聲學(xué)多普勒測速技術(shù)綜述

曹忠義, 孫大軍, 張志鑫, 張殿倫, 勇俊

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)全國重點(diǎn)實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150001; 2.海洋信息獲取與安全工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實驗室(哈爾濱工程大學(xué)), 黑龍江 哈爾濱 150001; 3.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001; 4.海裝沈陽局, 黑龍江 哈爾濱 150001)

速度信息是描述物體運(yùn)動狀態(tài)的重要參數(shù)之一。早在15世紀(jì),人們采用向船外拋圓木方式,通過測量圓木在甲板2個標(biāo)記點(diǎn)之間的通過時間獲取船速[1];時至今日,先后經(jīng)歷了葉輪式、水壓式、電磁式以及利用聲學(xué)原理方式4個發(fā)展階段[2],但是由于前3種方式的測速精度差、抗污染能力弱等原因已逐漸被淘汰。聲學(xué)原理方式由于能夠提供高精度、對流/底的多維速度信息,逐漸成為水面艦船和水下潛航器航速、海流流速傳感器的首選[3-4]。

自20世紀(jì)50年代,聲學(xué)測速方式開始被應(yīng)用,目前已形成多種基于聲學(xué)原理的測速技術(shù)與設(shè)備。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著水聲電子、水聲物理、水聲信號處理技術(shù)的發(fā)展,國外已有teledyne rd instruments(TRDI)、rowe technologies、sonardyne、sontek、waterLinked等公司推出了系列化成熟的民用和軍用聲學(xué)測速產(chǎn)品,極大推進(jìn)了相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展。而我國對聲學(xué)測速技術(shù)的研究起步相對較晚[5-7],但在國外高性能產(chǎn)品封鎖、技術(shù)壟斷背景下,近十年也已取得了長足進(jìn)步。

水下無人技術(shù)、海洋科學(xué)觀測、海洋生物觀測與監(jiān)測、海洋資源勘探與開發(fā)等的飛速發(fā)展對聲學(xué)測速技術(shù)提出了新需求;聲學(xué)多普勒測速技術(shù)作為一種主流模式,由于測速精度高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢而在民用和軍用市場占比較大。本文以聲學(xué)多普勒測速技術(shù)為研究對象,梳理國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù),并指出發(fā)展趨勢,以期能夠為相關(guān)行業(yè)發(fā)展和技術(shù)研究提供參考和借鑒。

1 聲學(xué)測速技術(shù)分類

聲學(xué)測速技術(shù)主要分為聲學(xué)相關(guān)測速技術(shù)和聲學(xué)多普勒測速技術(shù)。二者相比,目前聲學(xué)多普勒測速以精度高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢,占據(jù)了絕大部分市場份額。

1.1 聲學(xué)相關(guān)測速技術(shù)

聲學(xué)相關(guān)測速技術(shù)基于水底散射的“波形不變”原理,利用具有一定波束寬度的發(fā)射換能器垂直向海底發(fā)射聲波,通過安裝在平臺上的多個水聽器接收海底/海水散射回波信號,采用實時相關(guān)處理技術(shù)實現(xiàn)航速估計[8-10]。不同于聲學(xué)多普勒測速,聲相關(guān)測速波束垂直向下照射、波束較寬(波束角通常在幾十度范圍內(nèi)),低頻時設(shè)備尺度不大(如TRDI公司的22 kHz聲相關(guān)計程儀換能器直徑約為0.41 m),適裝性好;其缺點(diǎn)在于淺水低速條件下測速誤差較大,測速精度受聲速變化影響。圖1給出了聲學(xué)相關(guān)計程儀一個波束發(fā)射和詹納斯配置多普勒計程儀對比示意。

圖1 多普勒測速與聲相關(guān)測速對比Fig.1 Comparison of Doppler velocimetry and acoustic correlation velocimetry

1.2 聲學(xué)多普勒測速技術(shù)

采用多普勒效應(yīng)原理,以“筆狀”窄波束斜向下方發(fā)射聲脈沖信號,并以同一波束接收海底/水弱后向散射回波,通過測量其頻率變化來確定載體運(yùn)動/海流速度,如圖2所示。測速形式主要包括活塞陣、相控陣和參量陣3種。

圖2 聲學(xué)多普勒測速原理Fig.2 Principles of acoustic doppler velocimetry

1)活塞陣多普勒測速:利用基陣的“筆狀”自然指向性波束與水平面存在的夾角來獲取多普勒回波信號,通常要求各換能器均與水平面成相同角度,各換能器的發(fā)射和接收參數(shù)一致,對安裝和制作有一定要求。

2)相控陣多普勒測速:通過上千陣元的信號處理方式實現(xiàn)接收和發(fā)射波束(如圖3)。與常規(guī)陣型相比,相控陣具有以下優(yōu)點(diǎn)[5]:①在波束寬度和工作頻率相同的情況下,基陣面積減小約2/3,質(zhì)量減輕約4/5,適于更小的運(yùn)載器;②能夠從工作機(jī)理上消除由水中溫度、鹽度和深度引起的聲速變化對測速精度產(chǎn)生的影響;③平面陣流線型好、不易于海洋生物附著,且受航行水動力噪聲影響小。

圖3 相控陣與常規(guī)陣測速技術(shù)對比Fig.3 Comparison of characteristics between conventional and phase control velocimetry technologies

3)參量陣多普勒測速:利用聲波在水中非線性作用原理,由2個高頻信號的差值產(chǎn)生低頻信號。優(yōu)點(diǎn)是波束寬度由驅(qū)動頻率而不是參量頻率決定,解決了因聲波頻率降低而基陣尺寸增大的矛盾,這一優(yōu)點(diǎn)也是其能在窄波束中得到關(guān)注的主要原因;但參量陣多普勒測速的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率低,難以實現(xiàn)較大的差頻聲源級。例如,15 cm直徑換能器參量陣模式下的波束寬度為3°@12 kHz(用196 kHz和208 kHz的信號驅(qū)動),而相同換能器在12 kHz驅(qū)動下的波束寬度為47°[11]。

