声学多普勒测速技术综述

曹忠义, 孙大军, 张志鑫, 张殿伦, 勇俊

(1.哈尔滨工程大学 水声技术全国重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001; 2.海洋信息获取与安全工业和信息化部重点实验室(哈尔滨工程大学), 黑龙江 哈尔滨 150001; 3.哈尔滨工程大学 水声工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001; 4.海装沈阳局, 黑龙江 哈尔滨 150001)

速度信息是描述物体运动状态的重要参数之一。早在15世纪,人们采用向船外抛圆木方式,通过测量圆木在甲板2个标记点之间的通过时间获取船速[1];时至今日,先后经历了叶轮式、水压式、电磁式以及利用声学原理方式4个发展阶段[2],但是由于前3种方式的测速精度差、抗污染能力弱等原因已逐渐被淘汰。声学原理方式由于能够提供高精度、对流/底的多维速度信息,逐渐成为水面舰船和水下潜航器航速、海流流速传感器的首选[3-4]。

自20世纪50年代,声学测速方式开始被应用,目前已形成多种基于声学原理的测速技术与设备。尤其是进入21世纪以来,随着水声电子、水声物理、水声信号处理技术的发展,国外已有teledyne rd instruments(TRDI)、rowe technologies、sonardyne、sontek、waterLinked等公司推出了系列化成熟的民用和军用声学测速产品,极大推进了相关行业的快速发展。而我国对声学测速技术的研究起步相对较晚[5-7],但在国外高性能产品封锁、技术垄断背景下,近十年也已取得了长足进步。

水下无人技术、海洋科学观测、海洋生物观测与监测、海洋资源勘探与开发等的飞速发展对声学测速技术提出了新需求;声学多普勒测速技术作为一种主流模式,由于测速精度高、稳定可靠等优势而在民用和军用市场占比较大。本文以声学多普勒测速技术为研究对象,梳理国内外研究现状、关键技术,并指出发展趋势,以期能够为相关行业发展和技术研究提供参考和借鉴。

1 声学测速技术分类

声学测速技术主要分为声学相关测速技术和声学多普勒测速技术。二者相比,目前声学多普勒测速以精度高、稳定可靠等优势,占据了绝大部分市场份额。

1.1 声学相关测速技术

声学相关测速技术基于水底散射的“波形不变”原理,利用具有一定波束宽度的发射换能器垂直向海底发射声波,通过安装在平台上的多个水听器接收海底/海水散射回波信号,采用实时相关处理技术实现航速估计[8-10]。不同于声学多普勒测速,声相关测速波束垂直向下照射、波束较宽(波束角通常在几十度范围内),低频时设备尺度不大(如TRDI公司的22 kHz声相关计程仪换能器直径约为0.41 m),适装性好;其缺点在于浅水低速条件下测速误差较大,测速精度受声速变化影响。图1给出了声学相关计程仪一个波束发射和詹纳斯配置多普勒计程仪对比示意。

图1 多普勒测速与声相关测速对比Fig.1 Comparison of Doppler velocimetry and acoustic correlation velocimetry

1.2 声学多普勒测速技术

采用多普勒效应原理,以“笔状”窄波束斜向下方发射声脉冲信号,并以同一波束接收海底/水弱后向散射回波,通过测量其频率变化来确定载体运动/海流速度,如图2所示。测速形式主要包括活塞阵、相控阵和参量阵3种。

图2 声学多普勒测速原理Fig.2 Principles of acoustic doppler velocimetry

1)活塞阵多普勒测速:利用基阵的“笔状”自然指向性波束与水平面存在的夹角来获取多普勒回波信号,通常要求各换能器均与水平面成相同角度,各换能器的发射和接收参数一致,对安装和制作有一定要求。

2)相控阵多普勒测速:通过上千阵元的信号处理方式实现接收和发射波束(如图3)。与常规阵型相比,相控阵具有以下优点[5]:①在波束宽度和工作频率相同的情况下,基阵面积减小约2/3,质量减轻约4/5,适于更小的运载器;②能够从工作机理上消除由水中温度、盐度和深度引起的声速变化对测速精度产生的影响;③平面阵流线型好、不易于海洋生物附着,且受航行水动力噪声影响小。

图3 相控阵与常规阵测速技术对比Fig.3 Comparison of characteristics between conventional and phase control velocimetry technologies

