基于虚拟仪器的超短基线水声定位系统

　　0 引言

　　近些年，随着各国海洋开发的力度加大，我国也在海洋开发方面投入大量的人力、物力和财力，但相比发达国家，仍然落后很多，大量的海洋开发仪器设备都依靠进口，同时国外的技术限制使得很多先进的设备和技术无法进入国内，只能依靠自主开发。超短基线水声定位系统不仅可以用于军事方面，在民用方面也有很大的用途。例如水下运动目标定位、海上纵向油水补给、水下油气管道铺设、水下电缆铺设、水下救险、沉船打捞、潜水员定位等方面，具有很大的市场前景。

　　本文基于虚拟仪器技术，介绍一种将传统的存储示波器和计算机相结合构成水声定位系统的方法。它适用于短基线或超短基线水声定位系统，体现了虚拟技术 “软件即仪器的思想”，只要有计算机和4通道的存储示波器，以及一个压力梯度水听器就可以构成接收系统。

　　1 短基线定位技术

　　水下声学定位系统根据基线长度可分为长基线、短基线和超短基线水声定位系统3种，其中短基线、超短基线水声定位系统具有基线长度短、安装布放方便，设备简单等特点。短基线、超短基线水声定位系统的阵元安装在船上或被测目标上，通过测量声源发射的信号到定位水听器各阵元之间的时延差或相位差来定位。本系统使用的超短基线接收换能器是一种输出 4 路声压信号的压力梯度水听器，其特点是布放简单，成本低廉。

　　1.1 超短基线定位系统原理

　　根据超短基线定位原理，利用测量信号到达接收基阵阵元之间的时延差或相位差和测量目标到基阵中心的斜距进行目标定位，其定位几何原理如图1所示，取“北东地”直角坐标系(x，y，z)，数字1，2，3，4分别代表压力梯度水听器的4个阵元。

　　仅考虑x轴和y轴坐标的定位方法，z轴坐标的定位方法以此类推。设目标位于S处，其坐标为(x，y，z)。2个正交的直线阵分别置于x轴和y轴上，阵的中心为坐标原点。

　　目标径矢为OS，其方向余弦为:

　　式中: α为目标径矢与x轴夹角;

　　β为目标径矢与y轴的夹角;

　　R为目标斜距。

　　基阵的尺寸很小，在平面波近似下，有

　　式中: r为目标水平斜距;

　　z为目标深度。

　　将式(4)和式(5)代入式(1)和式(2)，得到:

　　式中: λ为波长;

　　d为阵元间距;

　　Φ为x轴相邻阵元接收信号相位差;

　　ψ为y轴相邻阵元接收信号相位差。

　　式中:R=c·Δt/2，c为水中声速，Δt 为从发射信号到接收到信号的时间差。这些量给定后，目标相对接收阵的位置及目标相对船首向的方位θ(水平方位角)及斜距R就唯一确定了。超短基线定位系统通过测量信号到达时刻和相邻阵元间相位差来确定目标的距离和方位，如果接收阵有GPS设备，那么还可读取GPS的坐标信息，将接收阵的位置转换成经纬度坐标。