2 聲學(xué)多普勒測速技術(shù)現(xiàn)狀

聲學(xué)多普勒測速技術(shù)的信號處理方法主要分為脈沖非相干、脈沖相干、脈沖寬帶和編碼寬帶4種。本文以處理水體后向散射信號為例,4種方式特點(diǎn)如下:

1)脈沖非相干測速:發(fā)射一個單獨(dú)的、相對較長的脈沖波,然后接收水體中顆粒物或水底對這個脈沖的散射波,并估計發(fā)射波與散射波之間的頻率改變[1]。如圖4所示,在PRT區(qū)間內(nèi),獨(dú)立地利用T寬度脈沖信號在h1～h3深度單元產(chǎn)生的非相干回波tx～tx+T;具有作用距離遠(yuǎn)、時-頻分辨率低等特點(diǎn),但需要折中處理測速精確度與層厚之間的關(guān)系,適用于遠(yuǎn)距離、對測速精度要求不高應(yīng)用場合。

圖4 脈沖非相干測速原理Fig.4 Principle of pulse incoherent velocity measurement

2)脈沖相干測速:發(fā)射2組或多組脈沖串信號,通過估計同一深度單元相鄰回波信號的相位變化解算速度[12]。如圖5所示,利用PRT周期的脈沖串信號在h1～h3深度單元產(chǎn)生的相干回波tx～tx+T、T0+tx～T0+tx+T;能夠獲得較好的時-頻分辨率,存在作用距離近、測速模糊等不足,適用于近程高精度測速應(yīng)用場合。

圖5 脈沖相干測速原理Fig.5 Principle of pulse coherent velocity measurement

3)脈沖寬帶測速:發(fā)射2組或多組脈沖串信號,利用同一深度單元不同脈沖產(chǎn)生的回波信號,通過估計不同脈沖回波信號的相位變化解算速度[13]。如圖6所示,利用T0間隔脈沖串信號在h1～h3深度單元分別產(chǎn)生的回波tx～tx+T、T0+tx～T0+tx+T;避免了脈沖相干測速的不足。

圖6 脈沖寬帶測速原理Fig.6 Principle of pulse broadband velocity measurement

4)編碼寬帶測速:將脈沖非相干測速的發(fā)射信號用多子脈沖(稱為編碼單元)代替,通過估計單次回波信號的相位變化解算速度[14]。如圖7所示,兼具上述3種測速方式優(yōu)點(diǎn),更適合高分辨、遠(yuǎn)距離的高精度測速場合。

圖7 編碼寬帶測速原理Fig.7 Principle of coded-pulse broadband velocity measurement

2.1 技術(shù)演化歷程

聲學(xué)多普勒測速技術(shù)的2種應(yīng)用形式為多普勒計程儀(Doppler velocity log, DVL)DVL和聲學(xué)多普勒流速剖面儀(acoustic Doppler current profiler, ADCP)ADCP。前者以底跟蹤測速為主要目的,以哈佛大學(xué)聲學(xué)研究實驗室研制的船用多普勒計程儀為誕生標(biāo)志[15-16];后者以流速剖面為主要目的,以20世紀(jì)60年代Koczy等[17]探索利用聲波后向散射測量流速為誕生標(biāo)志。由于原理相似,半個多世紀(jì)以來,二者同步發(fā)展、互為支撐。

從演化歷程看,聲學(xué)多普勒測速技術(shù)主要經(jīng)歷了窄帶測速、寬帶測速和相控測速3個階段:

1)窄帶測速階段。20世紀(jì)70年代至80年代初,聲學(xué)測速的發(fā)射信號形式為單頻脈沖信號,主要采用脈沖相干和非相干的信號處理方式?；夭ㄐ盘栴l率估計方面,以脈沖對算法最具代表性。它屬于一種加權(quán)平均頻率估計方法,與傳統(tǒng)方法相比,具有運(yùn)算量小、測頻精度高等優(yōu)點(diǎn)。換能器普遍采用詹納斯配置的“活塞式”常規(guī)陣。代表性的研究機(jī)構(gòu)包括美國阿美特克公司、RDI公司以及法國Thomson公司等。美國最早將窄帶測速產(chǎn)品作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備安裝在了UNOLS所屬的絕大部分大中型調(diào)查船上。

2)寬帶測速階段。為解決窄帶測速技術(shù)的測速精度差、距離分辨低等問題,美國RDI公司與約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室在海軍研究室資助下,于1985年開展了小商業(yè)創(chuàng)新研究(small business innovation research,SBIR)項目,并分別于1986年、1989年及1991年實現(xiàn)了寬帶測速技術(shù)可行性研究、原型樣機(jī)設(shè)計與外場測試、商業(yè)化應(yīng)用(推出了Board-Band ADCP產(chǎn)品)。脈沖編碼及處理技術(shù)是寬帶測速的核心。由于Barker碼的相關(guān)函數(shù)具有較低且相對穩(wěn)定的旁瓣,是目前已知的最優(yōu)編碼信號之一。與窄帶測速技術(shù)相比,寬帶測速技術(shù)有效提高了瞬時測速精度和距離分辨力(如圖8)。

圖8 寬帶和窄帶測速技術(shù)特點(diǎn)Fig.8 Characteristics of broadband and narrowband Doppler velocity technologies