3)参量阵多普勒测速:利用声波在水中非线性作用原理,由2个高频信号的差值产生低频信号。优点是波束宽度由驱动频率而不是参量频率决定,解决了因声波频率降低而基阵尺寸增大的矛盾,这一优点也是其能在窄波束中得到关注的主要原因;但参量阵多普勒测速的缺点是转换效率低,难以实现较大的差频声源级。例如,15 cm直径换能器参量阵模式下的波束宽度为3°@12 kHz(用196 kHz和208 kHz的信号驱动),而相同换能器在12 kHz驱动下的波束宽度为47°[11]。

2 声学多普勒测速技术现状

声学多普勒测速技术的信号处理方法主要分为脉冲非相干、脉冲相干、脉冲宽带和编码宽带4种。本文以处理水体后向散射信号为例,4种方式特点如下:

1)脉冲非相干测速:发射一个单独的、相对较长的脉冲波,然后接收水体中颗粒物或水底对这个脉冲的散射波,并估计发射波与散射波之间的频率改变[1]。如图4所示,在PRT区间内,独立地利用T宽度脉冲信号在h1～h3深度单元产生的非相干回波tx～tx+T;具有作用距离远、时-频分辨率低等特点,但需要折中处理测速精确度与层厚之间的关系,适用于远距离、对测速精度要求不高应用场合。

图4 脉冲非相干测速原理Fig.4 Principle of pulse incoherent velocity measurement

2)脉冲相干测速:发射2组或多组脉冲串信号,通过估计同一深度单元相邻回波信号的相位变化解算速度[12]。如图5所示,利用PRT周期的脉冲串信号在h1～h3深度单元产生的相干回波tx～tx+T、T0+tx～T0+tx+T;能够获得较好的时-频分辨率,存在作用距离近、测速模糊等不足,适用于近程高精度测速应用场合。

图5 脉冲相干测速原理Fig.5 Principle of pulse coherent velocity measurement

3)脉冲宽带测速:发射2组或多组脉冲串信号,利用同一深度单元不同脉冲产生的回波信号,通过估计不同脉冲回波信号的相位变化解算速度[13]。如图6所示,利用T0间隔脉冲串信号在h1～h3深度单元分别产生的回波tx～tx+T、T0+tx～T0+tx+T;避免了脉冲相干测速的不足。

图6 脉冲宽带测速原理Fig.6 Principle of pulse broadband velocity measurement

4)编码宽带测速:将脉冲非相干测速的发射信号用多子脉冲(称为编码单元)代替,通过估计单次回波信号的相位变化解算速度[14]。如图7所示,兼具上述3种测速方式优点,更适合高分辨、远距离的高精度测速场合。

图7 编码宽带测速原理Fig.7 Principle of coded-pulse broadband velocity measurement

2.1 技术演化历程

声学多普勒测速技术的2种应用形式为多普勒计程仪(Doppler velocity log, DVL)DVL和声学多普勒流速剖面仪(acoustic Doppler current profiler, ADCP)ADCP。前者以底跟踪测速为主要目的,以哈佛大学声学研究实验室研制的船用多普勒计程仪为诞生标志[15-16];后者以流速剖面为主要目的,以20世纪60年代Koczy等[17]探索利用声波后向散射测量流速为诞生标志。由于原理相似,半个多世纪以来,二者同步发展、互为支撑。

从演化历程看,声学多普勒测速技术主要经历了窄带测速、宽带测速和相控测速3个阶段:

1)窄带测速阶段。20世纪70年代至80年代初,声学测速的发射信号形式为单频脉冲信号,主要采用脉冲相干和非相干的信号处理方式。回波信号频率估计方面,以脉冲对算法最具代表性。它属于一种加权平均频率估计方法,与传统方法相比,具有运算量小、测频精度高等优点。换能器普遍采用詹纳斯配置的“活塞式”常规阵。代表性的研究机构包括美国阿美特克公司、RDI公司以及法国Thomson公司等。美国最早将窄带测速产品作为标准设备安装在了UNOLS所属的绝大部分大中型调查船上。

