水聲定位關(guān)鍵量值計(jì)量校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

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(yùn)輸部天津水運(yùn)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(hào)傳播時(shí)間、速度和相位差,獲得水下目標(biāo)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(huì)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(jìn)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(jì)量評(píng)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(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范,通常根據(jù)自行設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)方案進(jìn)行設(shè)備自校[6],校準(zhǔn)內(nèi)容不夠全面,校準(zhǔn)方法不夠科學(xué),校準(zhǔn)過程不夠規(guī)范。例如海上自校準(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)稱萬米級(jí)工作距離、厘米級(jí)測量精度,上述關(guān)鍵指標(biāo)通常是根據(jù)換能器設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)在真實(shí)水體環(huán)境下的全量程計(jì)量校準(zhǔn)和綜合量值評(píng)定。研發(fā)水聲定位計(jì)量校準(zhǔn)裝置是有效促進(jìn)水下探測行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必要措施。

針對(duì)水聲定位精度、作用距離、聲源級(jí)、工作頻率、指向性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo),提出基于計(jì)量器具控制的校準(zhǔn)方法;研發(fā)基于標(biāo)準(zhǔn)基線場(長180 m,寬25 m,深10 m)的水聲定位計(jì)量校準(zhǔn)裝置;提出一種基于等效聲波時(shí)延反饋的模擬校準(zhǔn)技術(shù),研制目標(biāo)模擬應(yīng)答器,精準(zhǔn)測定聲波發(fā)射強(qiáng)度、背景噪聲和目標(biāo)反射強(qiáng)度等聲學(xué)指標(biāo),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(shí)觸發(fā)應(yīng)答器模擬定位信號(hào),顧及傳播路徑上仿真聲速剖面影響,實(shí)現(xiàn)水聲定位的全量程校準(zhǔn);充分分析校準(zhǔn)過程不確定度來源、概率分布、靈敏度系數(shù)和相關(guān)性,計(jì)算不確定度,解決實(shí)際工程應(yīng)用中水聲定位的量值評(píng)定問題。

1 校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

水聲定位校準(zhǔn)裝置分為幾何參數(shù)校準(zhǔn)裝置和聲學(xué)參數(shù)校準(zhǔn)裝置2部分。主要包括試驗(yàn)場地、配套設(shè)備、計(jì)量主標(biāo)準(zhǔn)器等,設(shè)計(jì)參數(shù)準(zhǔn)確度應(yīng)溯源至上一級(jí)國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 幾何參數(shù)校準(zhǔn)裝置

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

表1 幾何參數(shù)校準(zhǔn)裝置技術(shù)要求表

1.2 聲學(xué)參數(shù)校準(zhǔn)裝置

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

表2 聲學(xué)參數(shù)校準(zhǔn)裝置技術(shù)要求表

2 計(jì)量方法

2.1 幾何參數(shù)計(jì)量方法

2.1.1 定位示值誤差

定位示值誤差計(jì)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(tái),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(diǎn),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(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺測量入水深度,換算標(biāo)準(zhǔn)斜距與角度,與水聲定位系統(tǒng)斜距與角度測量值作差,計(jì)算定位(X,Y,Z)示值誤差。計(jì)量原理如圖1所示。

圖1 定位計(jì)量原理示意圖

2.1.2 作用距離

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

2.2 聲學(xué)參數(shù)計(jì)量溯源方法

2.2.1 水聲換能器聲源級(jí)、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(yàn)行車的回轉(zhuǎn)支架底端,將標(biāo)準(zhǔn)水聽器安裝至升降支架底端,測試距離滿足遠(yuǎn)場條件,以1 mm的步進(jìn)間隔升降調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)水聽器,采集換能器基陣覆蓋角度范圍內(nèi)的直達(dá)脈沖信號(hào),并進(jìn)行傅里葉變換獲得信號(hào)頻率和開路電壓,按式(1)計(jì)算各個(gè)角度檢測點(diǎn)的發(fā)送電壓響應(yīng)級(jí)。

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

(1)

式中:SV為發(fā)送電壓響應(yīng)級(jí)(基準(zhǔn)值:1 μPa·m/V),dB;UOC為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)水聽器與被檢換能器基陣的距離,m;M為標(biāo)準(zhǔn)水聽器的靈敏度級(jí)(基準(zhǔn)值:1 V/μPa),dB。

繪制指向性圖,通過主軸最大響應(yīng)級(jí)換算聲源級(jí)。計(jì)量示意圖見圖2。

圖2 聲學(xué)參數(shù)計(jì)量示意圖

2.2.2 全量程模擬校準(zhǔn)

按圖3設(shè)計(jì)研制目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)水聽器接收聲基陣脈沖信號(hào)并反饋至目標(biāo)模擬應(yīng)答器,應(yīng)答器依據(jù)聲吶方程對(duì)脈沖聲波的傳播時(shí)間和衰減損失進(jìn)行精確計(jì)算,根據(jù)被檢水聲定位系統(tǒng)標(biāo)稱測量范圍上限進(jìn)行延時(shí)和衰減處理,由目標(biāo)模擬聲源發(fā)射等效聲波信號(hào),判別是否可由水聲定位系統(tǒng)檢出,若能接收到回波信號(hào),則被檢設(shè)備能達(dá)到標(biāo)稱測量范圍,反之,按示值分辨力調(diào)減標(biāo)稱測量范圍上限,直至系統(tǒng)能正常接收到回波信號(hào),此時(shí)最大等效距離作為被檢設(shè)備測量能力。全量程模擬校準(zhǔn)原理如圖4所示。

圖3 目標(biāo)模擬應(yīng)答器設(shè)計(jì)框圖

圖4 全量程模擬校準(zhǔn)原理示意圖

3 試驗(yàn)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(yàn)樣機(jī),基于上述校準(zhǔn)裝置和計(jì)量方法開展試驗(yàn),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(yàn)樣機(jī)X向定位示值誤差比對(duì)圖

圖6 試驗(yàn)樣機(jī)Y向定位示值誤差比對(duì)圖

圖7 試驗(yàn)樣機(jī)Z向定位示值誤差比對(duì)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(yàn),EasyTrak型USBL作用距離可達(dá)540 m,Ranger-2型USBL作用距離可達(dá)6 630 m。

以Ranger-2型USBL為試驗(yàn)樣機(jī)開展水聲計(jì)量測試,其聲源級(jí)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(píng)定

不確定度是衡量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)可靠性和校準(zhǔn)結(jié)果置信度的重要指標(biāo)。分析校準(zhǔn)過程誤差來源主要有2類:被檢設(shè)備與計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器重復(fù)性;被檢設(shè)備與計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器系統(tǒng)誤差。以定位示值誤差σ校準(zhǔn)過程為例,假設(shè)各誤差源是相互獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)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(píng)定與表示》評(píng)定水聲定位計(jì)量校準(zhǔn)裝置不確定度,結(jié)果如表3所示。

表3 計(jì)量校準(zhǔn)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(yùn)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(jì)量性能測試的實(shí)驗(yàn)室較少,原因在于計(jì)量測試需要大型試驗(yàn)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(huì)超過50 m,遠(yuǎn)不能滿足水聲定位的計(jì)量需求。本文提出了基于計(jì)量器具控制的水聲定位關(guān)鍵量值的計(jì)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(zhǔn)裝置,經(jīng)不確定度評(píng)定,各項(xiàng)計(jì)量能力滿足《海道測量規(guī)范》、《海洋調(diào)查規(guī)范》等國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(zhǔn)規(guī)范和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),積累了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。