超短基線水聲定位儀量值溯源方法研究

張明敏，柳義成

(交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

0 引言

超短基線水聲定位儀(以下簡稱“水聲定位儀”)是水運交通研究的基本設備，其工作原理是在水下被定位的目標上安裝聲信標，水上的船體安裝超短基線基陣，聲信標發出聲信號，水聲定位儀換能器接收到信號后測算出目標的距離[1-2]。因為無線電波在水中的快速衰減使GPS的定位手段無計可施，聲波是目前最有效的水下遠距離傳播的信息載體[3-4]，因而水聲定位儀在海洋、水運領域有愈來愈廣泛的用途，例如海洋探測研究與資源開發、海上救援搜尋、沉船打撈、電纜布設等方面都離不開水聲定位儀為其提供高精度、高質量的定位資料[5]。然而，由于其使用環境復雜多變，儀器自身性能改變等因素，往往造成測量結果的失效或缺失，給海洋、水運研究工作帶來人力和財力上的巨大損失。在水聲定位儀的實際使用中，由于缺乏專業的計量校準系統，國內外研究人員只能認可生產廠家“標稱”的各項性能指標和探測能力，亦或是只能進行試驗比對或自行校準的方法，缺乏對水聲定位儀測量性能的準確評價。在這種情況下，水聲定位儀測量結果的準確與否將對海洋工程及水運工程的建設質量、勘察、設計和模型試驗的結果產生較大的影響[6-9]。因此，定期采用各種手段對儀器的計量性能、可靠性、適用性等進行測試和評價就顯得尤為重要。

該文依托天津港的船閘水池，基于設計的多維運行控制機構提出水聲定位儀斜距的計量溯源方法，將填補水下定位系統計量檢測技術空白，為水下定位研究保駕護航。

1 水聲定位儀結構組成及工作原理

水聲定位儀主要由水下聲學測量設備和水上數據采集處理設備兩大部分組成，其中水下聲學測量設備由安裝在船體的換能器基陣和安裝在水下移動載體的聲信標組成，結構示意圖如圖1所示。聲學換能器發射聲波信號至聲信標，聲信標在收到訊問信號后，發射區別于訊問信號的響應信號回換能器，響應信號經由通訊電纜傳輸給甲板處理單元。

圖1 水聲定位儀結構示意圖

2 校準裝置及配套設施

選擇計量標準器及配套設施應當遵循以下原則：

(1)水聲定位儀有相關計量檢定規程和國家標準時，選擇的計量標準器應當滿足或優于技術文件中的要求；

(2)對于測量結果有較大影響的儀器設備，例如水聲定位儀測量過程中用于聲速校正的聲速剖面儀，應進行有效的溯源。

水聲定位儀校準系統的設計參數要求如下：

(1)多維運行控制機構該文設計的多維運行控制機構包括水平移位、升降、回轉及轉接法蘭盤幾個部分，其中水平移位部分隨試驗行車在導軌上實現遠距離水平運動，運行速度為0.6 m/s；升降部分實現水聲定位儀換能器與聲信標在水面垂直方向的精確位置控制；回轉部分實現水聲定位儀水平旋轉運動；轉接法蘭盤用于多維運行控制機構與水聲定位儀的機械連接。多維運行控制機構實物圖如圖2所示。

圖2 多維運行控制機構

(2)聲速剖面儀最大允許誤差為±0.2 m/s，為水聲定位儀提供標準聲速值，實物圖如圖3所示。

圖3 聲速剖面儀

(3)鋼卷尺準確度等級為1級，型號選5 m型，經檢定的鋼卷尺用于標定多維運行控制機構行駛軌道的刻度。

3 校準方法

圖4 斜距校準原理圖

(1)

4 校準結果

選用Ranger-2型水聲定位儀作為試驗樣機，按前述校準方法開展斜距校準試驗。圖5是換能器距離聲信標5 m處數據采集軟件實測效果，校準結果如表1所示。由表1可知，Ranger-2的斜距示值誤差隨斜距的增加而增大，各校準點的示值誤差均小于JJG(交通)152—2020《超短線水聲定位儀》中規定的斜距最大允許誤差±(0.5+R×3%)，其中R表示斜距測量值[10]。

圖5 Ranger-2數據采集軟件實測效果

表1 試驗樣機校準結果

5 測量不確定度評定

對上述試驗方法和試驗結果開展測量不確定度評定，以驗證該文提出的校準方法是否合理。

5.1 數學模型

(2)

5.2 合成靈敏度系數

式中靈敏系數為：

5.3 計算分量不確定度

此測量不確定度為被校準設備所引入的測量不確定度，主要影響因素為測量重復性所引入的測量不確定度分量。在測量不確定度評價的過程中，采用標準斜距為100 m時水聲定位儀采集的數據，作為代表性數據開展測量不確定度的評價，重復測量10次，測量數據見表1。采用測量不確定度的A類評定方法計算標準不確定度，使用貝塞爾公式計算標準偏差，計算平均值的測量不確定度。

(2)鋼卷尺測量引入的測量不確定度分量u(L)

(3)聲速剖面儀引入的標準不確定度u(ΔL1)

(4)由安裝誤差引入的標準不確定度u(ΔL2)

儀器安裝位置誤差引入的不確定度分量u(ΔL2)來源于水聲定位儀換能器的安裝偏差，安裝偏差由測深鋼卷尺引起。測深鋼卷尺的最大允許誤差為±0.5 mm，由此引起的測距不確定度分量為0.3 mm。

5.4 合成標準不確定度

=0.10 m

5.5 擴展不確定度

取擴展因子k=2，則擴展不確定度為U=k×uc(ΔL)=0.20 m

5.6 測量不確定度的報告與表示

水聲定位儀的斜距測量不確定度U=0.20 m(k=2)，小于被測儀器最大允許誤差絕對值的1/3，滿足測量不確定度合格判定的要求，該方法具有合理性。

6 結論

隨著水聲定位儀的應用日益廣泛，其校準需求不斷增加，亟需開展相應儀器的計量研究工作。該文介紹了水聲定位儀的結構組成及工作原理，提出了水聲定位儀的校準方法，并選取樣機進行了試驗測量，得到被測儀器的斜距示值誤差。測量結果與測量不確定度符合規定指標，驗證了該校準方法的可行性及合理性。