2)宽带测速阶段。为解决窄带测速技术的测速精度差、距离分辨低等问题,美国RDI公司与约翰霍普金斯大学应用物理实验室在海军研究室资助下,于1985年开展了小商业创新研究(small business innovation research,SBIR)项目,并分别于1986年、1989年及1991年实现了宽带测速技术可行性研究、原型样机设计与外场测试、商业化应用(推出了Board-Band ADCP产品)。脉冲编码及处理技术是宽带测速的核心。由于Barker码的相关函数具有较低且相对稳定的旁瓣,是目前已知的最优编码信号之一。与窄带测速技术相比,宽带测速技术有效提高了瞬时测速精度和距离分辨力(如图8)。

图8 宽带和窄带测速技术特点Fig.8 Characteristics of broadband and narrowband Doppler velocity technologies

3)相控测速阶段。20世纪90年代中后期,将成熟的相控阵雷达技术引入到声呐产品中,开始了利用相控阵进行多普勒测速技术的研究,并先后实现了窄、宽带测速技术与相控阵技术结合,如RDI公司在1999年推出的Phased Array Ocean surveyor等产品。

2.2 设备发展现状

2.2.1 国外发展现状

目前具有代表性的相关公司及主流设备如下:

美国Teledyne RDI公司:设备包括水利资源型、海洋测量型和导航型三大系列。DVL产品和ADCP产品得到国际公认并广泛应用(如图9、10)。采用宽带编码信号体制确保瞬时测速精度,独有的相控阵测速专利技术确保测速准确度。该公司的相控阵型和常规阵型产品均采用了声学宽带编码测速技术;以300 kHz产品为例,其测速精度可达±0.4%±0.2 cm/s,但受技术封锁限制,允许出口我国的产品测速精度仅为±1.15%±0.2 cm/s。

图9 DVL应用领域Fig.9 DVL applications

图10 ADCP应用领域Fig.10 ADCP applications

美国Rowe Tech公司:2009年成立的美国Rowe Tech公司也推出了系列化的水下高精度导航设备,如常规阵型的SeaPILOT 300 kHz、600 kHz、1 200 kHz、相控阵型的SeaTRAK 150 kHz、75 kHz、38 kHz等。

美国LinkQuest公司:该公司以生产海洋应用水声设备为主,在水下高精度测速导航方面,开发了具有底跟踪功能的NavQuest 300/600常规阵型多普勒速度仪产品,与TRDI公司产品相比,产品在体积、功耗及质量方面稍有优势,但产品种类较少。

随着近年来技术水平、应用需求的不断提高,多普勒测速仪又有了新的发展(如图11所示)。如英国Sonardyne公司和美国TRDI公司先后推出的Syrinx常规DVL、Wayfinder相控DVL,采用宽带与窄带融合处理的“XRT”技术,以牺牲测速精确度换取作用距离提升;挪威WaterLinked推出的DVL A50/A125型浅水常规DVL,采用低成本、低功耗、微小型设计技术,具有一定的市场竞争力;此外,SonTek公司研制的River Surveyor S9常规ADCP,采用9个声学基阵,其中1个基阵形成垂方波束,8个基阵实现高频和低频流速剖面功能,高频信号提高浅水测速精度、低频信号提高流剖面深度;RTI公司研制的Sea Surveyor 3相控式产品,采用双频复合相控阵技术,也同样实现了高、低频ADCP功能。

图11 近年多普勒测速仪代表性产品Fig.11 Representative products of Doppler velocimetry in recent years

2.2.2 国内发展现状

国内对声学多普勒测速技术的研究始于20世纪80年代,目前已经具有一定的自主创新能力,研究机构主要包括中国科学院声学研究所、哈尔滨工程大学、杭州应用声学研究所、广州中海达卫星导航技术股份有限公司等,本文主要介绍前两者。

中国科学院声学研究所自20世纪80年代开始了声学多普勒测速技术研究,在国家“863”、重点研发计划等项目支持下,重点围绕声学常规测速技术开展工作,产品谱系已基本建立,着重服务于民用领域,主要包括河流航道测量、海洋流速剖面测量等。图12为2型代表性常规自容式ADCP产品。

图12 2型常规自容式ADCPFig.12 Two types of conventional self-contained ADCP

哈尔滨工程大学田坦等自20世纪90年代开始了声学多普勒测速技术研究,重点围绕声学相控测速技术开展工作,经过30余年的发展,产品谱系化已基本建立,主要涵盖水下自主导航测速、海洋流速剖面观测、海浪谱估计等。图13为哈尔滨工程大学相控测速技术发展历程。

