張明敏，柳義成

(交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，天津 300456)

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[1-2]。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[3-4]，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[5]。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[6-9]。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

2 校準裝置及配套設(shè)施

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±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

圖4 斜距校準原理圖

(1)

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5 m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+R×3%)，其中R表示斜距測量值[10]。

圖5 Ranger-2數(shù)據(jù)采集軟件實測效果

表1 試驗樣機校準結(jié)果

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

(2)

5.2 合成靈敏度系數(shù)

式中靈敏系數(shù)為：

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。

(2)鋼卷尺測量引入的測量不確定度分量u(L)

(3)聲速剖面儀引入的標準不確定度u(ΔL1)

(4)由安裝誤差引入的標準不確定度u(ΔL2)

儀器安裝位置誤差引入的不確定度分量u(ΔL2)來源于水聲定位儀換能器的安裝偏差，安裝偏差由測深鋼卷尺引起。測深鋼卷尺的最大允許誤差為±0.5 mm，由此引起的測距不確定度分量為0.3 mm。

5.4 合成標準不確定度

=0.10 m

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×uc(ΔL)=0.20 m

5.6 測量不確定度的報告與表示

水聲定位儀的斜距測量不確定度U=0.20 m(k=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，該方法具有合理性。

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。