柳義成,張安民,葉 松,張明敏

(1.天津大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,天津 300072;2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究院,天津 300456; 3.國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院,湖南長沙 410000)

0 引言

水聲定位技術(shù)是通過測量聲波信號傳播時間、速度和相位差,獲得水下目標的方位角和距離[1]。水聲定位系統(tǒng)是多源信息融合的復(fù)雜系統(tǒng),初始值的微小偏差將會導(dǎo)致最終探測結(jié)果的巨大差異。目前國內(nèi)外水聲定位研究主要通過改進基陣硬件系統(tǒng)、優(yōu)化處理算法和消減影響誤差等手段提升定位精度和探測尺度[2-5],忽略了精度和尺度計量評定過程的科學(xué)性和溯源性。我國尚未制定水聲定位設(shè)備的國家計量校準規(guī)范,通常根據(jù)自行設(shè)計的校準方案進行設(shè)備自校[6],校準內(nèi)容不夠全面,校準方法不夠科學(xué),校準過程不夠規(guī)范。例如海上自校準或比測環(huán)境復(fù)雜多變且不具備復(fù)現(xiàn)性,浪潮流沙溫鹽深等外在影響因子給校準結(jié)果引入較大不確定度[7-9]?，F(xiàn)階段水聲定位產(chǎn)品標稱萬米級工作距離、厘米級測量精度,上述關(guān)鍵指標通常是根據(jù)換能器設(shè)計尺寸、帶寬、波長和輻射聲功率等性能參數(shù)理論推導(dǎo)而來[10-12],尚未實現(xiàn)在真實水體環(huán)境下的全量程計量校準和綜合量值評定。研發(fā)水聲定位計量校準裝置是有效促進水下探測行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必要措施。

針對水聲定位精度、作用距離、聲源級、工作頻率、指向性等關(guān)鍵技術(shù)指標,提出基于計量器具控制的校準方法;研發(fā)基于標準基線場(長180 m,寬25 m,深10 m)的水聲定位計量校準裝置;提出一種基于等效聲波時延反饋的模擬校準技術(shù),研制目標模擬應(yīng)答器,精準測定聲波發(fā)射強度、背景噪聲和目標反射強度等聲學(xué)指標,依據(jù)聲吶方程和聲波衰減定律,通過在超出水池尺度處延時觸發(fā)應(yīng)答器模擬定位信號,顧及傳播路徑上仿真聲速剖面影響,實現(xiàn)水聲定位的全量程校準;充分分析校準過程不確定度來源、概率分布、靈敏度系數(shù)和相關(guān)性,計算不確定度,解決實際工程應(yīng)用中水聲定位的量值評定問題。

1 校準裝置設(shè)計

水聲定位校準裝置分為幾何參數(shù)校準裝置和聲學(xué)參數(shù)校準裝置2部分。主要包括試驗場地、配套設(shè)備、計量主標準器等,設(shè)計參數(shù)準確度應(yīng)溯源至上一級國家計量標準。

1.1 幾何參數(shù)校準裝置

幾何參數(shù)校準裝置主要用于計量水聲定位準確度和作用距離等性能指標,設(shè)計要求如表1所示。

表1 幾何參數(shù)校準裝置技術(shù)要求表

1.2 聲學(xué)參數(shù)校準裝置

聲學(xué)參數(shù)校準裝置主要用于計量水聲定位換能器聲源級、工作頻率、指向性和量程等性能指標,設(shè)計要求如表2所示。

表2 聲學(xué)參數(shù)校準裝置技術(shù)要求表

2 計量方法

2.1 幾何參數(shù)計量方法

2.1.1 定位示值誤差

定位示值誤差計量方法是安裝水聲定位換能器基陣、應(yīng)答器至水下六自由度平臺,用聲速剖面儀測量水聲傳播信道聲速,作為系統(tǒng)修正因子,調(diào)整換能器基陣與應(yīng)答器位置,選擇5、30、50、100、150 m作為檢定點,用全站型激光測距儀測量應(yīng)答器至換能器基陣幾何中心的水平距離,用標準鋼卷尺測量入水深度,換算標準斜距與角度,與水聲定位系統(tǒng)斜距與角度測量值作差,計算定位(X,Y,Z)示值誤差。計量原理如圖1所示。

圖1 定位計量原理示意圖

2.1.2 作用距離

作用距離計量方法是以2臺智能無人船為平臺,分別搭載GNSS-RTK接收機、水聲定位聲基陣和應(yīng)答器,用標準鋼卷尺和聲速剖面儀進行系統(tǒng)安裝偏移修正和聲速修正,控制1號無人船懸停于開闊水域保持位置不變,啟動2號無人船駛離1號無人船,直至達到標稱作用距離,判別水聲定位系統(tǒng)是否可按標稱更新率正常接收信號,規(guī)劃無人船航跡線,以GNSS-RTK接收機的定位數(shù)據(jù)為參考標準值,計量被檢水聲定位設(shè)備的實際作用距離。