图13 哈尔滨工程大学相控测速技术发展Fig.13 Phased array Doppler velocity technological development history of Harbin Engineering University

1)探索性阶段。在中国船舶基金支持下,通过深化相控测速理论研究,于1996年研制出国内首台相控多普勒计程仪原型机(240 kHz),并通过航模水池和湖上跑船验证了相控机理可行性。

2)第1代技术。2005-2012年,在“973”、国防基础科研等项目支持下,围绕水面舰船导航系统升级和水下潜航器自主导航需求,于2005年研制出当时国际上频率最高、尺寸最小的相控多普勒计程仪工程样机(300 kHz),在此基础上,突破高频微小型相控阵设计、大功率相控发射和低噪声多通道相控接收等关键技术,解决了高航速、大机动等条件下的声学测速难题,2009年研制出水面舰船用相控多普勒计程仪(HEU300型@300 kHz),2012年研制出水下潜航器用多普勒计程仪(HEU150型@150 kHz)。

3)第2代技术。2012-2017年,围绕新一代自主导航能力需求,解决了极低信噪比下的回波检测、时变信道下的声学信号自适应控制、非平稳信号的精确频率估计、深海耐压阵设计等问题,先后研制出HEU150-II型和HEU300-II型相控阵多普勒计程仪,声学导航精度和稳健性得到大幅提升,并具备了6 000 m潜深下的声学导航能力。

4)第3代技术。2017至今,面向深远海未知复杂环境下的高精度水声导航需求,进一步突破基于声学环境感知的测速准确度动态补偿、基于回波统计特性的测速精确度在线评价、宽带波形优化、微小型系统设计与实现等关键技术,健全了相控阵测速谱系(包括45 kHz、60 kHz、120 kHz、150 kHz、300 kHz和600 kHz)。

经过了3代技术积累,已建立起具有完全自主知识产权的声学相控多普勒测速技术体系、形成谱系化产品,累计实现超800余套应用。

图14为代表性相控多普勒测速设备:自容式(HEU-150型、HEU-300型和HEU-600型)、分体式(HEU-045型),长期测速精度均优于0.5%±0.2 cm/s、0.4%±0.2 cm/s、0.2%±0.2 cm/s和0.8%±0.4 cm/s。

图14 相控多普勒测速设备Fig.14 Phased array Doppler velocity log

3 声学多普勒测速关键技术

3.1 声学测速波形设计技术

多普勒测速技术的2个重要阶段迭代是以测速波形更新为标志,波形设计问题是提升声学多普勒测速性能的关键技术之一。尽管宽带信号已经引入多普勒测速声呐多年,但由于测速波形设计理论的不完善,可用的波形形式较少,目前常用的测速波形仍以m序列、Barker码等二相编码信号为主。

文献[18-19]分析认为,具有优良自相关性能的测速波形能够有效提高多普勒测速精度,并基于样本的协方差矩阵推导出理想宽带信号的估计性能上限,这为宽带波形设计提供了理论依据;在此基础上,文献[20]进一步分析了相位编码信号参数(如编码阶数、重复次数、测频时延等)对流速估计误差影响,文献[21]进行了相位编码参数对底跟踪测速性能影响的外场实验验证。上述工作对于脉冲对算法下波形设计的物理意义做了很好的阐述,但尚未建立宽带波形参数与多普勒频率估计性能的定量关系。借鉴雷达、通信等领域系列研究成果,文献[22-23]围绕流跟踪测速波形优化设计问题进行了初步探索,推导了流跟踪测速信号波形与自噪声引起的测频方差之间的定量关系,并以此建立了波形设计准则,设计出多相编码信号,完成了波形优化效果的仿真验证;哈尔滨工程大学研究人员进一步利用底跟踪回波信号产生机理,分别从波形相关旁瓣能量[24]和波形模糊函数旁瓣能量2个方面,推导出基于脉冲对算法的底/流跟踪测频方差上限与宽带波形参数之间的定量关系,建立了底跟踪波形优化设计准则,并分别运用波形选择和波形综合优化2种方法设计出相位优化编码(optimized phase coded,OPC)信号和频率优化编码(optimized frequency coded,OFC)信号,仿真和实验结果验证了波形优化方法的有效性,为声学多普勒测速系统优化提供了指导;表1和表2为m序列、优化相位波形和优化调频波形在湖上结果对比,分别对应底跟踪和流跟踪测速。此外,为进一步扩大声学多普勒最大跟踪深度,并兼顾瞬时测速精度,美国TRDI、Sonardyne等公司提出了一种“XRT”技术,采用宽-窄带混合作业模式,利用自适应窄带跟踪滤波提升SNR,在频率和功耗不变情况下,将系统作用距离提升60%,是一种新的尝试[25-26]。

