聲學多普勒測速技術綜述

曹忠義, 孫大軍, 張志鑫, 張殿倫, 勇俊

(1.哈爾濱工程大學 水聲技術全國重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150001; 2.海洋信息獲取與安全工業和信息化部重點實驗室(哈爾濱工程大學), 黑龍江 哈爾濱 150001; 3.哈爾濱工程大學 水聲工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001; 4.海裝沈陽局, 黑龍江 哈爾濱 150001)

速度信息是描述物體運動狀態的重要參數之一。早在15世紀,人們采用向船外拋圓木方式,通過測量圓木在甲板2個標記點之間的通過時間獲取船速[1];時至今日,先后經歷了葉輪式、水壓式、電磁式以及利用聲學原理方式4個發展階段[2],但是由于前3種方式的測速精度差、抗污染能力弱等原因已逐漸被淘汰。聲學原理方式由于能夠提供高精度、對流/底的多維速度信息,逐漸成為水面艦船和水下潛航器航速、海流流速傳感器的首選[3-4]。

自20世紀50年代,聲學測速方式開始被應用,目前已形成多種基于聲學原理的測速技術與設備。尤其是進入21世紀以來,隨著水聲電子、水聲物理、水聲信號處理技術的發展,國外已有teledyne rd instruments(TRDI)、rowe technologies、sonardyne、sontek、waterLinked等公司推出了系列化成熟的民用和軍用聲學測速產品,極大推進了相關行業的快速發展。而我國對聲學測速技術的研究起步相對較晚[5-7],但在國外高性能產品封鎖、技術壟斷背景下,近十年也已取得了長足進步。

水下無人技術、海洋科學觀測、海洋生物觀測與監測、海洋資源勘探與開發等的飛速發展對聲學測速技術提出了新需求;聲學多普勒測速技術作為一種主流模式,由于測速精度高、穩定可靠等優勢而在民用和軍用市場占比較大。本文以聲學多普勒測速技術為研究對象,梳理國內外研究現狀、關鍵技術,并指出發展趨勢,以期能夠為相關行業發展和技術研究提供參考和借鑒。

1 聲學測速技術分類

聲學測速技術主要分為聲學相關測速技術和聲學多普勒測速技術。二者相比,目前聲學多普勒測速以精度高、穩定可靠等優勢,占據了絕大部分市場份額。

1.1 聲學相關測速技術

聲學相關測速技術基于水底散射的“波形不變”原理,利用具有一定波束寬度的發射換能器垂直向海底發射聲波,通過安裝在平臺上的多個水聽器接收海底/海水散射回波信號,采用實時相關處理技術實現航速估計[8-10]。不同于聲學多普勒測速,聲相關測速波束垂直向下照射、波束較寬(波束角通常在幾十度范圍內),低頻時設備尺度不大(如TRDI公司的22 kHz聲相關計程儀換能器直徑約為0.41 m),適裝性好;其缺點在于淺水低速條件下測速誤差較大,測速精度受聲速變化影響。圖1給出了聲學相關計程儀一個波束發射和詹納斯配置多普勒計程儀對比示意。

圖1 多普勒測速與聲相關測速對比Fig.1 Comparison of Doppler velocimetry and acoustic correlation velocimetry

1.2 聲學多普勒測速技術

采用多普勒效應原理,以“筆狀”窄波束斜向下方發射聲脈沖信號,并以同一波束接收海底/水弱后向散射回波,通過測量其頻率變化來確定載體運動/海流速度,如圖2所示。測速形式主要包括活塞陣、相控陣和參量陣3種。

圖2 聲學多普勒測速原理Fig.2 Principles of acoustic doppler velocimetry

1)活塞陣多普勒測速:利用基陣的“筆狀”自然指向性波束與水平面存在的夾角來獲取多普勒回波信號,通常要求各換能器均與水平面成相同角度,各換能器的發射和接收參數一致,對安裝和制作有一定要求。

2)相控陣多普勒測速:通過上千陣元的信號處理方式實現接收和發射波束(如圖3)。與常規陣型相比,相控陣具有以下優點[5]:①在波束寬度和工作頻率相同的情況下,基陣面積減小約2/3,質量減輕約4/5,適于更小的運載器;②能夠從工作機理上消除由水中溫度、鹽度和深度引起的聲速變化對測速精度產生的影響;③平面陣流線型好、不易于海洋生物附著,且受航行水動力噪聲影響小。

圖3 相控陣與常規陣測速技術對比Fig.3 Comparison of characteristics between conventional and phase control velocimetry technologies

