深水域入水點(diǎn)復(fù)合聲學(xué)測(cè)量性能分析*

王 磊

（1.航天工程大學(xué) 北京 100000）（2.中國(guó)人民解放軍91550部隊(duì)41分隊(duì) 大連 116023）

1 引言

近年來(lái)，隨著航空航天事業(yè)向民營(yíng)企業(yè)放開(kāi)，各類航空航天飛行器種類不斷增多，航程、威力不斷增大，測(cè)試飛行安全性要求較高，由于海上沒(méi)有意外墜落的安全風(fēng)險(xiǎn)，適于開(kāi)展測(cè)試活動(dòng)，但海上飛行器落點(diǎn)的測(cè)量始終是個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。通過(guò)研究分析，飛行器落入水中，會(huì)產(chǎn)生帶有明顯聲學(xué)特性的信號(hào)[1]，通過(guò)聲學(xué)測(cè)量設(shè)備捕獲，可以計(jì)算出飛行器入水點(diǎn)位置數(shù)據(jù)[2]。當(dāng)前，已經(jīng)有一些類似工程項(xiàng)目的近海應(yīng)用和研究理論積累[3～4]，但很難形成普適的研究成果。

多基站交會(huì)定位目前主要有兩種方式，一種是方位交會(huì)，另一種是時(shí)差交會(huì)，前者因測(cè)向誤差隨距離線性增大不適用于較大的定位范圍，但可以實(shí)現(xiàn)快速解算，而后者則以信號(hào)到達(dá)時(shí)間差作為測(cè)量元素，在較大區(qū)域內(nèi)能保持相對(duì)較高的精度，更適用于深海大范圍定位[5]。近年來(lái)，我國(guó)水聲定位導(dǎo)航技術(shù)在內(nèi)的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，比如海洋環(huán)境探測(cè)，深海水聲探測(cè)等均有了很迅速的發(fā)展，逐步形成體系化發(fā)展趨勢(shì)[6～8]。

通過(guò)研究入水聲學(xué)特性、海區(qū)聲信道傳播規(guī)律以及聲學(xué)測(cè)量設(shè)備、測(cè)量方案等[9～12]，針對(duì)實(shí)際工程運(yùn)用構(gòu)建測(cè)量模型，分析不同聲吶測(cè)量設(shè)備的覆蓋能力，仿真分析測(cè)量性能及精度，提出實(shí)用、高效、可行的深水域測(cè)量方案，解決當(dāng)前面臨的飛行器海上入水聲學(xué)定位問(wèn)題，并對(duì)類似項(xiàng)目提供參考。

2 測(cè)量模型

利用目標(biāo)的海上濺落聲對(duì)其進(jìn)行定位屬于水下無(wú)源定位問(wèn)題，傳統(tǒng)的定位方法是利用多個(gè)基站進(jìn)行交會(huì)測(cè)量，通常采用純方位（bearings-only，BO）交會(huì)定位或時(shí)延差（time difference of arrival，TDOA）定位。

2.1 純方位定位（BO）

2.2 時(shí)差交會(huì)定位（TDOA）

2.3 模型假設(shè)

根據(jù)以上模型，按照一般測(cè)量設(shè)備性能，采用最精簡(jiǎn)的組成方案，進(jìn)行模型假設(shè)。

1）方位定位采用兩艘船拖帶拖曳線列陣聲吶在飛行器入水前分別保持與入水方向平行和垂直方向機(jī)動(dòng)，與中心線距離分別為30km和40km。

2）時(shí)差交會(huì)定位采用三個(gè)水聽(tīng)器陣潛標(biāo)布設(shè)在落點(diǎn)測(cè)量點(diǎn)為中心的等邊三角形上，邊長(zhǎng)8km；每個(gè)潛標(biāo)錨定于海底，水聽(tīng)器陣懸浮于水下1500m深度，通過(guò)凱夫拉繩與海底沉塊相連接。

測(cè)量設(shè)備布設(shè)模型示意圖如圖1所示。

圖1 各測(cè)量系統(tǒng)布設(shè)及潛標(biāo)設(shè)計(jì)圖

3 測(cè)量性能仿真分析

3.1 聲吶覆蓋能力分析

聲吶陣的覆蓋能力主要取決于三個(gè)因素：一是在海區(qū)的聲信道傳輸性能（水聲環(huán)境）；二是聲吶接收換能器的性能（信噪比）；三是聲吶基陣的空間分布（布陣設(shè)計(jì)）。

