察2#、4#水听器的接收信号，当2#、4#水听器信号同时到达时记录此时回转装置角度值ϕ终；

3、可得2#、4#水听器连线和1#、3#水听器连线的夹角为

图4　角度测量布阵图

1.3孔径测量

进行孔径测量时布阵方式和角度测量时一致，测量步骤如下：

1、用高精度声速剖面仪测出此水深处声速c；

2、左侧发射换能器发射20 kHz的正弦脉冲信号，脉冲宽度为10个周期，脉冲发射周期10 ms；

3、观察2#、4#水听器信号，通过旋转基阵使2#、4#水听器信号同时到达，之后根据1.2节测得的角度进行角度补偿，保证发射换能器和1#、3#水听器在同一条直线上；

4、保持发射声源和基阵不动，同时记录1#、3#水听器信号，分析采集的1#、3#水听器信号：将3#水听器信号延迟l/c，其中l为对角水听器设计间距，c为水中声速。截取1#、3#水听器信号3个周期的稳态波形做DFT分析，得出两个信号的相位1ϕ、3ϕ，计算得出相位差Δ1ϕ，从而得出距离差为

5、由于不同的水听器具有不同的初始相位和品质因数Q，其受到激励时达到稳态的时间也有所区别，为了消除水听器初始相位差及品质因数不同造成的影响及旋转装置带来的误差，将基阵旋转180°，重复2～4，求得

则取平均后1#、3#水听器的距离为

6、同测量1#、3#水听器间距的方法一样，测量2#、4#水听器的间距Δd24。

2　测量结果

为进行超短基线的校准，专门编写了超短基线阵元位置精确校准程序，进行数据采集、分析及计算，主界面如图5、6所示。

2.1高度差测量结果

图5为1#水听器接收信号，图6为以300倍的采样率采集到的稳态波形及截取两个整周期数据经DFT计算的结果，基阵入水深度处测得的声速为1 501.62 m/s。

图5　1#水听器接收信号

图6　1#、3#水听器高度差测量结果

图7为1#、3#水听器高度差进行了20次采集的统计结果。图8为2#、4#水听器高度差进行了20次采集的统计结果。

图7　1#、3#水听器高度差统计结果

图8　2#、4#水听器高度差统计结果

经计算1#、3#水听器高度差均值为0.31 mm，测量结果为正说明通道1声程短，即基阵辐射面向下时1#水听器比3#水听器低了0.31 mm。2#、4#水听器高度差均值为-0.49 mm，测量结果为负说明通道4声程短，即基阵辐射面向下时4#水听器比2#水听器低了0.49 mm。

2.2角度测量结果

图9为对角水听器连线夹角ϕ23进行了20次采集的统计结果，经平均后ϕ23=90.02°。

图9　角度测量统计结果

2.3孔径测量结果

图10为1#、3#水听器接收信号，图11为以300倍的采样率采集到的稳态波形及截取三个整周期稳态数据经DFT计算的结果，基阵入水深度处测得的声速为1 499.18 m/s。

图10　1#、3#水听器信号

图11　1#、3#水听器间距测量结果

图12　1#、3#水听器间距测量统计结果

图12为1#、3#水听器间距进行了20次采集的统计结果。图13为3#、1#水听器间距进行了20次采集的统计结果。

经计算，1#、3#水听器间距均值为210.42 mm，3#、1#水听器间距均值为209.80 mm，因此，由（5）式可得1#、3#水听器孔径为210.11 mm。

图13　3#、1#水听器间距测量统计结果

图14为2#、4#水听器间距进行了20次采集的统计结果。图15为4#、2#水听器间距进行了20次采集的统计结果。

图14　2#、4#水听器间距测量统计结果

图15　4#、2#水听器间距测量统计结果

经计算，2#、4#水听器间距均值为210.36 mm，4#、2#水听器间距均值为210.23 mm，因此，由（5）式可得2#、4#水听器孔径为210.30 mm。

3　误差分析

3.1高度测量误差

高度测量误差主要由两方面的误差引起：

（1）时延测量误差。发射频率为f=25 kHz时，300倍（7.5 MHz）的采样频率下，引起的高度测量误差为；

（2）水听器相位不一致性引起的误差。一般水听器的相位差不超过3°，此时引起的水听器高度测量误差为；则对角水听器高度测量的不确定度为。

3.2角度测量误差

角度测量误差主要由升降回转装置的误差引起，升降回转装置的角度分辨率为0.1°，因此两次测量带来的误差最大为0.2°。

3.3孔径测量误差

孔径测量的误差主要来源于时延测量误差，水听器的相位不一致性引起的误差经过前后两次测量得以抵消。当发射频率f=20 kHz ，300倍（6 MHz）的采样频率下，引起的孔径测量误差为。

4　结论

（1）超短基线定位精度受安装位置误差影响较大，已有文献大都通过对阵型改进或对成阵后的安装误差进行校准，默认阵元声中心位置确切已知，而成阵过程中阵元声中心位置不可避免的存在偏差，本文首先对阵型进行了优化，再针对成阵后阵元本身的相对位置进行了精确地校准；

（2）采用稳态波形相位差法测得了超短基线阵对角基元的高度差、孔径间距以及对角基元连线的夹角，为超短基线提供精确的位置校准数据，可提高超短基线工作时的定位精度；

（3）水听器接收信号的一致性和稳态波的选取对测量结果影响较大，提高水听器阵元的一致性也可提高超短基线的定位精度；如何滤除通过硫化橡胶进入水听器的耦合信号以及耦合信号带来的误差影响还有待进一步研究。

［1］ 吴永亭，周兴华，杨龙. 水下声学定位系统及其应用［J］. 海洋测绘，2003，23（4）：18-21.

［2］ 喻敏，惠俊英，孙大军. 超短基线基阵基元相移差的测量［J］. 应用声学：声呐技术及应用专题，2006，（7）：229-233.

［3］ 喻敏，惠俊英，冯海泓，等. 超短基线定位精度改进方法［J］. 海洋工程，2006，24（1）86-91.

［4］ 郑翠娥，孙大军，张殿伦，等. 超短基线声学定位系统安装误差精确校准［J］. 哈尔滨工程大学学报，2007，28（8）： 894-897.

［5］ 郑翠娥，李琪，孙大军，等. 一种超短基线定位系统阵型的改进方法［J］. 中国海洋大学学报，2009，39（3）：505-508.