3)參量陣多普勒測速:利用聲波在水中非線性作用原理,由2個高頻信號的差值產生低頻信號。優點是波束寬度由驅動頻率而不是參量頻率決定,解決了因聲波頻率降低而基陣尺寸增大的矛盾,這一優點也是其能在窄波束中得到關注的主要原因;但參量陣多普勒測速的缺點是轉換效率低,難以實現較大的差頻聲源級。例如,15 cm直徑換能器參量陣模式下的波束寬度為3°@12 kHz(用196 kHz和208 kHz的信號驅動),而相同換能器在12 kHz驅動下的波束寬度為47°[11]。

2 聲學多普勒測速技術現狀

聲學多普勒測速技術的信號處理方法主要分為脈沖非相干、脈沖相干、脈沖寬帶和編碼寬帶4種。本文以處理水體后向散射信號為例,4種方式特點如下:

1)脈沖非相干測速:發射一個單獨的、相對較長的脈沖波,然后接收水體中顆粒物或水底對這個脈沖的散射波,并估計發射波與散射波之間的頻率改變[1]。如圖4所示,在PRT區間內,獨立地利用T寬度脈沖信號在h1～h3深度單元產生的非相干回波tx～tx+T;具有作用距離遠、時-頻分辨率低等特點,但需要折中處理測速精確度與層厚之間的關系,適用于遠距離、對測速精度要求不高應用場合。

圖4 脈沖非相干測速原理Fig.4 Principle of pulse incoherent velocity measurement

2)脈沖相干測速:發射2組或多組脈沖串信號,通過估計同一深度單元相鄰回波信號的相位變化解算速度[12]。如圖5所示,利用PRT周期的脈沖串信號在h1～h3深度單元產生的相干回波tx～tx+T、T0+tx～T0+tx+T;能夠獲得較好的時-頻分辨率,存在作用距離近、測速模糊等不足,適用于近程高精度測速應用場合。

圖5 脈沖相干測速原理Fig.5 Principle of pulse coherent velocity measurement

3)脈沖寬帶測速:發射2組或多組脈沖串信號,利用同一深度單元不同脈沖產生的回波信號,通過估計不同脈沖回波信號的相位變化解算速度[13]。如圖6所示,利用T0間隔脈沖串信號在h1～h3深度單元分別產生的回波tx～tx+T、T0+tx～T0+tx+T;避免了脈沖相干測速的不足。

圖6 脈沖寬帶測速原理Fig.6 Principle of pulse broadband velocity measurement

4)編碼寬帶測速:將脈沖非相干測速的發射信號用多子脈沖(稱為編碼單元)代替,通過估計單次回波信號的相位變化解算速度[14]。如圖7所示,兼具上述3種測速方式優點,更適合高分辨、遠距離的高精度測速場合。

圖7 編碼寬帶測速原理Fig.7 Principle of coded-pulse broadband velocity measurement

2.1 技術演化歷程

聲學多普勒測速技術的2種應用形式為多普勒計程儀(Doppler velocity log, DVL)DVL和聲學多普勒流速剖面儀(acoustic Doppler current profiler, ADCP)ADCP。前者以底跟蹤測速為主要目的,以哈佛大學聲學研究實驗室研制的船用多普勒計程儀為誕生標志[15-16];后者以流速剖面為主要目的,以20世紀60年代Koczy等[17]探索利用聲波后向散射測量流速為誕生標志。由于原理相似,半個多世紀以來,二者同步發展、互為支撐。

從演化歷程看,聲學多普勒測速技術主要經歷了窄帶測速、寬帶測速和相控測速3個階段:

1)窄帶測速階段。20世紀70年代至80年代初,聲學測速的發射信號形式為單頻脈沖信號,主要采用脈沖相干和非相干的信號處理方式。回波信號頻率估計方面,以脈沖對算法最具代表性。它屬于一種加權平均頻率估計方法,與傳統方法相比,具有運算量小、測頻精度高等優點。換能器普遍采用詹納斯配置的“活塞式”常規陣。代表性的研究機構包括美國阿美特克公司、RDI公司以及法國Thomson公司等。美國最早將窄帶測速產品作為標準設備安裝在了UNOLS所屬的絕大部分大中型調查船上。