3)相控測速階段。20世紀(jì)90年代中后期,將成熟的相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)引入到聲吶產(chǎn)品中,開始了利用相控陣進(jìn)行多普勒測速技術(shù)的研究,并先后實現(xiàn)了窄、寬帶測速技術(shù)與相控陣技術(shù)結(jié)合,如RDI公司在1999年推出的Phased Array Ocean surveyor等產(chǎn)品。

2.2 設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

目前具有代表性的相關(guān)公司及主流設(shè)備如下:

美國Teledyne RDI公司:設(shè)備包括水利資源型、海洋測量型和導(dǎo)航型三大系列。DVL產(chǎn)品和ADCP產(chǎn)品得到國際公認(rèn)并廣泛應(yīng)用(如圖9、10)。采用寬帶編碼信號體制確保瞬時測速精度,獨(dú)有的相控陣測速專利技術(shù)確保測速準(zhǔn)確度。該公司的相控陣型和常規(guī)陣型產(chǎn)品均采用了聲學(xué)寬帶編碼測速技術(shù);以300 kHz產(chǎn)品為例,其測速精度可達(dá)±0.4%±0.2 cm/s,但受技術(shù)封鎖限制,允許出口我國的產(chǎn)品測速精度僅為±1.15%±0.2 cm/s。

圖9 DVL應(yīng)用領(lǐng)域Fig.9 DVL applications

圖10 ADCP應(yīng)用領(lǐng)域Fig.10 ADCP applications

美國Rowe Tech公司:2009年成立的美國Rowe Tech公司也推出了系列化的水下高精度導(dǎo)航設(shè)備,如常規(guī)陣型的SeaPILOT 300 kHz、600 kHz、1 200 kHz、相控陣型的SeaTRAK 150 kHz、75 kHz、38 kHz等。

美國LinkQuest公司:該公司以生產(chǎn)海洋應(yīng)用水聲設(shè)備為主,在水下高精度測速導(dǎo)航方面,開發(fā)了具有底跟蹤功能的NavQuest 300/600常規(guī)陣型多普勒速度儀產(chǎn)品,與TRDI公司產(chǎn)品相比,產(chǎn)品在體積、功耗及質(zhì)量方面稍有優(yōu)勢,但產(chǎn)品種類較少。

隨著近年來技術(shù)水平、應(yīng)用需求的不斷提高,多普勒測速儀又有了新的發(fā)展(如圖11所示)。如英國Sonardyne公司和美國TRDI公司先后推出的Syrinx常規(guī)DVL、Wayfinder相控DVL,采用寬帶與窄帶融合處理的“XRT”技術(shù),以犧牲測速精確度換取作用距離提升;挪威WaterLinked推出的DVL A50/A125型淺水常規(guī)DVL,采用低成本、低功耗、微小型設(shè)計技術(shù),具有一定的市場競爭力;此外,SonTek公司研制的River Surveyor S9常規(guī)ADCP,采用9個聲學(xué)基陣,其中1個基陣形成垂方波束,8個基陣實現(xiàn)高頻和低頻流速剖面功能,高頻信號提高淺水測速精度、低頻信號提高流剖面深度;RTI公司研制的Sea Surveyor 3相控式產(chǎn)品,采用雙頻復(fù)合相控陣技術(shù),也同樣實現(xiàn)了高、低頻ADCP功能。

圖11 近年多普勒測速儀代表性產(chǎn)品Fig.11 Representative products of Doppler velocimetry in recent years

2.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)對聲學(xué)多普勒測速技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代,目前已經(jīng)具有一定的自主創(chuàng)新能力,研究機(jī)構(gòu)主要包括中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、哈爾濱工程大學(xué)、杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所、廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司等,本文主要介紹前兩者。

中國科學(xué)院聲學(xué)研究所自20世紀(jì)80年代開始了聲學(xué)多普勒測速技術(shù)研究,在國家“863”、重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目支持下,重點(diǎn)圍繞聲學(xué)常規(guī)測速技術(shù)開展工作,產(chǎn)品譜系已基本建立,著重服務(wù)于民用領(lǐng)域,主要包括河流航道測量、海洋流速剖面測量等。圖12為2型代表性常規(guī)自容式ADCP產(chǎn)品。

圖12 2型常規(guī)自容式ADCPFig.12 Two types of conventional self-contained ADCP

哈爾濱工程大學(xué)田坦等自20世紀(jì)90年代開始了聲學(xué)多普勒測速技術(shù)研究,重點(diǎn)圍繞聲學(xué)相控測速技術(shù)開展工作,經(jīng)過30余年的發(fā)展,產(chǎn)品譜系化已基本建立,主要涵蓋水下自主導(dǎo)航測速、海洋流速剖面觀測、海浪譜估計等。圖13為哈爾濱工程大學(xué)相控測速技術(shù)發(fā)展歷程。

圖13 哈爾濱工程大學(xué)相控測速技術(shù)發(fā)展Fig.13 Phased array Doppler velocity technological development history of Harbin Engineering University

1)探索性階段。在中國船舶基金支持下,通過深化相控測速理論研究,于1996年研制出國內(nèi)首臺相控多普勒計程儀原型機(jī)(240 kHz),并通過航模水池和湖上跑船驗證了相控機(jī)理可行性。

2)第1代技術(shù)。2005-2012年,在“973”、國防基礎(chǔ)科研等項目支持下,圍繞水面艦船導(dǎo)航系統(tǒng)升級和水下潛航器自主導(dǎo)航需求,于2005年研制出當(dāng)時國際上頻率最高、尺寸最小的相控多普勒計程儀工程樣機(jī)(300 kHz),在此基礎(chǔ)上,突破高頻微小型相控陣設(shè)計、大功率相控發(fā)射和低噪聲多通道相控接收等關(guān)鍵技術(shù),解決了高航速、大機(jī)動等條件下的聲學(xué)測速難題,2009年研制出水面艦船用相控多普勒計程儀(HEU300型@300 kHz),2012年研制出水下潛航器用多普勒計程儀(HEU150型@150 kHz)。

