與陸地上電磁波定位相似，在水下進(jìn)行無線傳播信息往往以聲波為載體。水下聲學(xué)定位技術(shù)通?？煞譃椋罕粍?dòng)定位技術(shù)和主動(dòng)定位技術(shù)。

被動(dòng)定位技術(shù)

被動(dòng)定位技術(shù)主要指通過被動(dòng)的接收目標(biāo)輻射噪聲來確定水下目標(biāo)位置，主要有三子陣法、水下GPS定位和匹配場處理法。與主動(dòng)定位技術(shù)相比，被動(dòng)定位技術(shù)并不發(fā)射聲波，因此具有優(yōu)良的隱蔽性，通常應(yīng)用于軍用艦艇。

(1) 三子陣法

三子陣被動(dòng)測距方法（簡稱：三子陣法）是六十年代后期發(fā)展起來的噪聲測距方法，目前，己經(jīng)成為了實(shí)用化了的被動(dòng)定位技術(shù)。三子陣法一般包括方位法和時(shí)差法，其共同特點(diǎn)是利用間距相當(dāng)長的3個(gè)子陣，子陣本身具有一定的指向性，可獲得良好的空間處理增益。

一般來說方位法測距誤差較大，實(shí)際被動(dòng)聲吶測距常使用時(shí)差法。時(shí)差法常利用3個(gè)子陣，測量波陣面的曲率來完成對(duì)目標(biāo)距離的估計(jì)。影響時(shí)差法測距精度的因素主要有時(shí)延估計(jì)精度、目標(biāo)距離、方位、基陣孔徑、基陣安裝精度、信號(hào)強(qiáng)度等。

但是，三子陣定位方法對(duì)水聲信道進(jìn)行了簡化，三子陣系統(tǒng)是在同一平面內(nèi)進(jìn)行定位的，它不考慮信道聲速的垂直分布，也不考慮信道的多途效應(yīng)。不過這種定位方法算法簡單，而且對(duì)近距離聲源定位能達(dá)到較高的精度，目前在工程上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

(2) 水下GPS定位

水下GPS技術(shù)的設(shè)計(jì)靈感來自于GPS，該技術(shù)可以用于潛艇定位，進(jìn)行爆炸軍火處理，還能用于水雷對(duì)抗許多領(lǐng)域。水下GPS利用空間GPS系統(tǒng)在海洋中布放一系列聲納浮標(biāo)，形成網(wǎng)格，在水面用空間GPS，在水下用水聲通信。

法國的ASCA公司已經(jīng)開發(fā)了用水下全球定位系統(tǒng)進(jìn)行搜索與救援的系統(tǒng)，它可以利用水下的GPS信號(hào)確目標(biāo)的三維坐標(biāo)，進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)分析。該系統(tǒng)可以用于跟蹤水下的飛機(jī)或潛艇中黑匣子的聲波發(fā)器，從而找到目標(biāo)。系統(tǒng)包括GPS浮標(biāo)，控制站及聲波發(fā)送器。浮標(biāo)下有水聽器，浮標(biāo)通過水面上的三個(gè)天線與指揮、控制、通信等系統(tǒng)聯(lián)系。利用目標(biāo)發(fā)射的信號(hào)與浮標(biāo)接收信號(hào)的時(shí)間延遲得到浮標(biāo)和目標(biāo)的相對(duì)位置，同時(shí)，利用分GPS接收機(jī)能精確測量出浮標(biāo)的精確位置。

(3) 匹配場處理法

匹配場聲源定位是國際上新興的水聲定位方法，它根據(jù)海洋聲信道性，在聲場建模的基礎(chǔ)上，運(yùn)用一定的匹配場處理算法反演聲源位置。匹配場定位技術(shù)充分利用了海洋信道特點(diǎn)來反演聲源位置，因此它可以有效消除信道對(duì)定位的影響，它的定位精度比傳統(tǒng)的被動(dòng)定位精度高。