2)寬帶測速階段。為解決窄帶測速技術的測速精度差、距離分辨低等問題,美國RDI公司與約翰霍普金斯大學應用物理實驗室在海軍研究室資助下,于1985年開展了小商業創新研究(small business innovation research,SBIR)項目,并分別于1986年、1989年及1991年實現了寬帶測速技術可行性研究、原型樣機設計與外場測試、商業化應用(推出了Board-Band ADCP產品)。脈沖編碼及處理技術是寬帶測速的核心。由于Barker碼的相關函數具有較低且相對穩定的旁瓣,是目前已知的最優編碼信號之一。與窄帶測速技術相比,寬帶測速技術有效提高了瞬時測速精度和距離分辨力(如圖8)。

圖8 寬帶和窄帶測速技術特點Fig.8 Characteristics of broadband and narrowband Doppler velocity technologies

3)相控測速階段。20世紀90年代中后期,將成熟的相控陣雷達技術引入到聲吶產品中,開始了利用相控陣進行多普勒測速技術的研究,并先后實現了窄、寬帶測速技術與相控陣技術結合,如RDI公司在1999年推出的Phased Array Ocean surveyor等產品。

2.2 設備發展現狀

2.2.1 國外發展現狀

目前具有代表性的相關公司及主流設備如下:

美國Teledyne RDI公司:設備包括水利資源型、海洋測量型和導航型三大系列。DVL產品和ADCP產品得到國際公認并廣泛應用(如圖9、10)。采用寬帶編碼信號體制確保瞬時測速精度,獨有的相控陣測速專利技術確保測速準確度。該公司的相控陣型和常規陣型產品均采用了聲學寬帶編碼測速技術;以300 kHz產品為例,其測速精度可達±0.4%±0.2 cm/s,但受技術封鎖限制,允許出口我國的產品測速精度僅為±1.15%±0.2 cm/s。

圖9 DVL應用領域Fig.9 DVL applications

圖10 ADCP應用領域Fig.10 ADCP applications

美國Rowe Tech公司:2009年成立的美國Rowe Tech公司也推出了系列化的水下高精度導航設備,如常規陣型的SeaPILOT 300 kHz、600 kHz、1 200 kHz、相控陣型的SeaTRAK 150 kHz、75 kHz、38 kHz等。

美國LinkQuest公司:該公司以生產海洋應用水聲設備為主,在水下高精度測速導航方面,開發了具有底跟蹤功能的NavQuest 300/600常規陣型多普勒速度儀產品,與TRDI公司產品相比,產品在體積、功耗及質量方面稍有優勢,但產品種類較少。

隨著近年來技術水平、應用需求的不斷提高,多普勒測速儀又有了新的發展(如圖11所示)。如英國Sonardyne公司和美國TRDI公司先后推出的Syrinx常規DVL、Wayfinder相控DVL,采用寬帶與窄帶融合處理的“XRT”技術,以犧牲測速精確度換取作用距離提升;挪威WaterLinked推出的DVL A50/A125型淺水常規DVL,采用低成本、低功耗、微小型設計技術,具有一定的市場競爭力;此外,SonTek公司研制的River Surveyor S9常規ADCP,采用9個聲學基陣,其中1個基陣形成垂方波束,8個基陣實現高頻和低頻流速剖面功能,高頻信號提高淺水測速精度、低頻信號提高流剖面深度;RTI公司研制的Sea Surveyor 3相控式產品,采用雙頻復合相控陣技術,也同樣實現了高、低頻ADCP功能。

圖11 近年多普勒測速儀代表性產品Fig.11 Representative products of Doppler velocimetry in recent years

2.2.2 國內發展現狀

國內對聲學多普勒測速技術的研究始于20世紀80年代,目前已經具有一定的自主創新能力,研究機構主要包括中國科學院聲學研究所、哈爾濱工程大學、杭州應用聲學研究所、廣州中海達衛星導航技術股份有限公司等,本文主要介紹前兩者。

中國科學院聲學研究所自20世紀80年代開始了聲學多普勒測速技術研究,在國家“863”、重點研發計劃等項目支持下,重點圍繞聲學常規測速技術開展工作,產品譜系已基本建立,著重服務于民用領域,主要包括河流航道測量、海洋流速剖面測量等。圖12為2型代表性常規自容式ADCP產品。

圖12 2型常規自容式ADCPFig.12 Two types of conventional self-contained ADCP

哈爾濱工程大學田坦等自20世紀90年代開始了聲學多普勒測速技術研究,重點圍繞聲學相控測速技術開展工作,經過30余年的發展,產品譜系化已基本建立,主要涵蓋水下自主導航測速、海洋流速剖面觀測、海浪譜估計等。圖13為哈爾濱工程大學相控測速技術發展歷程。