3)第2代技術(shù)。2012-2017年,圍繞新一代自主導(dǎo)航能力需求,解決了極低信噪比下的回波檢測、時變信道下的聲學(xué)信號自適應(yīng)控制、非平穩(wěn)信號的精確頻率估計、深海耐壓陣設(shè)計等問題,先后研制出HEU150-II型和HEU300-II型相控陣多普勒計程儀,聲學(xué)導(dǎo)航精度和穩(wěn)健性得到大幅提升,并具備了6 000 m潛深下的聲學(xué)導(dǎo)航能力。

4)第3代技術(shù)。2017至今,面向深遠(yuǎn)海未知復(fù)雜環(huán)境下的高精度水聲導(dǎo)航需求,進(jìn)一步突破基于聲學(xué)環(huán)境感知的測速準(zhǔn)確度動態(tài)補(bǔ)償、基于回波統(tǒng)計特性的測速精確度在線評價、寬帶波形優(yōu)化、微小型系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù),健全了相控陣測速譜系(包括45 kHz、60 kHz、120 kHz、150 kHz、300 kHz和600 kHz)。

經(jīng)過了3代技術(shù)積累,已建立起具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的聲學(xué)相控多普勒測速技術(shù)體系、形成譜系化產(chǎn)品,累計實現(xiàn)超800余套應(yīng)用。

圖14為代表性相控多普勒測速設(shè)備:自容式(HEU-150型、HEU-300型和HEU-600型)、分體式(HEU-045型),長期測速精度均優(yōu)于0.5%±0.2 cm/s、0.4%±0.2 cm/s、0.2%±0.2 cm/s和0.8%±0.4 cm/s。

圖14 相控多普勒測速設(shè)備Fig.14 Phased array Doppler velocity log

3 聲學(xué)多普勒測速關(guān)鍵技術(shù)

3.1 聲學(xué)測速波形設(shè)計技術(shù)

多普勒測速技術(shù)的2個重要階段迭代是以測速波形更新為標(biāo)志,波形設(shè)計問題是提升聲學(xué)多普勒測速性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。盡管寬帶信號已經(jīng)引入多普勒測速聲吶多年,但由于測速波形設(shè)計理論的不完善,可用的波形形式較少,目前常用的測速波形仍以m序列、Barker碼等二相編碼信號為主。

文獻(xiàn)[18-19]分析認(rèn)為,具有優(yōu)良自相關(guān)性能的測速波形能夠有效提高多普勒測速精度,并基于樣本的協(xié)方差矩陣推導(dǎo)出理想寬帶信號的估計性能上限,這為寬帶波形設(shè)計提供了理論依據(jù);在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[20]進(jìn)一步分析了相位編碼信號參數(shù)(如編碼階數(shù)、重復(fù)次數(shù)、測頻時延等)對流速估計誤差影響,文獻(xiàn)[21]進(jìn)行了相位編碼參數(shù)對底跟蹤測速性能影響的外場實驗驗證。上述工作對于脈沖對算法下波形設(shè)計的物理意義做了很好的闡述,但尚未建立寬帶波形參數(shù)與多普勒頻率估計性能的定量關(guān)系。借鑒雷達(dá)、通信等領(lǐng)域系列研究成果,文獻(xiàn)[22-23]圍繞流跟蹤測速波形優(yōu)化設(shè)計問題進(jìn)行了初步探索,推導(dǎo)了流跟蹤測速信號波形與自噪聲引起的測頻方差之間的定量關(guān)系,并以此建立了波形設(shè)計準(zhǔn)則,設(shè)計出多相編碼信號,完成了波形優(yōu)化效果的仿真驗證;哈爾濱工程大學(xué)研究人員進(jìn)一步利用底跟蹤回波信號產(chǎn)生機(jī)理,分別從波形相關(guān)旁瓣能量[24]和波形模糊函數(shù)旁瓣能量2個方面,推導(dǎo)出基于脈沖對算法的底/流跟蹤測頻方差上限與寬帶波形參數(shù)之間的定量關(guān)系,建立了底跟蹤波形優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則,并分別運(yùn)用波形選擇和波形綜合優(yōu)化2種方法設(shè)計出相位優(yōu)化編碼(optimized phase coded,OPC)信號和頻率優(yōu)化編碼(optimized frequency coded,OFC)信號,仿真和實驗結(jié)果驗證了波形優(yōu)化方法的有效性,為聲學(xué)多普勒測速系統(tǒng)優(yōu)化提供了指導(dǎo);表1和表2為m序列、優(yōu)化相位波形和優(yōu)化調(diào)頻波形在湖上結(jié)果對比,分別對應(yīng)底跟蹤和流跟蹤測速。此外,為進(jìn)一步擴(kuò)大聲學(xué)多普勒最大跟蹤深度,并兼顧瞬時測速精度,美國TRDI、Sonardyne等公司提出了一種“XRT”技術(shù),采用寬-窄帶混合作業(yè)模式,利用自適應(yīng)窄帶跟蹤濾波提升SNR,在頻率和功耗不變情況下,將系統(tǒng)作用距離提升60%,是一種新的嘗試[25-26]。

表1 不同波形多普勒估計精度(1σ)

3.2 聲學(xué)測速誤差標(biāo)校技術(shù)