表1 不同波形多普勒估计精度(1σ)

3.2 声学测速误差标校技术

图15 误差标校环节Fig.15 Error calibration process

3.2.1 基阵坐标系标校

早期研究聚焦于引起导航误差的主要因素,即航向安装偏角及速度比例因子。文献[27-28]分别提出以速度误差和航迹误差最小为准则的最小二乘标定方法,较好地解决了单一航向角安装偏角及速度比例因子问题。随着对导航精度要求的进一步提高,横摇及纵摇安装偏角也不可被忽略,为了解决三维安装偏角的标定,不少新的标定方法被提出。文献[29]提出了一种基于奇异值分解的标定方法,该方法将速度误差进行奇异值分解,借助旋转矩阵为正交阵这一性质求解最小速度误差下的旋转矩阵。文献[30]提出了四元数标定方法,将旋转误差与比例误差分离,用四元数代替旋转误差,进而求解出令速度误差最小的旋转矩阵及速度比例因子,该方法降低了计算量。文献[31]提出了一种罗德里格矩阵法,使用反对称阵构建罗德里格矩阵,并以此来代替旋转矩阵,进行求解,解决了大角度线性化近似而导致的标校精度下降问题。文献[32]则是从自适应识别的角度,给出了一个精确自适应识别符,并用于解决DVL的标定问题,该方法与SVD精度相当。

为解决水下航行器不能连续接收卫星信息问题,文献[33]提出了一种两点标定方法,只需在标定过程中接收数次卫星数据,即可完成对2个安装偏角及比例因子的标定。为了应对更为恶劣的环境,文献[34]提出了2种无需任何外部传感器的标定方法,仅需基于SINS与DVL的速度或加速度误差公式,便可得到旋转矩阵。此外,文献[35]提出了一种在线标定方法,在进行组合导航时,将安装偏角作为状态量,以DVL速度误差为量测量,借助Kalman滤波器标定得到3个安装偏角。另一方面,也有研究更多关注标定模型进,文献[36]认为仅考虑安装偏角及速度比例因子是不够的,还需考虑DVL测量速度的常值误差。

3.2.2 径向坐标系标校

面向更高精度测速和复杂环境作业需求,声呐径向偏角是不容忽视的一个误差源,近年来已有学者关注到此问题。文献[37]在四波束径向空间角相同假设下,提出了一种基于四元数的多级迭代标定方法。然而受机械加工、安装工艺等影响,实际径向空间角误差并不完全相同,为此,我们提出了一种基于Kalman滤波的径向波束角组合标定方法,将比例因子误差归结为空间角误差,并根据径向波束角误差在导航中的传递关系,建立了波束角误差与速度误差的观测方程;在此基础上,借助陀螺和加表信息,实现了波束角均存在误差情况下的组合滤波估计;图16为通过组合导航评估基阵坐标系和径向坐标系标校结果的跑船试验情况,外场实验初步验证了方法的有效性及优势。

图16 径向标定结果的组合导航验证Fig.16 Integrated navigation verification of radial calibration results

3.3 声学测速性能评价技术

准确度和精确度是衡量声学多普勒测速性能的2个重要指标。准确度(也称长期精度、测速偏差)是指测速信息的统计学偏差,即利用大量统计平均剔除随机误差后的剩余误差;精确度(也称瞬时测速精度)可以简单理解为测速方差,反映了在测量速度统计平均值附近的随机起伏。准确度和精确度的有效评价,尤其是在线定量评价能力,是工程应用需要关注的问题。