圖13 哈爾濱工程大學相控測速技術發展Fig.13 Phased array Doppler velocity technological development history of Harbin Engineering University

1)探索性階段。在中國船舶基金支持下,通過深化相控測速理論研究,于1996年研制出國內首臺相控多普勒計程儀原型機(240 kHz),并通過航模水池和湖上跑船驗證了相控機理可行性。

2)第1代技術。2005-2012年,在“973”、國防基礎科研等項目支持下,圍繞水面艦船導航系統升級和水下潛航器自主導航需求,于2005年研制出當時國際上頻率最高、尺寸最小的相控多普勒計程儀工程樣機(300 kHz),在此基礎上,突破高頻微小型相控陣設計、大功率相控發射和低噪聲多通道相控接收等關鍵技術,解決了高航速、大機動等條件下的聲學測速難題,2009年研制出水面艦船用相控多普勒計程儀(HEU300型@300 kHz),2012年研制出水下潛航器用多普勒計程儀(HEU150型@150 kHz)。

3)第2代技術。2012-2017年,圍繞新一代自主導航能力需求,解決了極低信噪比下的回波檢測、時變信道下的聲學信號自適應控制、非平穩信號的精確頻率估計、深海耐壓陣設計等問題,先后研制出HEU150-II型和HEU300-II型相控陣多普勒計程儀,聲學導航精度和穩健性得到大幅提升,并具備了6 000 m潛深下的聲學導航能力。

4)第3代技術。2017至今,面向深遠海未知復雜環境下的高精度水聲導航需求,進一步突破基于聲學環境感知的測速準確度動態補償、基于回波統計特性的測速精確度在線評價、寬帶波形優化、微小型系統設計與實現等關鍵技術,健全了相控陣測速譜系(包括45 kHz、60 kHz、120 kHz、150 kHz、300 kHz和600 kHz)。

經過了3代技術積累,已建立起具有完全自主知識產權的聲學相控多普勒測速技術體系、形成譜系化產品,累計實現超800余套應用。

圖14為代表性相控多普勒測速設備:自容式(HEU-150型、HEU-300型和HEU-600型)、分體式(HEU-045型),長期測速精度均優于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。

圖14 相控多普勒測速設備Fig.14 Phased array Doppler velocity log

3 聲學多普勒測速關鍵技術

3.1 聲學測速波形設計技術

多普勒測速技術的2個重要階段迭代是以測速波形更新為標志,波形設計問題是提升聲學多普勒測速性能的關鍵技術之一。盡管寬帶信號已經引入多普勒測速聲吶多年,但由于測速波形設計理論的不完善,可用的波形形式較少,目前常用的測速波形仍以m序列、Barker碼等二相編碼信號為主。

文獻[18-19]分析認為,具有優良自相關性能的測速波形能夠有效提高多普勒測速精度,并基于樣本的協方差矩陣推導出理想寬帶信號的估計性能上限,這為寬帶波形設計提供了理論依據;在此基礎上,文獻[20]進一步分析了相位編碼信號參數(如編碼階數、重復次數、測頻時延等)對流速估計誤差影響,文獻[21]進行了相位編碼參數對底跟蹤測速性能影響的外場實驗驗證。上述工作對于脈沖對算法下波形設計的物理意義做了很好的闡述,但尚未建立寬帶波形參數與多普勒頻率估計性能的定量關系。借鑒雷達、通信等領域系列研究成果,文獻[22-23]圍繞流跟蹤測速波形優化設計問題進行了初步探索,推導了流跟蹤測速信號波形與自噪聲引起的測頻方差之間的定量關系,并以此建立了波形設計準則,設計出多相編碼信號,完成了波形優化效果的仿真驗證;哈爾濱工程大學研究人員進一步利用底跟蹤回波信號產生機理,分別從波形相關旁瓣能量[24]和波形模糊函數旁瓣能量2個方面,推導出基于脈沖對算法的底/流跟蹤測頻方差上限與寬帶波形參數之間的定量關系,建立了底跟蹤波形優化設計準則,并分別運用波形選擇和波形綜合優化2種方法設計出相位優化編碼(optimized phase coded,OPC)信號和頻率優化編碼(optimized frequency coded,OFC)信號,仿真和實驗結果驗證了波形優化方法的有效性,為聲學多普勒測速系統優化提供了指導;表1和表2為m序列、優化相位波形和優化調頻波形在湖上結果對比,分別對應底跟蹤和流跟蹤測速。此外,為進一步擴大聲學多普勒最大跟蹤深度,并兼顧瞬時測速精度,美國TRDI、Sonardyne等公司提出了一種“XRT”技術,采用寬-窄帶混合作業模式,利用自適應窄帶跟蹤濾波提升SNR,在頻率和功耗不變情況下,將系統作用距離提升60%,是一種新的嘗試[25-26]。