1992年的《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》提出在保護(hù)區(qū)人口數(shù)小于20萬(wàn)的條件下，山洪溝設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期5年一遇～10年一遇；2010年舟曲特大山洪泥石流災(zāi)害發(fā)生后，同年9月水利部組織召開(kāi)了《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)山洪溝、泥石流溝設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研討會(huì)，確定保護(hù)區(qū)人口小于20萬(wàn)，山洪溝治理設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為大于等于10年一遇，小于20年一遇，并將上述成果納入新版《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50805—2012）。 因此，建議重點(diǎn)山洪溝治理設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)一般按10年一遇，對(duì)于遭受洪災(zāi)損失大、影響嚴(yán)重的山洪溝和位于關(guān)鍵防護(hù)部位的抗沖設(shè)施可適當(dāng)提高治理標(biāo)準(zhǔn)，做到漫而不決，沖而不垮。

若采用拖曳線列陣聲吶進(jìn)行測(cè)量，由于作用距離超過(guò)50km，可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量區(qū)域的全覆蓋。

若考慮用加裝于浮標(biāo)平臺(tái)的單個(gè)矢量水聽(tīng)器檢測(cè)（無(wú)增益），在上述會(huì)聚區(qū)聲信道條件下，優(yōu)質(zhì)因數(shù)FOM為90dB，傳感器深度小于50m，則單個(gè)陣元的有效接收范圍為R=3km的圓形區(qū)域。圖2給出了幾種不同基線長(zhǎng)度條件下的測(cè)量陣覆蓋范圍分布圖，圖中由深色到淺色依次代表4個(gè)、3個(gè)、2個(gè)和1個(gè)水聲浮標(biāo)可檢測(cè)飛行器入水聲信號(hào)的區(qū)域。以下分析中記基線長(zhǎng)度為L(zhǎng)，單個(gè)陣元有效接收范圍為R。若L ≥ 2R（圖2（a）），則不同陣元無(wú)交會(huì)，不能獲取測(cè)量參數(shù)；若L＜2R（圖2（b～d）），L值越小，交會(huì)范圍越大，但同時(shí)對(duì)工作區(qū)的覆蓋率逐漸降低。

圖2 正四邊形陣測(cè)量范圍覆蓋示意圖

表1給出了不同測(cè)量陣條件下工作區(qū)覆蓋率比較。

表1 不同測(cè)量陣條件下工作區(qū)覆蓋率比較

若采用水聽(tīng)器陣潛標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，水聽(tīng)器陣可延伸至水下1500m，則單個(gè)陣元的有效檢測(cè)范圍可達(dá)到10km，需要獲取3組以上時(shí)延差信息利用距離差體制解算落點(diǎn)位置。圖3給出了正三角形陣的測(cè)量范圍覆蓋示意圖。可見(jiàn)，水聽(tīng)器陣潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的覆蓋能力明顯好于機(jī)動(dòng)式聲吶浮標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，選取L≤0.85R的布陣即可對(duì)5km工作區(qū)形成90%以上的覆蓋率，具體設(shè)計(jì)還應(yīng)結(jié)合精度分析結(jié)果考慮。

圖3 正四邊形陣測(cè)量范圍覆蓋示意圖

3.2 精度分析

3.2.1 拖曳線列陣

對(duì)于拖曳線列陣聲吶測(cè)量，根據(jù)方位交會(huì)解算原理，主要誤差源變量設(shè)置為線列陣聲吶測(cè)向誤差δθ，服從的正態(tài)分布，σθ為測(cè)向誤差標(biāo)準(zhǔn)差，取2°～5°；船只定位誤差δp，服從的正態(tài)分布，σp為浮標(biāo)定位誤差標(biāo)準(zhǔn)差，取2m。圖4給出了幾個(gè)典型區(qū)域的測(cè)量效果比較。

圖4 拖曳陣聲吶測(cè)量效果比較

1）考慮飛行器落入預(yù)定入水點(diǎn)附近（0，0），取樣5000次計(jì)算，當(dāng)σθ取2°時(shí)，σX、σZ為0.90km～1.00km；當(dāng)σθ取5°時(shí)，σX、σZ為1.10km～1.12km；

3）考慮飛行器落入偏離預(yù)定入水點(diǎn)1km處且遠(yuǎn)離聲吶方向（1000，1000），取樣5000次計(jì)算，當(dāng)σθ取2°時(shí)，σX、σZ為0.93～1.00km；當(dāng)σθ取5°時(shí)，σX、σZ為1.10km～1.15km；

4）考慮飛行器落入偏離預(yù)定入水點(diǎn)5km處且靠近聲吶方向（-5000，-5000），取樣5000次計(jì)算，當(dāng)σθ取2°時(shí)，σX、σZ為1.08km～1.10km；當(dāng)σθ取5°時(shí)，σX、σZ為1.11km～1.12km；

5）考慮飛行器落入偏離預(yù)定入水點(diǎn)5km處且遠(yuǎn)離聲吶方向（5000，5000），取樣5000次計(jì)算，當(dāng)σθ取2°時(shí)，σX、σZ為0.97km～1.05km；當(dāng)σθ取5°時(shí)，σX、σZ為1.13km～1.16km；