圖15 誤差標(biāo)校環(huán)節(jié)Fig.15 Error calibration process

3.2.1 基陣坐標(biāo)系標(biāo)校

早期研究聚焦于引起導(dǎo)航誤差的主要因素,即航向安裝偏角及速度比例因子。文獻(xiàn)[27-28]分別提出以速度誤差和航跡誤差最小為準(zhǔn)則的最小二乘標(biāo)定方法,較好地解決了單一航向角安裝偏角及速度比例因子問題。隨著對導(dǎo)航精度要求的進(jìn)一步提高,橫搖及縱搖安裝偏角也不可被忽略,為了解決三維安裝偏角的標(biāo)定,不少新的標(biāo)定方法被提出。文獻(xiàn)[29]提出了一種基于奇異值分解的標(biāo)定方法,該方法將速度誤差進(jìn)行奇異值分解,借助旋轉(zhuǎn)矩陣為正交陣這一性質(zhì)求解最小速度誤差下的旋轉(zhuǎn)矩陣。文獻(xiàn)[30]提出了四元數(shù)標(biāo)定方法,將旋轉(zhuǎn)誤差與比例誤差分離,用四元數(shù)代替旋轉(zhuǎn)誤差,進(jìn)而求解出令速度誤差最小的旋轉(zhuǎn)矩陣及速度比例因子,該方法降低了計算量。文獻(xiàn)[31]提出了一種羅德里格矩陣法,使用反對稱陣構(gòu)建羅德里格矩陣,并以此來代替旋轉(zhuǎn)矩陣,進(jìn)行求解,解決了大角度線性化近似而導(dǎo)致的標(biāo)校精度下降問題。文獻(xiàn)[32]則是從自適應(yīng)識別的角度,給出了一個精確自適應(yīng)識別符,并用于解決DVL的標(biāo)定問題,該方法與SVD精度相當(dāng)。

為解決水下航行器不能連續(xù)接收衛(wèi)星信息問題,文獻(xiàn)[33]提出了一種兩點(diǎn)標(biāo)定方法,只需在標(biāo)定過程中接收數(shù)次衛(wèi)星數(shù)據(jù),即可完成對2個安裝偏角及比例因子的標(biāo)定。為了應(yīng)對更為惡劣的環(huán)境,文獻(xiàn)[34]提出了2種無需任何外部傳感器的標(biāo)定方法,僅需基于SINS與DVL的速度或加速度誤差公式,便可得到旋轉(zhuǎn)矩陣。此外,文獻(xiàn)[35]提出了一種在線標(biāo)定方法,在進(jìn)行組合導(dǎo)航時,將安裝偏角作為狀態(tài)量,以DVL速度誤差為量測量,借助Kalman濾波器標(biāo)定得到3個安裝偏角。另一方面,也有研究更多關(guān)注標(biāo)定模型進(jìn),文獻(xiàn)[36]認(rèn)為僅考慮安裝偏角及速度比例因子是不夠的,還需考慮DVL測量速度的常值誤差。

3.2.2 徑向坐標(biāo)系標(biāo)校

面向更高精度測速和復(fù)雜環(huán)境作業(yè)需求,聲吶徑向偏角是不容忽視的一個誤差源,近年來已有學(xué)者關(guān)注到此問題。文獻(xiàn)[37]在四波束徑向空間角相同假設(shè)下,提出了一種基于四元數(shù)的多級迭代標(biāo)定方法。然而受機(jī)械加工、安裝工藝等影響,實際徑向空間角誤差并不完全相同,為此,我們提出了一種基于Kalman濾波的徑向波束角組合標(biāo)定方法,將比例因子誤差歸結(jié)為空間角誤差,并根據(jù)徑向波束角誤差在導(dǎo)航中的傳遞關(guān)系,建立了波束角誤差與速度誤差的觀測方程;在此基礎(chǔ)上,借助陀螺和加表信息,實現(xiàn)了波束角均存在誤差情況下的組合濾波估計;圖16為通過組合導(dǎo)航評估基陣坐標(biāo)系和徑向坐標(biāo)系標(biāo)校結(jié)果的跑船試驗情況,外場實驗初步驗證了方法的有效性及優(yōu)勢。

圖16 徑向標(biāo)定結(jié)果的組合導(dǎo)航驗證Fig.16 Integrated navigation verification of radial calibration results

3.3 聲學(xué)測速性能評價技術(shù)

準(zhǔn)確度和精確度是衡量聲學(xué)多普勒測速性能的2個重要指標(biāo)。準(zhǔn)確度(也稱長期精度、測速偏差)是指測速信息的統(tǒng)計學(xué)偏差,即利用大量統(tǒng)計平均剔除隨機(jī)誤差后的剩余誤差;精確度(也稱瞬時測速精度)可以簡單理解為測速方差,反映了在測量速度統(tǒng)計平均值附近的隨機(jī)起伏。準(zhǔn)確度和精確度的有效評價,尤其是在線定量評價能力,是工程應(yīng)用需要關(guān)注的問題。

3.3.1 聲學(xué)測速的準(zhǔn)確度評價

對于準(zhǔn)確度的評價問題,目前普遍采用外場船載或室內(nèi)有軌拖車方式,用勻速直航狀態(tài)下的聲學(xué)多普勒測速均值與基準(zhǔn)速度(如衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)輸出速度或拖車速度)誤差的百分比表示;然而聲吶時變參量多且耦合性強(qiáng),目前技術(shù)指標(biāo)描述均是一定作業(yè)環(huán)境條件下的性能下限值,如±0.4%±0.2 cm/s@300 kHz,僅有少量文獻(xiàn)定性探討了測速準(zhǔn)確度問題[38-39]。直到2018年,美國TRDI公司的Taudien等通過多普勒相位加權(quán)仿真方式,利用曲線擬合描述了準(zhǔn)確度與基陣類型、基陣孔徑、波束傾角、海深、吸收系數(shù)、海底地質(zhì)等因素之間的定量關(guān)系[40];由于無法從物理層面表述各參量與準(zhǔn)確度的定量關(guān)系,偏差產(chǎn)生機(jī)理尚不清晰,不能用于在線定量描述聲學(xué)測速準(zhǔn)確度。針對此不足,哈爾濱工程大學(xué)通過將底散射回波視為線性時變信道對發(fā)射信號的響應(yīng),推導(dǎo)出海底回波多普勒譜的解析式,并用一階譜矩給出了準(zhǔn)確度與環(huán)境因素(海底底質(zhì)、聲吸收系數(shù)等)定量關(guān)系為:

明確了測速偏差產(chǎn)生的物理機(jī)理,式中ε為散射強(qiáng)度變化參數(shù),β為聲吸收參數(shù),H為換能器距海底散射平面高度,α0為波束中心角,Δ1為波束指向性參數(shù),γ為與速度有關(guān)的參量,U為與航速、α0等有關(guān)的參量;測速準(zhǔn)確度曲線如圖17。在此基礎(chǔ)上,利用回波亮點(diǎn)建模方法,根據(jù)亮點(diǎn)統(tǒng)計特性和有偏性的關(guān)系,提出了提高準(zhǔn)確度的抑制方法,并得到初步應(yīng)用,為高精度水聲導(dǎo)航、海洋信息觀測等提供了理論支撐。

圖17 測速準(zhǔn)確度曲線Fig.17 Speed measurement accuracy curve

3.3.2 聲學(xué)測速的精確度評價

預(yù)測和估計聲學(xué)測速的精確度一直是多普勒測速機(jī)理研究的重要內(nèi)容之一。精確度與工作頻率、波束配置、編碼信號、環(huán)境噪聲、航行速度等密切相關(guān)。關(guān)于精確度預(yù)測問題,由于多普勒雷達(dá)和聲吶的統(tǒng)計特性有許多相似之處,相關(guān)文獻(xiàn)揭示的原理在聲吶領(lǐng)域依然適用,如文獻(xiàn)[41-42]分別研究了獨(dú)立脈沖對和相關(guān)脈沖對的多普勒雷達(dá)測速問題,得到譜均值的方差理論公式,奠定了聲學(xué)多普勒測速精確度研究的基礎(chǔ);在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[43]推導(dǎo)了窄帶測流的cramér-rao下界(CRLB)、文獻(xiàn)[44]研究了寬帶測速精確度的預(yù)測、文獻(xiàn)[45]提出了一種通過估計協(xié)方差的實部和虛部對應(yīng)的特征函數(shù),再進(jìn)行傅里葉逆變換來預(yù)測譜均值方差的方法。關(guān)于精確度估計問題,同樣受到聲吶時變參量多且耦合性強(qiáng)限制,精確度并非恒定,在線估計難度較大,目前主要采用后置處理方式,即用勻速直航狀態(tài)下的速度標(biāo)準(zhǔn)差代替;近年來的一些研究成果為精確度估計理論發(fā)展提供了參考,歸納總結(jié):

方法1:基于速度場一致性的精確度估計。以四波束冗余配置測速為例,2個軸線波束各能獲得一個垂向速度,理論上的2個垂向速度應(yīng)該相同;美國TRDI公司用2個垂向速度之間的差異作為測速精確度的在線評價指標(biāo)[46];但該方法是建立在四波束構(gòu)建的速度場均勻一致假設(shè)下,利用垂向速度差異值間接評價三維速度精確度,限制了實際應(yīng)用效果;實驗數(shù)據(jù)應(yīng)用效果如圖18。

圖18 基于速度場一致性的精確度估計,2016年渤海水面船載實驗結(jié)果Fig.18 Accuracy estimation based on velocity field consistency: results of shipborne experiments on the Bohai Sea surface in 2016

方法2:基于變分統(tǒng)計推斷的精確度估計。真實速度信息的隨機(jī)變化過程可以采用典型運(yùn)動狀態(tài)空間模型(如勻速、加/減速等)有效描述,此時的測量速度可描述為真實速度的量測,據(jù)此實現(xiàn)真實速度、測速方差的聯(lián)合統(tǒng)計推斷;該方法的主要思想:假設(shè)隨機(jī)變量的先驗、后驗概率密度都屬同一概型(即共軛先驗),通過合理配置真實速度、測量速度及測速方差概率密度模型,將概率密度推斷問題視為貝葉斯統(tǒng)計問題,通過變分法獲得在KL散度最小約束下的概率密度近似解,實現(xiàn)對測速方差的統(tǒng)計推斷[47],仿真和湖上實驗結(jié)果如圖19。

方法3:基于波形統(tǒng)計特性的精確度估計。除接收回波直接反映出的時、頻域信息,波形統(tǒng)計特性描述了概率密度維度重要的回波性質(zhì)。我們提出將測速精確度的度量等價于建立波形一階統(tǒng)計特性、相關(guān)特性與脈沖對算法輸出速度統(tǒng)計特性的聯(lián)系。該方法的主要思想:在回波瞬時值正態(tài)分布假設(shè)下,以相關(guān)特性為輸入量,應(yīng)用復(fù)正態(tài)隨機(jī)變量統(tǒng)計方法擬合出復(fù)相關(guān)系數(shù)的概率密度分布,經(jīng)邊緣變換將相關(guān)系數(shù)相位概率密度的方差作為測速精確度的預(yù)測估計;南海實驗結(jié)果如圖20。

圖20 2020年5月南海船載實驗,基于HEU150型驗證Fig.20 Ship borne experiment in the South China Sea in May 2020, based on HEU150 validation

相比較而言,方法1和2是從信息處理角度評價,方法1為后置處理,難以反映時變信道下的測速精度變化,方法2的推斷過程采用遞歸形式,符合統(tǒng)計學(xué)基本原理又可以確保測速方差實時在線推斷,是實現(xiàn)測速精度分析的一種手段,但對平臺運(yùn)動或流速變化模型有一定依賴性;方法3是從波形處理角度,利用當(dāng)次回波信號統(tǒng)計特性獲取速度概率密度,可用于在線評價,此方法依賴對回波信號協(xié)方差矩陣的精準(zhǔn)建模,已在典型應(yīng)用環(huán)境中得到初步應(yīng)用。