表1 不同波形多普勒估計精度(1σ)

3.2 聲學測速誤差標校技術

圖15 誤差標校環節Fig.15 Error calibration process

3.2.1 基陣坐標系標校

早期研究聚焦于引起導航誤差的主要因素,即航向安裝偏角及速度比例因子。文獻[27-28]分別提出以速度誤差和航跡誤差最小為準則的最小二乘標定方法,較好地解決了單一航向角安裝偏角及速度比例因子問題。隨著對導航精度要求的進一步提高,橫搖及縱搖安裝偏角也不可被忽略,為了解決三維安裝偏角的標定,不少新的標定方法被提出。文獻[29]提出了一種基于奇異值分解的標定方法,該方法將速度誤差進行奇異值分解,借助旋轉矩陣為正交陣這一性質求解最小速度誤差下的旋轉矩陣。文獻[30]提出了四元數標定方法,將旋轉誤差與比例誤差分離,用四元數代替旋轉誤差,進而求解出令速度誤差最小的旋轉矩陣及速度比例因子,該方法降低了計算量。文獻[31]提出了一種羅德里格矩陣法,使用反對稱陣構建羅德里格矩陣,并以此來代替旋轉矩陣,進行求解,解決了大角度線性化近似而導致的標校精度下降問題。文獻[32]則是從自適應識別的角度,給出了一個精確自適應識別符,并用于解決DVL的標定問題,該方法與SVD精度相當。

為解決水下航行器不能連續接收衛星信息問題,文獻[33]提出了一種兩點標定方法,只需在標定過程中接收數次衛星數據,即可完成對2個安裝偏角及比例因子的標定。為了應對更為惡劣的環境,文獻[34]提出了2種無需任何外部傳感器的標定方法,僅需基于SINS與DVL的速度或加速度誤差公式,便可得到旋轉矩陣。此外,文獻[35]提出了一種在線標定方法,在進行組合導航時,將安裝偏角作為狀態量,以DVL速度誤差為量測量,借助Kalman濾波器標定得到3個安裝偏角。另一方面,也有研究更多關注標定模型進,文獻[36]認為僅考慮安裝偏角及速度比例因子是不夠的,還需考慮DVL測量速度的常值誤差。

3.2.2 徑向坐標系標校

面向更高精度測速和復雜環境作業需求,聲吶徑向偏角是不容忽視的一個誤差源,近年來已有學者關注到此問題。文獻[37]在四波束徑向空間角相同假設下,提出了一種基于四元數的多級迭代標定方法。然而受機械加工、安裝工藝等影響,實際徑向空間角誤差并不完全相同,為此,我們提出了一種基于Kalman濾波的徑向波束角組合標定方法,將比例因子誤差歸結為空間角誤差,并根據徑向波束角誤差在導航中的傳遞關系,建立了波束角誤差與速度誤差的觀測方程;在此基礎上,借助陀螺和加表信息,實現了波束角均存在誤差情況下的組合濾波估計;圖16為通過組合導航評估基陣坐標系和徑向坐標系標校結果的跑船試驗情況,外場實驗初步驗證了方法的有效性及優勢。

圖16 徑向標定結果的組合導航驗證Fig.16 Integrated navigation verification of radial calibration results

3.3 聲學測速性能評價技術

準確度和精確度是衡量聲學多普勒測速性能的2個重要指標。準確度(也稱長期精度、測速偏差)是指測速信息的統計學偏差,即利用大量統計平均剔除隨機誤差后的剩余誤差;精確度(也稱瞬時測速精度)可以簡單理解為測速方差,反映了在測量速度統計平均值附近的隨機起伏。準確度和精確度的有效評價,尤其是在線定量評價能力,是工程應用需要關注的問題。

