系统组成及导航定位方式

4.2　系统组成及导航定位方式

水声导航定位系统通常由船台设备和若干水下设备组成。

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船后“拖鱼”内的换能器以及水听器阵列。水下设备主要是声学应答器基阵。所谓基阵，即固设于海底，位置已准确测定的一组应答器阵列。下面对系统中的这些水声设备分别加以介绍。

1.换能器

换能器是一种声电转换器，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。通常使用的是磁致伸缩换能器和电致伸缩换能器。磁致伸缩换能器的基本原理是当绕有线圈的镍棒通电后在交变磁场作用下通过形变或振动而产生声波，将电能转换成声能;而磁化了的镍棒，在声波作用下产生振动，从而使棒内的磁场也相应变化，而产生电振荡，把声能转变为电能。

2.水听器

水听器本身不发射声信号，只接收声信号。通过换能器将接收到的声信号转换成电信号，再输入到船台或岸台的接收机中。

3.应答器

应答器不但能接收声信号，而且还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。

水声导航定位系统通常有测距和测向两种定位方式。

第一种为测距定位方式。水声测距定位原理如图4-1所示。

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(4-1)即可算出船至水下应答器之间的距离S。

图4-1　水声测距定位原理

由于应答器的深度Z已知，于是，船台至应答器之间的水平距离D为:

若有两个水下应答器，则可获得两条距离，以双圆方式交会即可得出船位。

若对三个或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。

第二种为测向定位方式。测向定位方式的工作原理如图4-2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=。

图4-2　测向方式工作原理

换能器M首先发射询问信号，水下应答器P接收到该信号后，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和b间的距离与P和M间的距离相比甚小，故可认为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接收到的信号相位比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4-2可写出a和b接收信号的相位分别为:

则水听器a和b的相位差为:

显然当θ= 90°时，a和b的相位差为零，即船艏线在P的正上方。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。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会用到。