3.4 聲學(xué)測速系統(tǒng)檢測技術(shù)

外場測試是檢驗聲學(xué)測速系統(tǒng)性能的重要環(huán)節(jié),成本雖高,但檢驗最為充分;如何解決批量應(yīng)用中的低成本有效檢測問題一直為人們所關(guān)注。目前普遍采用的方式有室內(nèi)水池拖車測試(如圖21)、半實物仿真測試2種。

圖21 代表性室內(nèi)水池測試裝置Fig.21 Representative indoor water pool testing device

3.4.1 室內(nèi)水池拖車測試

美國戴維泰勒實驗室、USGS等采用室內(nèi)水池方式,開展了對聲學(xué)多普勒測速的水層和底跟蹤實驗,驗證了水池測試方法的可行性。美國Teledyne RDI公司利用室內(nèi)水池開展速度的準(zhǔn)確度和精確度測試,其中的準(zhǔn)確度采信有軌拖車航程為真值,通過將其與被測試設(shè)備速度積分航程比對方式,取得了較好的應(yīng)用效果;該水池深2 m,拖車速度0～0.3 m/s,有效航程13.308 m[48]。目前,國內(nèi)的國家水運(yùn)工程檢測設(shè)備計量站也已具備了拖車流速計量能力,其流速測量水槽75 m×1.5 m×1.5 m、流速拖車0～2 m/s[49];此外,為了高速水面船用測速設(shè)備研發(fā)與功能驗證需要,中船重工第707研究所九江分部搭建的室內(nèi)高速回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)測量系統(tǒng),通過將角速度轉(zhuǎn)變成線速度,具備了4～40 kn、速度控制精度0.2% FS的動態(tài)測速試驗?zāi)芰50]。相比于湖、海船載測量方式,室內(nèi)水池拖車測試方便,但存在航程、航深和航速受限等不足。

3.4.2 半實物仿真測試

水池拖車方式要求水槽足夠長、且具有一定深度,對于流速測量還需要水體有足夠濃度的均勻散射體,且水槽壁面要求做吸聲處理以減小測量誤差,這在一定程度上限制了水池拖車測試的應(yīng)用范圍。為此,人們開始關(guān)注陸上半實物仿真測試,代表性的測試方法包括活塞型和相控型半實物仿真測試。

1)活塞型半實物仿真測試?；钊桶雽嵨锓抡鏈y試原理相對簡單,基本思想是模擬4個具有多普勒頻移、時延等信息的回波信號,利用換能器將模擬信號耦合到被測試活塞換能器中,通過對比被測試設(shè)備返回值與預(yù)設(shè)值達(dá)到檢測的目的。加拿大貝德福德海洋研究所[51]、海軍工程大學(xué)[52]、中科院聲學(xué)所[53]等先后研制出聲對接裝置,一定程度上解決了批量生產(chǎn)和陸上檢測過程中的功能性測試問題。

2)相控型半實物仿真測試(如圖22)。相控陣是由上千個獨(dú)立陣元按照一定順序排列組成,各陣元之間是通過相移補(bǔ)償?shù)姆绞綄崿F(xiàn)4個相控波束,半實物仿真測試復(fù)雜度超過活塞型,分析相控陣模擬聲回波信號形式以及尋找有效的聲信號耦合方式是關(guān)鍵。文獻(xiàn)[54]借鑒活塞型半實物仿真思想,采用16個發(fā)射換能器和1個接收換能器與相控陣平面對接,其中接收換能器用來檢測相控陣的發(fā)射信號以獲取發(fā)射時刻,16個發(fā)射換能器用來模擬產(chǎn)生測速儀的回波信號,4個發(fā)射換能器為一組,對應(yīng)一個相控波束,采用分時發(fā)送的方式交替發(fā)送4個波束方向的回波信號。文獻(xiàn)[21-55]提出了一種相控對接陣測試方法,在不拆卸情況下對相控陣型測速儀進(jìn)行檢測,基陣PA I為已安裝在航行器中的測速儀相控陣,基陣PA II用于模擬基陣PA I的回波信號;該方法利用與測速儀布陣方式相同的聲學(xué)基陣,按照相控接收相移方式輸出模擬回波信號;目前該方法已完成500余臺設(shè)備的出廠測試。

圖22 半實物仿真示意Fig.22 Semiphysical simulation testing device

4 技術(shù)展望

進(jìn)入21世紀(jì),美國、日本、歐盟等國家和地區(qū)競相圍繞海洋資源開發(fā)、海洋防務(wù)安全等制定海洋戰(zhàn)略;我國是背陸面海的海洋大國,實施“發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì),保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境,加快建設(shè)海洋強(qiáng)國”的戰(zhàn)略部署,需要水聲導(dǎo)航、海洋監(jiān)測等能力支撐,聲學(xué)多普勒測速技術(shù)是其中一個環(huán)節(jié)。發(fā)展基于環(huán)境感知的新一代聲學(xué)多普勒測速技術(shù)、聲學(xué)與慣性一體化導(dǎo)航技術(shù)、面向不同作業(yè)場景的完備技術(shù)體系等將是未來技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

4.1 發(fā)展基于環(huán)境感知的新一代聲學(xué)多普勒測速技術(shù)