2.2 聲學(xué)參數(shù)計量溯源方法

2.2.1 水聲換能器聲源級、工作頻率與指向性

將水聲定位換能器基陣安裝至消聲水池試驗行車的回轉(zhuǎn)支架底端,將標準水聽器安裝至升降支架底端,測試距離滿足遠場條件,以1 mm的步進間隔升降調(diào)節(jié)標準水聽器,采集換能器基陣覆蓋角度范圍內(nèi)的直達脈沖信號,并進行傅里葉變換獲得信號頻率和開路電壓,按式(1)計算各個角度檢測點的發(fā)送電壓響應(yīng)級。

SV=20lg(UOC/UX)+20lgd-M

(1)

式中:SV為發(fā)送電壓響應(yīng)級(基準值:1 μPa·m/V),dB;UOC為標準水聽器開路電壓,V;UX為施加在被檢換能器基陣兩端電壓,V;d為標準水聽器與被檢換能器基陣的距離,m;M為標準水聽器的靈敏度級(基準值:1 V/μPa),dB。

繪制指向性圖,通過主軸最大響應(yīng)級換算聲源級。計量示意圖見圖2。

圖2 聲學(xué)參數(shù)計量示意圖

2.2.2 全量程模擬校準

按圖3設(shè)計研制目標模擬應(yīng)答器,將水體聲速輸入水聲定位系統(tǒng),并發(fā)射脈沖聲波,標準水聽器接收聲基陣脈沖信號并反饋至目標模擬應(yīng)答器,應(yīng)答器依據(jù)聲吶方程對脈沖聲波的傳播時間和衰減損失進行精確計算,根據(jù)被檢水聲定位系統(tǒng)標稱測量范圍上限進行延時和衰減處理,由目標模擬聲源發(fā)射等效聲波信號,判別是否可由水聲定位系統(tǒng)檢出,若能接收到回波信號,則被檢設(shè)備能達到標稱測量范圍,反之,按示值分辨力調(diào)減標稱測量范圍上限,直至系統(tǒng)能正常接收到回波信號,此時最大等效距離作為被檢設(shè)備測量能力。全量程模擬校準原理如圖4所示。

圖3 目標模擬應(yīng)答器設(shè)計框圖

圖4 全量程模擬校準原理示意圖

3 試驗結(jié)果

選用EasyTrak和Ranger-2型超短基線水聲定位系統(tǒng)(簡稱USBL)作為試驗樣機,基于上述校準裝置和計量方法開展試驗,X、Y、Z方向定位示值誤差分別如圖5～圖7所示,可見在150 m范圍內(nèi),EasyTrak型USBL定位精度優(yōu)于3%,Ranger-2型USBL定位精度優(yōu)于1%。

圖5 試驗樣機X向定位示值誤差比對圖

圖6 試驗樣機Y向定位示值誤差比對圖

圖7 試驗樣機Z向定位示值誤差比對圖

選取天津港某海域[(117.769°E,38.959°N),(117.872°E,38.933°N)],開展水聲定位作用距離試驗,EasyTrak型USBL作用距離可達540 m,Ranger-2型USBL作用距離可達6 630 m。

以Ranger-2型USBL為試驗樣機開展水聲計量測試,其聲源級測試結(jié)果198.4 dB@200 dB,工作頻率測試結(jié)果18.076 kHz@18 kHz。

4 不確定度評定

不確定度是衡量計量標準可靠性和校準結(jié)果置信度的重要指標。分析校準過程誤差來源主要有2類:被檢設(shè)備與計量標準器重復(fù)性;被檢設(shè)備與計量標準器系統(tǒng)誤差。以定位示值誤差σ校準過程為例,假設(shè)各誤差源是相互獨立的,則測量模型可表示為

(2)

式中:USBL為被檢設(shè)備本身測量重復(fù)性;TS為全站儀引入的誤差;SVP為聲速改正不完全引入的誤差;Tape為標準鋼卷尺測量引入的誤差;Calibration為設(shè)備安裝引入的誤差。

依據(jù)JJF 1059.1—2019《測量不確定度評定與表示》評定水聲定位計量校準裝置不確定度,結(jié)果如表3所示。

表3 計量校準裝置不確定度

5 結(jié)束語

水聲定位技術(shù)與裝備在應(yīng)急救撈、海洋調(diào)查、水運工程以及水下考古等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。目前我國能開展水聲定位設(shè)備計量性能測試的實驗室較少,原因在于計量測試需要大型試驗水池的支撐,由于受限于室內(nèi)水池尺寸,測量范圍一般不會超過50 m,遠不能滿足水聲定位的計量需求。本文提出了基于計量器具控制的水聲定位關(guān)鍵量值的計量溯源方法,研發(fā)了基于大比尺深水港池和六面消聲水池的校準裝置,經(jīng)不確定度評定,各項計量能力滿足《海道測量規(guī)范》、《海洋調(diào)查規(guī)范》等國家標準對水聲定位量值溯源與傳遞的要求,為下一步制定水聲定位國家校準規(guī)范和計量標準,積累了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。