匹配場定位的被動(dòng)原理。匹配場定位首先將水聽器陣列接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過傅立葉變換后計(jì)算頻域協(xié)防方差矩陣。假設(shè)聲場中某一位置有目標(biāo)，已知海洋聲場環(huán)境參數(shù)時(shí)，利用現(xiàn)有的聲場模型可以計(jì)算出該目標(biāo)聲源產(chǎn)生聲信號(hào)在接收水聽器陣列處的聲場值，通常稱之為拷貝場向量。最后將拷貝場向量和測量信號(hào)的協(xié)方差矩陣進(jìn)行匹配運(yùn)算從而輸出定位模糊表面，如果實(shí)際目標(biāo)位置與假設(shè)聲源位置一致，則匹配處理器有最大值輸出，這樣從定位模糊表面上可以讀出目標(biāo)的位置。

匹配場定位有兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，一是拷貝聲場的計(jì)算，二是匹配處理器的設(shè)計(jì)?？截惵晥隹衫矛F(xiàn)有的聲場模型計(jì)算得到。現(xiàn)有的聲場模型主要有簡正波模型、聲線模型、拋物方程模型等。其中，最常用的2種傳播模型是射線模型和簡正波模型。射線模型具有簡捷、直觀的特點(diǎn)，適用于描述深海聲場。在淺海存在嚴(yán)重的多途和較強(qiáng)的海底散射，射線模型不再適用。簡正波模型考慮了各種海底邊界的影響，適用于研究淺海、低頻的聲傳播問題。目前聲傳播模型的研究主要集中在快速、高精度的聲場模型的研究上。

匹配處理器就是將拷貝場與實(shí)測聲場進(jìn)行匹配運(yùn)算的算法，從理論上來說，匹配場處理器是傳統(tǒng)的陣列信號(hào)處理的波束形成概念的推廣，因此，很多傳統(tǒng)的陣列處理方法都可以用于匹配場處理，而且人們已經(jīng)證明其中的很多方法是很有效的。按照匹配場處理器的權(quán)向量是否與測量數(shù)據(jù)有關(guān)，將其分為線性匹配處理器(CMFP)和自適應(yīng)匹配處理器(AMFP)。常用的MFP處理器有線性處理器(Bartlett)、最小方差估計(jì)器(MV)和匹配模處理器(MMP)。隨著人們對(duì)傳播理論研究的深入以及陣處理技術(shù)的飛速發(fā)展，匹配場處理技術(shù)的研究取得了一些突破性的進(jìn)展。

主動(dòng)定位技術(shù)
主動(dòng)定位技術(shù)主要指通過聲應(yīng)答的方式實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)定位，需要設(shè)置聲基陣，并根據(jù)聲基陣的基線長度，主要分為3類，即長基線(LBL)、短基線(SBL)和超短基線(USBL／SSBL)。

(1) 長基線(LBL)定位系統(tǒng)

LBL聲學(xué)定位系統(tǒng)一般由3大部分組成：
安裝在水面母船的數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)；
裝于定位目標(biāo)或母船上的收發(fā)器；
布放在海底的由多個(gè)收發(fā)應(yīng)答器組成的海底基陣。

其中，應(yīng)答器的數(shù)量至少為3個(gè)，并構(gòu)成一定的幾何形狀。因?yàn)椋绻捎?個(gè)應(yīng)答器，便會(huì)產(chǎn)生目標(biāo)的偏離模糊問題，而且不能測量目標(biāo)的水深，所以至少需要3個(gè)海底應(yīng)答器才能得到目標(biāo)的三維坐標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用中會(huì)布設(shè)4個(gè)或更多應(yīng)答器，以提高被測載體上的收發(fā)機(jī)收到不少于3個(gè)應(yīng)答信號(hào)的概率，如接收多于3個(gè)海底應(yīng)答器的信號(hào)則可獲得冗余觀測量，提高測量精度。

應(yīng)答器之間的連線構(gòu)成基線，基線長度一般在幾百米到幾千米之間。在聲學(xué)應(yīng)答模式中，被測載體上的收發(fā)機(jī)向各應(yīng)答器發(fā)出詢問信號(hào)，并接收各應(yīng)答器的應(yīng)答信號(hào)，通過信號(hào)傳播時(shí)延獲得收發(fā)機(jī)至各應(yīng)答器的距離，列出解算方程，最終確定被測載體的三維位置坐標(biāo)。