6）考慮飛行器落入靠近聲吶方向工作區(qū)邊緣區(qū)域（-8000，0），取樣5000次計(jì)算，當(dāng)σθ取2°時(shí)，σX、σZ為0.93km～0.94km；當(dāng)σθ取5°時(shí)，σX、σZ為1.10km～1.12km；

7）考慮飛行器落入遠(yuǎn)離聲吶方向工作區(qū)邊緣區(qū)域（0，8000），取樣5000次計(jì)算，當(dāng)σθ取 2°時(shí)，σX、σZ為0.99km～1.02km；當(dāng)σθ取5°時(shí)，σX、σZ為1.12km～1.13km。

3.2.2 水聽(tīng)器陣潛標(biāo)

對(duì)于水聽(tīng)器陣潛標(biāo)測(cè)量，根據(jù)距離差交會(huì)解算原理，主要誤差源變量設(shè)置為時(shí)延差檢測(cè)誤差δτ，服從的正態(tài)分布，στ為時(shí)延差誤差標(biāo)準(zhǔn)差，取50ms；水聽(tīng)器陣站址誤差δp，服從的正態(tài)分布，σp為水聽(tīng)器陣站址誤差標(biāo)準(zhǔn)差，取250m；等效聲速誤差δc，服從的正態(tài)分布，σc為聲速誤差標(biāo)準(zhǔn)差，取0.1m/s。

表2給出了一組不同基線長(zhǎng)度條件下的測(cè)量精度仿真結(jié)果，假設(shè)單個(gè)水聽(tīng)器陣的有效檢測(cè)范圍為10km，誤差源設(shè)置同上。與機(jī)動(dòng)式聲吶浮標(biāo)測(cè)量不同的是，水聽(tīng)器陣潛標(biāo)測(cè)量沒(méi)有冗余測(cè)元，必須同時(shí)獲取3組聲信號(hào)才能解算入水點(diǎn)位置。若采用6km基線布陣，5km的假設(shè)工作區(qū)雖能夠全面覆蓋，但陣外區(qū)域所占比較大，精度相對(duì)較低，達(dá)到300m精度的區(qū)域約為30%～35%，500m精度的區(qū)域約為60%，1000m精度的區(qū)域約97%；若采用10km基線布陣，可明顯提升精度水平，但覆蓋區(qū)域下降，達(dá)到300m精度的區(qū)域約53%～59%，500m精度的區(qū)域約75%，而達(dá)到1000m精度的區(qū)域的比例也保持這一水平；若采用8km基線布陣，300m精度的區(qū)域達(dá)到約43%～56%，500m精度的區(qū)域達(dá)到約80%～85%，達(dá)到1000m精度的區(qū)域可達(dá)97%以上。

表2 典型基陣構(gòu)型條件下測(cè)量精度仿真結(jié)果比較

4 結(jié)語(yǔ)

在研究飛行器入水聲學(xué)特性，入水聲信號(hào)及其傳播方式的基礎(chǔ)上，按照模型假設(shè)，對(duì)其測(cè)量能力和測(cè)量精度進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下。

1）拖曳線列陣聲吶進(jìn)行入水聲信號(hào)測(cè)量檢測(cè)概率大、便于操作實(shí)施，測(cè)量特性穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)實(shí)時(shí)性較好，匯集兩船測(cè)量信息可迅速完成解算，在假設(shè)模型條件下，定位精度σX、σZ估算為900m～1200m；

2）利用水聽(tīng)器陣潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)可進(jìn)行飛行器入水點(diǎn)事后測(cè)量，與準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果相互冗余，提高數(shù)據(jù)可靠性，在假設(shè)模型條件下，300m精度的區(qū)域達(dá)到約43%～56%，500m精度的區(qū)域達(dá)到約80%～85%，1000m精度的區(qū)域可達(dá)97%以上。

綜合測(cè)量可靠性、易實(shí)施性、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)質(zhì)量等因素，可采用拖曳線列陣聲吶和水聽(tīng)器陣潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)深水域入水點(diǎn)定位測(cè)量。后續(xù)可針對(duì)到達(dá)聲信號(hào)進(jìn)行更有效的估計(jì)和減小復(fù)雜環(huán)境引起的不確定性影響等進(jìn)一步開(kāi)展工作，不斷跟蹤新的水聲測(cè)量設(shè)備發(fā)展，優(yōu)化測(cè)量方案，不斷提升測(cè)量精度，結(jié)合各類深遠(yuǎn)海活動(dòng)，開(kāi)展測(cè)量活動(dòng)，獲取更多實(shí)際數(shù)據(jù)。