3.3.1 聲學測速的準確度評價

對于準確度的評價問題,目前普遍采用外場船載或室內有軌拖車方式,用勻速直航狀態下的聲學多普勒測速均值與基準速度(如衛星導航系統輸出速度或拖車速度)誤差的百分比表示;然而聲吶時變參量多且耦合性強,目前技術指標描述均是一定作業環境條件下的性能下限值,如±0.4%±0.2 cm/s@300 kHz,僅有少量文獻定性探討了測速準確度問題[38-39]。直到2018年,美國TRDI公司的Taudien等通過多普勒相位加權仿真方式,利用曲線擬合描述了準確度與基陣類型、基陣孔徑、波束傾角、海深、吸收系數、海底地質等因素之間的定量關系[40];由于無法從物理層面表述各參量與準確度的定量關系,偏差產生機理尚不清晰,不能用于在線定量描述聲學測速準確度。針對此不足,哈爾濱工程大學通過將底散射回波視為線性時變信道對發射信號的響應,推導出海底回波多普勒譜的解析式,并用一階譜矩給出了準確度與環境因素(海底底質、聲吸收系數等)定量關系為:

明確了測速偏差產生的物理機理,式中ε為散射強度變化參數,β為聲吸收參數,H為換能器距海底散射平面高度,α0為波束中心角,Δ1為波束指向性參數,γ為與速度有關的參量,U為與航速、α0等有關的參量;測速準確度曲線如圖17。在此基礎上,利用回波亮點建模方法,根據亮點統計特性和有偏性的關系,提出了提高準確度的抑制方法,并得到初步應用,為高精度水聲導航、海洋信息觀測等提供了理論支撐。

圖17 測速準確度曲線Fig.17 Speed measurement accuracy curve

3.3.2 聲學測速的精確度評價

預測和估計聲學測速的精確度一直是多普勒測速機理研究的重要內容之一。精確度與工作頻率、波束配置、編碼信號、環境噪聲、航行速度等密切相關。關于精確度預測問題,由于多普勒雷達和聲吶的統計特性有許多相似之處,相關文獻揭示的原理在聲吶領域依然適用,如文獻[41-42]分別研究了獨立脈沖對和相關脈沖對的多普勒雷達測速問題,得到譜均值的方差理論公式,奠定了聲學多普勒測速精確度研究的基礎;在此基礎上,文獻[43]推導了窄帶測流的cramér-rao下界(CRLB)、文獻[44]研究了寬帶測速精確度的預測、文獻[45]提出了一種通過估計協方差的實部和虛部對應的特征函數,再進行傅里葉逆變換來預測譜均值方差的方法。關于精確度估計問題,同樣受到聲吶時變參量多且耦合性強限制,精確度并非恒定,在線估計難度較大,目前主要采用后置處理方式,即用勻速直航狀態下的速度標準差代替;近年來的一些研究成果為精確度估計理論發展提供了參考,歸納總結:

方法1:基于速度場一致性的精確度估計。以四波束冗余配置測速為例,2個軸線波束各能獲得一個垂向速度,理論上的2個垂向速度應該相同;美國TRDI公司用2個垂向速度之間的差異作為測速精確度的在線評價指標[46];但該方法是建立在四波束構建的速度場均勻一致假設下,利用垂向速度差異值間接評價三維速度精確度,限制了實際應用效果;實驗數據應用效果如圖18。

圖18 基于速度場一致性的精確度估計,2016年渤海水面船載實驗結果Fig.18 Accuracy estimation based on velocity field consistency: results of shipborne experiments on the Bohai Sea surface in 2016

方法2:基于變分統計推斷的精確度估計。真實速度信息的隨機變化過程可以采用典型運動狀態空間模型(如勻速、加/減速等)有效描述,此時的測量速度可描述為真實速度的量測,據此實現真實速度、測速方差的聯合統計推斷;該方法的主要思想:假設隨機變量的先驗、后驗概率密度都屬同一概型(即共軛先驗),通過合理配置真實速度、測量速度及測速方差概率密度模型,將概率密度推斷問題視為貝葉斯統計問題,通過變分法獲得在KL散度最小約束下的概率密度近似解,實現對測速方差的統計推斷[47],仿真和湖上實驗結果如圖19。

方法3:基于波形統計特性的精確度估計。除接收回波直接反映出的時、頻域信息,波形統計特性描述了概率密度維度重要的回波性質。我們提出將測速精確度的度量等價于建立波形一階統計特性、相關特性與脈沖對算法輸出速度統計特性的聯系。該方法的主要思想:在回波瞬時值正態分布假設下,以相關特性為輸入量,應用復正態隨機變量統計方法擬合出復相關系數的概率密度分布,經邊緣變換將相關系數相位概率密度的方差作為測速精確度的預測估計;南海實驗結果如圖20。