另外，目標(biāo)上的收發(fā)器和海底基陣陣元大多都集成有溫鹽深儀(CTD)，可以精確獲得測量點(diǎn)的聲速和深度。海底基陣收發(fā)應(yīng)答器大多都集成有聲學(xué)釋放機(jī)構(gòu)，便于基陣布放及回收。除了上述主要部分外，根據(jù)LBL絕對(duì)定位要求，母船上還需安裝水面GNSS定位系統(tǒng)、電羅經(jīng)、聲速剖面儀、姿態(tài)補(bǔ)償裝置等外圍支持設(shè)備。

長基線系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：定位精度高，與工作水深無關(guān)。

長基線系統(tǒng)缺點(diǎn)：系統(tǒng)復(fù)雜，操作繁瑣；聲基陣數(shù)量大，費(fèi)用昂貴；需要長時(shí)間布設(shè)和回收海底基陣；需要詳細(xì)對(duì)海底聲基陣校準(zhǔn)測量，耗費(fèi)大量的時(shí)間。

(2) 短基線(SBL)定位系統(tǒng)

與長基線定位系統(tǒng)不同，短基線定位系統(tǒng)的定位基元布置在船底，通常由3個(gè)以上換能器組成，換能器的陣形為三角形或四邊形，組成基陣?；囬L度一般在幾米到幾十米之間，各換能器之間的相互關(guān)系精確測定，組成基陣坐標(biāo)系。

短基線系統(tǒng)的測量方式是由一個(gè)換能器發(fā)聲，所有換能器接收，通過測量聲波在應(yīng)答器與發(fā)射基元之間的傳播時(shí)間來確定斜距；通過各基元接收應(yīng)答器信號(hào)的時(shí)間差來解算目標(biāo)的方位，進(jìn)而推算出應(yīng)答器的相對(duì)坐標(biāo)。系統(tǒng)根據(jù)基陣相對(duì)于船坐標(biāo)系的固定關(guān)系，配以垂直參考單元(VRU)、羅經(jīng)(Gyro)、參考坐標(biāo)系統(tǒng)(GPS)等外部傳感器，以獲取船的位置、姿態(tài)、船艏向等輔助信息，最終計(jì)算得到應(yīng)答器的大地坐標(biāo)。

短基線定位系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)組成簡單，便于操作，不需要組建水下基線陣，測距精度較高；

短基線定位系統(tǒng)缺點(diǎn)：需要在船底布置3個(gè)以上的發(fā)射接收器，要求具有良好的幾何圖形，這對(duì)船只提出了更高的要求，在深水區(qū)為了達(dá)到更好的定位精度需要加大船底基線的長度，整個(gè)系統(tǒng)需要做大量的校準(zhǔn)工作，系統(tǒng)的定位精度與水深和工作距離密切相關(guān)，水深越大，工作距離越大，則系統(tǒng)的定位精度越低。

(3) 超短基線(USBL／SSBL)定位系統(tǒng)

與前兩種不同，超短基線定位系統(tǒng)的基陣長度一般在幾厘米到幾十厘米的量級(jí)，它利用各個(gè)基元接收信號(hào)間的相位差來解算目標(biāo)的方位，通過測量聲波在應(yīng)答器與基陣之間的傳播時(shí)間來確定斜距。超短基線定位系統(tǒng)一般需要3個(gè)以上的換能器基元裝入一個(gè)部件中，組成基陣，并安裝在水面的船體上，基陣坐標(biāo)系與船的坐標(biāo)系之間的關(guān)系要在安裝時(shí)精確測定。系統(tǒng)也需要配有垂直參考單元(VRU)、羅經(jīng)(Gyro)、參考坐標(biāo)系統(tǒng)(GPS)等外部傳感器。

