張明敏，柳義成

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)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(jiǎn)稱“水聲定位儀”)是水運(yùn)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(biāo)上安裝聲信標(biāo)，水上的船體安裝超短基線基陣，聲信標(biāo)發(fā)出聲信號(hào)，水聲定位儀換能器接收到信號(hào)后測(cè)算出目標(biāo)的距離[1-2]。因?yàn)闊o(wú)線電波在水中的快速衰減使GPS的定位手段無(wú)計(jì)可施，聲波是目前最有效的水下遠(yuǎn)距離傳播的信息載體[3-4]，因而水聲定位儀在海洋、水運(yùn)領(lǐng)域有愈來(lái)愈廣泛的用途，例如海洋探測(cè)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(cè)量結(jié)果的失效或缺失，給海洋、水運(yùn)研究工作帶來(lái)人力和財(cái)力上的巨大損失。在水聲定位儀的實(shí)際使用中，由于缺乏專業(yè)的計(jì)量校準(zhǔn)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外研究人員只能認(rèn)可生產(chǎn)廠家“標(biāo)稱”的各項(xiàng)性能指標(biāo)和探測(cè)能力，亦或是只能進(jìn)行試驗(yàn)比對(duì)或自行校準(zhǔn)的方法，缺乏對(duì)水聲定位儀測(cè)量性能的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。在這種情況下，水聲定位儀測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確與否將對(duì)海洋工程及水運(yùn)工程的建設(shè)質(zhì)量、勘察、設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)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(duì)儀器的計(jì)量性能、可靠性、適用性等進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)就顯得尤為重要。

該文依托天津港的船閘水池，基于設(shè)計(jì)的多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)提出水聲定位儀斜距的計(jì)量溯源方法，將填補(bǔ)水下定位系統(tǒng)計(jì)量檢測(cè)技術(shù)空白，為水下定位研究保駕護(hù)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(cè)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(cè)量設(shè)備由安裝在船體的換能器基陣和安裝在水下移動(dòng)載體的聲信標(biāo)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(hào)至聲信標(biāo)，聲信標(biāo)在收到訊問信號(hào)后，發(fā)射區(qū)別于訊問信號(hào)的響應(yīng)信號(hào)回?fù)Q能器，響應(yīng)信號(hào)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(zhǔn)裝置及配套設(shè)施

選擇計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)施應(yīng)當(dāng)遵循以下原則：

(1)水聲定位儀有相關(guān)計(jì)量檢定規(guī)程和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，選擇的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)當(dāng)滿足或優(yōu)于技術(shù)文件中的要求；

(2)對(duì)于測(cè)量結(jié)果有較大影響的儀器設(shè)備，例如水聲定位儀測(cè)量過程中用于聲速校正的聲速剖面儀，應(yīng)進(jìn)行有效的溯源。

水聲定位儀校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)要求如下：

(1)多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)該文設(shè)計(jì)的多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)包括水平移位、升降、回轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)接法蘭盤幾個(gè)部分，其中水平移位部分隨試驗(yàn)行車在導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離水平運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行速度為0.6 m/s；升降部分實(shí)現(xiàn)水聲定位儀換能器與聲信標(biāo)在水面垂直方向的精確位置控制；回轉(zhuǎn)部分實(shí)現(xiàn)水聲定位儀水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；轉(zhuǎn)接法蘭盤用于多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)與水聲定位儀的機(jī)械連接。多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 多維運(yùn)行控制機(jī)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(biāo)準(zhǔn)聲速值，實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 聲速剖面儀

(3)鋼卷尺準(zhǔn)確度等級(jí)為1級(jí)，型號(hào)選5 m型，經(jīng)檢定的鋼卷尺用于標(biāo)定多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)行駛軌道的刻度。

3 校準(zhǔn)方法

圖4 斜距校準(zhǔn)原理圖

(1)

4 校準(zhǔn)結(jié)果

選用Ranger-2型水聲定位儀作為試驗(yàn)樣機(jī)，按前述校準(zhǔn)方法開展斜距校準(zhǔn)試驗(yàn)。圖5是換能器距離聲信標(biāo)5 m處數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)測(cè)效果，校準(zhǔn)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(zhǔn)點(diǎn)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(cè)量值[10]。

圖5 Ranger-2數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)測(cè)效果

表1 試驗(yàn)樣機(jī)校準(zhǔn)結(jié)果

5 測(cè)量不確定度評(píng)定

對(duì)上述試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果開展測(cè)量不確定度評(píng)定，以驗(yàn)證該文提出的校準(zhǔn)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(jì)算分量不確定度

此測(cè)量不確定度為被校準(zhǔn)設(shè)備所引入的測(cè)量不確定度，主要影響因素為測(cè)量重復(fù)性所引入的測(cè)量不確定度分量。在測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)的過程中，采用標(biāo)準(zhǔn)斜距為100 m時(shí)水聲定位儀采集的數(shù)據(jù)，作為代表性數(shù)據(jù)開展測(cè)量不確定度的評(píng)價(jià)，重復(fù)測(cè)量10次，測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。采用測(cè)量不確定度的A類評(píng)定方法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不確定度，使用貝塞爾公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，計(jì)算平均值的測(cè)量不確定度。

(2)鋼卷尺測(cè)量引入的測(cè)量不確定度分量u(L)

(3)聲速剖面儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ΔL1)

(4)由安裝誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)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(lái)源于水聲定位儀換能器的安裝偏差，安裝偏差由測(cè)深鋼卷尺引起。測(cè)深鋼卷尺的最大允許誤差為±0.5 mm，由此引起的測(cè)距不確定度分量為0.3 mm。

5.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

=0.10 m

5.5 擴(kuò)展不確定度

取擴(kuò)展因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為U=k×uc(ΔL)=0.20 m

5.6 測(cè)量不確定度的報(bào)告與表示

水聲定位儀的斜距測(cè)量不確定度U=0.20 m(k=2)，小于被測(cè)儀器最大允許誤差絕對(duì)值的1/3，滿足測(cè)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(zhǔn)需求不斷增加，亟需開展相應(yīng)儀器的計(jì)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(zhǔn)方法，并選取樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量，得到被測(cè)儀器的斜距示值誤差。測(cè)量結(jié)果與測(cè)量不確定度符合規(guī)定指標(biāo)，驗(yàn)證了該校準(zhǔn)方法的可行性及合理性。