圖20 2020年5月南海船載實驗,基于HEU150型驗證Fig.20 Ship borne experiment in the South China Sea in May 2020, based on HEU150 validation

相比較而言,方法1和2是從信息處理角度評價,方法1為后置處理,難以反映時變信道下的測速精度變化,方法2的推斷過程采用遞歸形式,符合統計學基本原理又可以確保測速方差實時在線推斷,是實現測速精度分析的一種手段,但對平臺運動或流速變化模型有一定依賴性;方法3是從波形處理角度,利用當次回波信號統計特性獲取速度概率密度,可用于在線評價,此方法依賴對回波信號協方差矩陣的精準建模,已在典型應用環境中得到初步應用。

3.4 聲學測速系統檢測技術

外場測試是檢驗聲學測速系統性能的重要環節,成本雖高,但檢驗最為充分;如何解決批量應用中的低成本有效檢測問題一直為人們所關注。目前普遍采用的方式有室內水池拖車測試(如圖21)、半實物仿真測試2種。

圖21 代表性室內水池測試裝置Fig.21 Representative indoor water pool testing device

3.4.1 室內水池拖車測試

美國戴維泰勒實驗室、USGS等采用室內水池方式,開展了對聲學多普勒測速的水層和底跟蹤實驗,驗證了水池測試方法的可行性。美國Teledyne RDI公司利用室內水池開展速度的準確度和精確度測試,其中的準確度采信有軌拖車航程為真值,通過將其與被測試設備速度積分航程比對方式,取得了較好的應用效果;該水池深2 m,拖車速度0～0.3 m/s,有效航程13.308 m[48]。目前,國內的國家水運工程檢測設備計量站也已具備了拖車流速計量能力,其流速測量水槽75 m×1.5 m×1.5 m、流速拖車0～2 m/s[49];此外,為了高速水面船用測速設備研發與功能驗證需要,中船重工第707研究所九江分部搭建的室內高速回轉機構測量系統,通過將角速度轉變成線速度,具備了4～40 kn、速度控制精度0.2% FS的動態測速試驗能力[50]。相比于湖、海船載測量方式,室內水池拖車測試方便,但存在航程、航深和航速受限等不足。

3.4.2 半實物仿真測試

水池拖車方式要求水槽足夠長、且具有一定深度,對于流速測量還需要水體有足夠濃度的均勻散射體,且水槽壁面要求做吸聲處理以減小測量誤差,這在一定程度上限制了水池拖車測試的應用范圍。為此,人們開始關注陸上半實物仿真測試,代表性的測試方法包括活塞型和相控型半實物仿真測試。

1)活塞型半實物仿真測試。活塞型半實物仿真測試原理相對簡單,基本思想是模擬4個具有多普勒頻移、時延等信息的回波信號,利用換能器將模擬信號耦合到被測試活塞換能器中,通過對比被測試設備返回值與預設值達到檢測的目的。加拿大貝德福德海洋研究所[51]、海軍工程大學[52]、中科院聲學所[53]等先后研制出聲對接裝置,一定程度上解決了批量生產和陸上檢測過程中的功能性測試問題。

2)相控型半實物仿真測試(如圖22)。相控陣是由上千個獨立陣元按照一定順序排列組成,各陣元之間是通過相移補償的方式實現4個相控波束,半實物仿真測試復雜度超過活塞型,分析相控陣模擬聲回波信號形式以及尋找有效的聲信號耦合方式是關鍵。文獻[54]借鑒活塞型半實物仿真思想,采用16個發射換能器和1個接收換能器與相控陣平面對接,其中接收換能器用來檢測相控陣的發射信號以獲取發射時刻,16個發射換能器用來模擬產生測速儀的回波信號,4個發射換能器為一組,對應一個相控波束,采用分時發送的方式交替發送4個波束方向的回波信號。文獻[21-55]提出了一種相控對接陣測試方法,在不拆卸情況下對相控陣型測速儀進行檢測,基陣PA I為已安裝在航行器中的測速儀相控陣,基陣PA II用于模擬基陣PA I的回波信號;該方法利用與測速儀布陣方式相同的聲學基陣,按照相控接收相移方式輸出模擬回波信號;目前該方法已完成500余臺設備的出廠測試。

圖22 半實物仿真示意Fig.22 Semiphysical simulation testing device

4 技術展望

進入21世紀,美國、日本、歐盟等國家和地區競相圍繞海洋資源開發、海洋防務安全等制定海洋戰略;我國是背陸面海的海洋大國,實施“發展海洋經濟,保護海洋生態環境,加快建設海洋強國”的戰略部署,需要水聲導航、海洋監測等能力支撐,聲學多普勒測速技術是其中一個環節。發展基于環境感知的新一代聲學多普勒測速技術、聲學與慣性一體化導航技術、面向不同作業場景的完備技術體系等將是未來技術發展的重點。

