水下声学定位的基本原理和方法

2.4.1　水下声学定位的基本原理和方法

水声定位系统通常由船台设备和若干水下设备组成。其中船台设备包括一台具有发射、接收和测距功能的控制、显示设备和置于船底或置于船后“拖鱼”内的换能器以及水听器阵。水下设备主要是声学应答器基阵。所谓基阵，即固设于海底的位置已准确测定的一组应答器阵列。下面对这些水声设备分别加以介绍。

换能器实质上是一种声电转换器，能根据需要使声振荡和电振荡相互转换。为发射(或接收)信号服务，起着水声天线的作用。最常使用的是磁致伸缩换能器和电致伸缩换能器。

水听器本身并不发射声信号，只起到接收声信号的作用。通过换能器将所接收到的声信号转变成电信号，输入船台或岸台的接收机中。

应答器既能接收声信号，又能发射不同于所接收声信号频率的应答信号，是水声定位系统的主要水下设备，也能作为海底控制点的照准标志(即水声声标)。

水声定位系统通常有测距定位和测向定位两种方式，其原理如下。

1.测距定位方式

水声测距定位原理如图2-7所示，由船台发射机通过安置于船底的换能器M向水下应答器P(位置已知)发射声脉冲信号(询问信号)，应答器接收该信号后即发回一应答声脉冲信号，船台接收机记录发射询问信号和接收应答信号的时间间隔，通过式(2-18)即可算出船至水下应答器之间的距离:

根据已知的应答器的深度Z，按式(2-19)即可求出船台至应答器之间的水平距离D:

如果有两个水下应答器，则可获得两条距离，可以双圆方式交会出船位。若对三个以上水下应答器进行测距，则可采用最小二乘法求出船位的平差值。

2.测向定位方式

这种定位方式在海底控制点(网)的布设以及诸如钻井平台的复位等作业中经常用到，其工作原理如图2-8所示。船台上除安置换能器以外，还在船的两侧各安置一个水听器，即a和b。P为水下应答器。设PM方向与水听器a、b连线之间的夹角为θ，a、b之间距离为d，且aM= bM= d/2。

图2-7　水声测距定位原理

图2-8　测向方式工作原理

首先换能器M发射询问信号，水下应答器P接收后，发射应答信号，水听器a、b和换能器M均可接收到应答信号，由于a、b间距离与P、M间距离相比甚小，故可视发射与接收的声信号方向相互平行。但由于a、M、b距P的距离并不相等，若以M为中心，显然a接收到信号相位比M的要超前，而b接收到的信号相位比M的要滞后。设Δt和Δt'分别为a和b相位超前和滞后的时延，那么由图2-8可得出a和b接收信号的相位分别为:

水听器a和b的相位差为:

显然，当θ=90°时，a和b的相位差为零，这只有船首线在P的正上方才行。所以只要在航行中使水听器a和b接收到的信号相位差为零，就能引导船至水下应答器的正上方。