3.3.1 声学测速的准确度评价

对于准确度的评价问题,目前普遍采用外场船载或室内有轨拖车方式,用匀速直航状态下的声学多普勒测速均值与基准速度(如卫星导航系统输出速度或拖车速度)误差的百分比表示;然而声呐时变参量多且耦合性强,目前技术指标描述均是一定作业环境条件下的性能下限值,如±0.4%±0.2 cm/s@300 kHz,仅有少量文献定性探讨了测速准确度问题[38-39]。直到2018年,美国TRDI公司的Taudien等通过多普勒相位加权仿真方式,利用曲线拟合描述了准确度与基阵类型、基阵孔径、波束倾角、海深、吸收系数、海底地质等因素之间的定量关系[40];由于无法从物理层面表述各参量与准确度的定量关系,偏差产生机理尚不清晰,不能用于在线定量描述声学测速准确度。针对此不足,哈尔滨工程大学通过将底散射回波视为线性时变信道对发射信号的响应,推导出海底回波多普勒谱的解析式,并用一阶谱矩给出了准确度与环境因素(海底底质、声吸收系数等)定量关系为:

明确了测速偏差产生的物理机理,式中ε为散射强度变化参数,β为声吸收参数,H为换能器距海底散射平面高度,α0为波束中心角,Δ1为波束指向性参数,γ为与速度有关的参量,U为与航速、α0等有关的参量;测速准确度曲线如图17。在此基础上,利用回波亮点建模方法,根据亮点统计特性和有偏性的关系,提出了提高准确度的抑制方法,并得到初步应用,为高精度水声导航、海洋信息观测等提供了理论支撑。

图17 测速准确度曲线Fig.17 Speed measurement accuracy curve

3.3.2 声学测速的精确度评价

预测和估计声学测速的精确度一直是多普勒测速机理研究的重要内容之一。精确度与工作频率、波束配置、编码信号、环境噪声、航行速度等密切相关。关于精确度预测问题,由于多普勒雷达和声呐的统计特性有许多相似之处,相关文献揭示的原理在声呐领域依然适用,如文献[41-42]分别研究了独立脉冲对和相关脉冲对的多普勒雷达测速问题,得到谱均值的方差理论公式,奠定了声学多普勒测速精确度研究的基础;在此基础上,文献[43]推导了窄带测流的cramér-rao下界(CRLB)、文献[44]研究了宽带测速精确度的预测、文献[45]提出了一种通过估计协方差的实部和虚部对应的特征函数,再进行傅里叶逆变换来预测谱均值方差的方法。关于精确度估计问题,同样受到声呐时变参量多且耦合性强限制,精确度并非恒定,在线估计难度较大,目前主要采用后置处理方式,即用匀速直航状态下的速度标准差代替;近年来的一些研究成果为精确度估计理论发展提供了参考,归纳总结:

方法1:基于速度场一致性的精确度估计。以四波束冗余配置测速为例,2个轴线波束各能获得一个垂向速度,理论上的2个垂向速度应该相同;美国TRDI公司用2个垂向速度之间的差异作为测速精确度的在线评价指标[46];但该方法是建立在四波束构建的速度场均匀一致假设下,利用垂向速度差异值间接评价三维速度精确度,限制了实际应用效果;实验数据应用效果如图18。

图18 基于速度场一致性的精确度估计,2016年渤海水面船载实验结果Fig.18 Accuracy estimation based on velocity field consistency: results of shipborne experiments on the Bohai Sea surface in 2016

方法2:基于变分统计推断的精确度估计。真实速度信息的随机变化过程可以采用典型运动状态空间模型(如匀速、加/减速等)有效描述,此时的测量速度可描述为真实速度的量测,据此实现真实速度、测速方差的联合统计推断;该方法的主要思想:假设随机变量的先验、后验概率密度都属同一概型(即共轭先验),通过合理配置真实速度、测量速度及测速方差概率密度模型,将概率密度推断问题视为贝叶斯统计问题,通过变分法获得在KL散度最小约束下的概率密度近似解,实现对测速方差的统计推断[47],仿真和湖上实验结果如图19。

方法3:基于波形统计特性的精确度估计。除接收回波直接反映出的时、频域信息,波形统计特性描述了概率密度维度重要的回波性质。我们提出将测速精确度的度量等价于建立波形一阶统计特性、相关特性与脉冲对算法输出速度统计特性的联系。该方法的主要思想:在回波瞬时值正态分布假设下,以相关特性为输入量,应用复正态随机变量统计方法拟合出复相关系数的概率密度分布,经边缘变换将相关系数相位概率密度的方差作为测速精确度的预测估计;南海实验结果如图20。