任何聲吶設(shè)備性能都是與環(huán)境密切相關(guān)的,而水聲環(huán)境效應(yīng)存在不確定性。邊界條件的不確定性:海面和海底受到氣候條件或者其他條件的影響非常大,如風(fēng)、雨等造成的海浪;天體引力引起的潮汐運(yùn)動;大洋環(huán)流、潮流產(chǎn)生的海面及海水流動,以及由于海流、地質(zhì)運(yùn)動所造成的海底底質(zhì)、地形的變化,這些均導(dǎo)致水聲界面是動態(tài)的、瞬息萬變的。傳播過程引起的不確定性:聲波在海水中的損失、以及在海底的聲散射損失、衰減損失也造成不確定性;聲波在海底沉積層中的衰減及海底散射損失和沉積層的物理性質(zhì)、孔隙度等關(guān)系密切,而海底的聲散射損失、衰減損失是海洋中聲場分析和聲吶性能分析的重要環(huán)境參數(shù);在不同海區(qū)或同一海區(qū)的不同時間,受到海洋環(huán)境影響,聲吶性能不是某一確定值,在測量和掌握一定的水聲環(huán)境數(shù)據(jù)之后,需要通過一系列的水聲模型對聲吶各參數(shù)做出估計,以優(yōu)化聲吶輸出。發(fā)展新一代基于環(huán)境感知的聲學(xué)多普勒測速技術(shù),明確水聲環(huán)境因素與速度誤差定量關(guān)系、建立時變環(huán)境影響下的測速誤差模型、提出測速誤差的在線估計與補(bǔ)償方法、實現(xiàn)海洋聲學(xué)多普勒測速技術(shù)由“環(huán)境適應(yīng)設(shè)備”轉(zhuǎn)為“設(shè)備適應(yīng)環(huán)境”,對于提升水聲導(dǎo)航、海洋信息獲取等能力,具有重要的意義[57-61]。

4.2 發(fā)展面向深遠(yuǎn)海復(fù)雜環(huán)境的聲學(xué)與慣性一體化導(dǎo)航技術(shù)

隨著水下無人裝備實際應(yīng)用的不斷推進(jìn),未來水下無人裝備將向著更遠(yuǎn)、更深、更強(qiáng)、更靈活以及更智能的方向發(fā)展[62],要求水下作業(yè)時間越來越長、活動范圍逐漸擴(kuò)大、操控精度越來越高,導(dǎo)航系統(tǒng)對其航行安全和戰(zhàn)斗力提升意義重大。受聲波在海水中的傳播速度限制,水聲測速技術(shù)提供的數(shù)據(jù)更新率較低(深海情況尤其如此),數(shù)據(jù)也較容易受到污染;面對深遠(yuǎn)海未知復(fù)雜環(huán)境,聚焦大機(jī)動、高海況等條件下制約自主導(dǎo)航精度提升的若干難題,在已有聲學(xué)與慣性組合導(dǎo)航基礎(chǔ)上,從聲學(xué)層面挖掘組合導(dǎo)航潛力,發(fā)揮其水聲環(huán)境感知、誤差在線估計與補(bǔ)償?shù)葍?yōu)勢,發(fā)展面向深遠(yuǎn)海復(fù)雜環(huán)境的聲學(xué)與慣性一體化穩(wěn)健導(dǎo)航技術(shù),研制一體化免標(biāo)校、高精度、小尺寸導(dǎo)航設(shè)備,是水下潛航器提升自主導(dǎo)航能力的有效手段之一。

4.3 發(fā)展面向不同作業(yè)場景的聲學(xué)多普勒測速完備技術(shù)體系

針對自主導(dǎo)航、海洋信息獲取、航道測量、管道流量/沉積物濃度監(jiān)測等不同作業(yè)場景作業(yè)特點(diǎn),健全聲學(xué)多普勒測速技術(shù)體系。

自主導(dǎo)航方面:測量平臺對地絕對或?qū)λ鄬Φ娜S速度。1)水面艦船導(dǎo)航系統(tǒng)重要組成:為導(dǎo)彈提供初始速度信息、為慣導(dǎo)提供阻尼信息等;2)水中兵器導(dǎo)航系統(tǒng)重要組成:為慣導(dǎo)提供阻尼/組合信息。

信息獲取方面:遙測大深度范圍內(nèi)不同水層的海流信息。1)在深海:服務(wù)于油氣礦產(chǎn)開發(fā)、生物環(huán)境觀察、洋流科學(xué)考察;2)在近海:服務(wù)于海浪監(jiān)測、漁業(yè)養(yǎng)殖、海底管道鋪設(shè)、海岸工程建設(shè)與環(huán)境監(jiān)測等;3)在軍事:服務(wù)于獵掃雷、援潛救生作業(yè)等。

水文監(jiān)測方面:海洋流速剖面應(yīng)用擴(kuò)展,服務(wù)于淡水漁業(yè)研究、河流流速/流量監(jiān)測、河流航道安全、橋梁沖刷測量以及洪水預(yù)警等。

其他方面:作為海洋流速剖面應(yīng)用擴(kuò)展,服務(wù)于管道流速、流量測量、水體渾濁度、懸浮泥沙含量等監(jiān)測等。

5 結(jié)束語

海洋約占地球總面積的71%,事關(guān)國家安全、資源開發(fā)和科學(xué)探索重大戰(zhàn)略利益;聲學(xué)多普勒測速技術(shù)作為一種重要的水下速度信息獲取方式,在其中發(fā)揮著重要作用。經(jīng)過近40年的發(fā)展,國內(nèi)的聲學(xué)多普勒測速技術(shù)取得了長足進(jìn)步,并逐步由“跟跑”轉(zhuǎn)向“并跑”階段,產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也在進(jìn)入快速發(fā)展期。面臨前所未有的機(jī)遇,通過加快產(chǎn)業(yè)化、提升設(shè)備性能與穩(wěn)定度、縮小技術(shù)可行與商業(yè)可用之間差距,實現(xiàn)國產(chǎn)聲學(xué)多普勒測速技術(shù)與設(shè)備新突破。