4.1 發展基于環境感知的新一代聲學多普勒測速技術

任何聲吶設備性能都是與環境密切相關的,而水聲環境效應存在不確定性。邊界條件的不確定性:海面和海底受到氣候條件或者其他條件的影響非常大,如風、雨等造成的海浪;天體引力引起的潮汐運動;大洋環流、潮流產生的海面及海水流動,以及由于海流、地質運動所造成的海底底質、地形的變化,這些均導致水聲界面是動態的、瞬息萬變的。傳播過程引起的不確定性:聲波在海水中的損失、以及在海底的聲散射損失、衰減損失也造成不確定性;聲波在海底沉積層中的衰減及海底散射損失和沉積層的物理性質、孔隙度等關系密切,而海底的聲散射損失、衰減損失是海洋中聲場分析和聲吶性能分析的重要環境參數;在不同海區或同一海區的不同時間,受到海洋環境影響,聲吶性能不是某一確定值,在測量和掌握一定的水聲環境數據之后,需要通過一系列的水聲模型對聲吶各參數做出估計,以優化聲吶輸出。發展新一代基于環境感知的聲學多普勒測速技術,明確水聲環境因素與速度誤差定量關系、建立時變環境影響下的測速誤差模型、提出測速誤差的在線估計與補償方法、實現海洋聲學多普勒測速技術由“環境適應設備”轉為“設備適應環境”,對于提升水聲導航、海洋信息獲取等能力,具有重要的意義[57-61]。

4.2 發展面向深遠海復雜環境的聲學與慣性一體化導航技術

隨著水下無人裝備實際應用的不斷推進,未來水下無人裝備將向著更遠、更深、更強、更靈活以及更智能的方向發展[62],要求水下作業時間越來越長、活動范圍逐漸擴大、操控精度越來越高,導航系統對其航行安全和戰斗力提升意義重大。受聲波在海水中的傳播速度限制,水聲測速技術提供的數據更新率較低(深海情況尤其如此),數據也較容易受到污染;面對深遠海未知復雜環境,聚焦大機動、高海況等條件下制約自主導航精度提升的若干難題,在已有聲學與慣性組合導航基礎上,從聲學層面挖掘組合導航潛力,發揮其水聲環境感知、誤差在線估計與補償等優勢,發展面向深遠海復雜環境的聲學與慣性一體化穩健導航技術,研制一體化免標校、高精度、小尺寸導航設備,是水下潛航器提升自主導航能力的有效手段之一。

4.3 發展面向不同作業場景的聲學多普勒測速完備技術體系

針對自主導航、海洋信息獲取、航道測量、管道流量/沉積物濃度監測等不同作業場景作業特點,健全聲學多普勒測速技術體系。

自主導航方面:測量平臺對地絕對或對水相對的三維速度。1)水面艦船導航系統重要組成:為導彈提供初始速度信息、為慣導提供阻尼信息等;2)水中兵器導航系統重要組成:為慣導提供阻尼/組合信息。

信息獲取方面:遙測大深度范圍內不同水層的海流信息。1)在深海:服務于油氣礦產開發、生物環境觀察、洋流科學考察;2)在近海:服務于海浪監測、漁業養殖、海底管道鋪設、海岸工程建設與環境監測等;3)在軍事:服務于獵掃雷、援潛救生作業等。

水文監測方面:海洋流速剖面應用擴展,服務于淡水漁業研究、河流流速/流量監測、河流航道安全、橋梁沖刷測量以及洪水預警等。

其他方面:作為海洋流速剖面應用擴展,服務于管道流速、流量測量、水體渾濁度、懸浮泥沙含量等監測等。

5 結束語

海洋約占地球總面積的71%,事關國家安全、資源開發和科學探索重大戰略利益;聲學多普勒測速技術作為一種重要的水下速度信息獲取方式,在其中發揮著重要作用。經過近40年的發展,國內的聲學多普勒測速技術取得了長足進步,并逐步由“跟跑”轉向“并跑”階段,產業化進程也在進入快速發展期。面臨前所未有的機遇,通過加快產業化、提升設備性能與穩定度、縮小技術可行與商業可用之間差距,實現國產聲學多普勒測速技術與設備新突破。