图20 2020年5月南海船载实验,基于HEU150型验证Fig.20 Ship borne experiment in the South China Sea in May 2020, based on HEU150 validation

相比较而言,方法1和2是从信息处理角度评价,方法1为后置处理,难以反映时变信道下的测速精度变化,方法2的推断过程采用递归形式,符合统计学基本原理又可以确保测速方差实时在线推断,是实现测速精度分析的一种手段,但对平台运动或流速变化模型有一定依赖性;方法3是从波形处理角度,利用当次回波信号统计特性获取速度概率密度,可用于在线评价,此方法依赖对回波信号协方差矩阵的精准建模,已在典型应用环境中得到初步应用。

3.4 声学测速系统检测技术

外场测试是检验声学测速系统性能的重要环节,成本虽高,但检验最为充分;如何解决批量应用中的低成本有效检测问题一直为人们所关注。目前普遍采用的方式有室内水池拖车测试(如图21)、半实物仿真测试2种。

图21 代表性室内水池测试装置Fig.21 Representative indoor water pool testing device

3.4.1 室内水池拖车测试

美国戴维泰勒实验室、USGS等采用室内水池方式,开展了对声学多普勒测速的水层和底跟踪实验,验证了水池测试方法的可行性。美国Teledyne RDI公司利用室内水池开展速度的准确度和精确度测试,其中的准确度采信有轨拖车航程为真值,通过将其与被测试设备速度积分航程比对方式,取得了较好的应用效果;该水池深2 m,拖车速度0～0.3 m/s,有效航程13.308 m[48]。目前,国内的国家水运工程检测设备计量站也已具备了拖车流速计量能力,其流速测量水槽75 m×1.5 m×1.5 m、流速拖车0～2 m/s[49];此外,为了高速水面船用测速设备研发与功能验证需要,中船重工第707研究所九江分部搭建的室内高速回转机构测量系统,通过将角速度转变成线速度,具备了4～40 kn、速度控制精度0.2% FS的动态测速试验能力[50]。相比于湖、海船载测量方式,室内水池拖车测试方便,但存在航程、航深和航速受限等不足。

3.4.2 半实物仿真测试

水池拖车方式要求水槽足够长、且具有一定深度,对于流速测量还需要水体有足够浓度的均匀散射体,且水槽壁面要求做吸声处理以减小测量误差,这在一定程度上限制了水池拖车测试的应用范围。为此,人们开始关注陆上半实物仿真测试,代表性的测试方法包括活塞型和相控型半实物仿真测试。

1)活塞型半实物仿真测试。活塞型半实物仿真测试原理相对简单,基本思想是模拟4个具有多普勒频移、时延等信息的回波信号,利用换能器将模拟信号耦合到被测试活塞换能器中,通过对比被测试设备返回值与预设值达到检测的目的。加拿大贝德福德海洋研究所[51]、海军工程大学[52]、中科院声学所[53]等先后研制出声对接装置,一定程度上解决了批量生产和陆上检测过程中的功能性测试问题。

2)相控型半实物仿真测试(如图22)。相控阵是由上千个独立阵元按照一定顺序排列组成,各阵元之间是通过相移补偿的方式实现4个相控波束,半实物仿真测试复杂度超过活塞型,分析相控阵模拟声回波信号形式以及寻找有效的声信号耦合方式是关键。文献[54]借鉴活塞型半实物仿真思想,采用16个发射换能器和1个接收换能器与相控阵平面对接,其中接收换能器用来检测相控阵的发射信号以获取发射时刻,16个发射换能器用来模拟产生测速仪的回波信号,4个发射换能器为一组,对应一个相控波束,采用分时发送的方式交替发送4个波束方向的回波信号。文献[21-55]提出了一种相控对接阵测试方法,在不拆卸情况下对相控阵型测速仪进行检测,基阵PA I为已安装在航行器中的测速仪相控阵,基阵PA II用于模拟基阵PA I的回波信号;该方法利用与测速仪布阵方式相同的声学基阵,按照相控接收相移方式输出模拟回波信号;目前该方法已完成500余台设备的出厂测试。

图22 半实物仿真示意Fig.22 Semiphysical simulation testing device

4 技术展望

进入21世纪,美国、日本、欧盟等国家和地区竞相围绕海洋资源开发、海洋防务安全等制定海洋战略;我国是背陆面海的海洋大国,实施“发展海洋经济,保护海洋生态环境,加快建设海洋强国”的战略部署,需要水声导航、海洋监测等能力支撑,声学多普勒测速技术是其中一个环节。发展基于环境感知的新一代声学多普勒测速技术、声学与惯性一体化导航技术、面向不同作业场景的完备技术体系等将是未来技术发展的重点。

