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。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, 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。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。 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

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士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

      使用鋼卷尺標定多維運行控制機構軌道刻度, 分辨率為0.01 m,距離為0~180 m；通過轉接法蘭盤將水聲定位儀換能器豎直固定于左側多維運行控制機構升降套筒下端,旋轉水平桿折疊轉軸使水聲定位儀換能器置于水面以下1m處且離岸不小于3m；使用經檢定的聲速剖面儀測量不同水深點聲速,將標準聲速值輸入到水聲定位儀換能器,修正水聲定位儀的聲速參量;同水聲定位儀換能器一樣，將聲信標通過右側多維運行控制機構置于水面以下1 m且保持聲信標離水池邊壁距離與換能器至水池 邊壁的距離相同;保持左側多維運行控制機構位于 軌道零刻度線處,緩慢移動右側多維運行控制機構, 選擇5m,100m,150m作為水聲定位儀斜距的校準 點;記錄水聲定位儀各斜距測得值Z= 10次，取平均值7作為斜距測量值，按式(1)計算斜距示值誤差。 水聲定位儀斜距校準原理如圖4所示。

式中:AL為被校水聲定位儀斜距示值誤差(m) ； i為被 校水聲定位儀斜距測量值(m) ；￡為被校水聲定位儀斜距標準值。

1-行駛軌道；2-軌道刻度；3-左側多維運行控制機構；4-右側多維運行控制機構；5-水池邊壁；6-斜距測量值

圖4斜距校準原理圖

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5m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+Rx3%),其中R表示斜距測量值。

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

5.2合成靈敏度系數

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。

標準斜距為100 m時，測量數據的標準偏差S = 0.32 m,斜距測量重復性所引入的測量不確定度為

5.4合成標準不確定度

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 x u(△l) = 0. 20 m

5.6測最不確定度的報告與表示

水聲定位儀的斜距測量不確定度17 = 0.20 m (4 =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,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。

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