水面基陣的一個(gè)換能器向水下應(yīng)答器發(fā)射詢問信號(hào)，通過測量對(duì)比不同換能器基元接收的同一個(gè)應(yīng)答信號(hào)之間的相位差確定應(yīng)答器的方位，從而可以確定應(yīng)答器相對(duì)于船體的方位。換能器與應(yīng)答器的距離通過測定聲波傳播的時(shí)間，再用聲速剖面修正確定距離，從而獲取應(yīng)答器的相對(duì)坐標(biāo)。將水面船載GPS與超短基線定位系統(tǒng)相結(jié)合，能夠準(zhǔn)確判斷水下應(yīng)答器的精確位置。

超短基線定位系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)成簡單，操作方便，不需要組建水下基線陣，便于大范圍機(jī)動(dòng)作業(yè)；

超短基線定位系統(tǒng)缺點(diǎn)：需要做大量的校準(zhǔn)工作，系統(tǒng)的定位精度與水深和工作距離密切相關(guān)，水深越大，工作距離越大，則系統(tǒng)的定位精度越低。

（4）小結(jié)

長基線定位(LBL)的定位精度最高，但是水底布設(shè)高精度定位已知點(diǎn)的施工難度大且費(fèi)用較高，一般使用在石油平臺(tái)監(jiān)測、水下考古打撈等需要高精度定位的工程。

短基線定位（SBL)需要對(duì)船體進(jìn)行改造，才能放置換能器基陣，對(duì)船只的要求使短基線的應(yīng)用受一定的限制。

相比長基線定位(LBL)和短基線定位(SBL)，超短基線聲學(xué)定位系統(tǒng)(USBL)的優(yōu)勢是很明顯的：只需要在船舶上安裝一個(gè)換能器及其聲基陣，就可以提供高精度的聲學(xué)定位，并與GPS/INS定位技術(shù)相結(jié)合，即可實(shí)現(xiàn)相對(duì)定位與絕對(duì)定位的轉(zhuǎn)換，直接為定位目標(biāo)提供高精度、高可靠性的大地經(jīng)緯度坐標(biāo)。GPS+INS+USBL的組合導(dǎo)航定位方式，即使是在衛(wèi)星信號(hào)短暫失鎖的情況下，也可保證水下目標(biāo)(ROV、AUV、潛水員)連續(xù)不斷的高精度定位需求。

應(yīng)用方向

(1) 軍事

由于潛艇和深海探測技術(shù)的發(fā)展，水下目標(biāo)的精確定位就顯得額外的重要，潛艇、水面艦艇的調(diào)遣、作戰(zhàn)航行都離不開導(dǎo)航定位，利用水聲定位、GPS、慣性導(dǎo)航的組合定位系統(tǒng)可對(duì)水下各類有人、無人潛器進(jìn)行水下定位和導(dǎo)航，配合多波束、側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶等，可探測敵方目標(biāo)位置和三維地圖等。

(2) 海洋考察和海底打撈

遙控潛水器(ROV)/水下機(jī)器人(AUV)等水下潛器被廣泛應(yīng)用于生物、礦石的采樣，海底環(huán)境信息采樣與地形勘探之中。水聲定位系統(tǒng)還可監(jiān)測引導(dǎo)ROV/AUV進(jìn)行海底沉船、失事飛機(jī)殘骸的搜索、打撈作業(yè)。如我國“蛟龍”號(hào)載人潛水器的水下定位就主要依靠：USBL和LBL定位系統(tǒng)。

(3) 海洋工程

水聲定位系統(tǒng)在鉆井船和浮式平臺(tái)等海洋工程裝備中也得到廣泛應(yīng)用，如海上油田的電纜定位、管線鋪放、管線測量等都需要用到水下定位技術(shù)。


長基線水聲定位系統(tǒng)的基陣長度一般在幾百米到幾千米的量級(jí)，它通過測量水下目標(biāo)聲源到各個(gè)基元間的距離來確定目標(biāo)的位置。短基線水聲定位系統(tǒng)的基陣長度一般在幾米到幾十米的范圍，它通過測量目標(biāo)發(fā)出的信號(hào)達(dá)到各接收基元的時(shí)間差，解算目標(biāo)的方位和距離。超短基線水聲定位系統(tǒng)的基陣長度一般在幾厘米到幾十厘米的范圍，它與前兩種不同，利用各個(gè)基元接收信號(hào)間的相位差來解算目標(biāo)的方位。