4.1 发展基于环境感知的新一代声学多普勒测速技术

任何声呐设备性能都是与环境密切相关的,而水声环境效应存在不确定性。边界条件的不确定性:海面和海底受到气候条件或者其他条件的影响非常大,如风、雨等造成的海浪;天体引力引起的潮汐运动;大洋环流、潮流产生的海面及海水流动,以及由于海流、地质运动所造成的海底底质、地形的变化,这些均导致水声界面是动态的、瞬息万变的。传播过程引起的不确定性:声波在海水中的损失、以及在海底的声散射损失、衰减损失也造成不确定性;声波在海底沉积层中的衰减及海底散射损失和沉积层的物理性质、孔隙度等关系密切,而海底的声散射损失、衰减损失是海洋中声场分析和声呐性能分析的重要环境参数;在不同海区或同一海区的不同时间,受到海洋环境影响,声呐性能不是某一确定值,在测量和掌握一定的水声环境数据之后,需要通过一系列的水声模型对声呐各参数做出估计,以优化声呐输出。发展新一代基于环境感知的声学多普勒测速技术,明确水声环境因素与速度误差定量关系、建立时变环境影响下的测速误差模型、提出测速误差的在线估计与补偿方法、实现海洋声学多普勒测速技术由“环境适应设备”转为“设备适应环境”,对于提升水声导航、海洋信息获取等能力,具有重要的意义[57-61]。

4.2 发展面向深远海复杂环境的声学与惯性一体化导航技术

随着水下无人装备实际应用的不断推进,未来水下无人装备将向着更远、更深、更强、更灵活以及更智能的方向发展[62],要求水下作业时间越来越长、活动范围逐渐扩大、操控精度越来越高,导航系统对其航行安全和战斗力提升意义重大。受声波在海水中的传播速度限制,水声测速技术提供的数据更新率较低(深海情况尤其如此),数据也较容易受到污染;面对深远海未知复杂环境,聚焦大机动、高海况等条件下制约自主导航精度提升的若干难题,在已有声学与惯性组合导航基础上,从声学层面挖掘组合导航潜力,发挥其水声环境感知、误差在线估计与补偿等优势,发展面向深远海复杂环境的声学与惯性一体化稳健导航技术,研制一体化免标校、高精度、小尺寸导航设备,是水下潜航器提升自主导航能力的有效手段之一。

4.3 发展面向不同作业场景的声学多普勒测速完备技术体系

针对自主导航、海洋信息获取、航道测量、管道流量/沉积物浓度监测等不同作业场景作业特点,健全声学多普勒测速技术体系。

自主导航方面:测量平台对地绝对或对水相对的三维速度。1)水面舰船导航系统重要组成:为导弹提供初始速度信息、为惯导提供阻尼信息等;2)水中兵器导航系统重要组成:为惯导提供阻尼/组合信息。

信息获取方面:遥测大深度范围内不同水层的海流信息。1)在深海:服务于油气矿产开发、生物环境观察、洋流科学考察;2)在近海:服务于海浪监测、渔业养殖、海底管道铺设、海岸工程建设与环境监测等;3)在军事:服务于猎扫雷、援潜救生作业等。

水文监测方面:海洋流速剖面应用扩展,服务于淡水渔业研究、河流流速/流量监测、河流航道安全、桥梁冲刷测量以及洪水预警等。

其他方面:作为海洋流速剖面应用扩展,服务于管道流速、流量测量、水体浑浊度、悬浮泥沙含量等监测等。

5 结束语

海洋约占地球总面积的71%,事关国家安全、资源开发和科学探索重大战略利益;声学多普勒测速技术作为一种重要的水下速度信息获取方式,在其中发挥着重要作用。经过近40年的发展,国内的声学多普勒测速技术取得了长足进步,并逐步由“跟跑”转向“并跑”阶段,产业化进程也在进入快速发展期。面临前所未有的机遇,通过加快产业化、提升设备性能与稳定度、缩小技术可行与商业可用之间差距,实现国产声学多普勒测速技术与设备新突破。