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水下定位系统范文

来源：火烈鸟

作者：开心麻花

2025-09-19

水下定位系统范文（精选8篇）

水下定位系统第1篇

视觉定位系统根据使用摄像机的数目不同可以分为单目、双目两种。单目视觉定位系统只要处理单幅视频图像,且设备简单,不用考虑两个相机的互相影响,应用安装起来比较方便。但是其缺点是对于物体深度的获取不够方便,往往采用多角度拍摄、弱透视近似模型或者利用事先已经在图像处理器中定义好的物体的3D模型进行估计[1],算法较为复杂。文献[2]中以色列学者R.Basri等人将摄像机的弱透视投影模型应用在单目视觉定位上,文献[3]中中国船舶科学研究中心学者将目标物体结构模型法单目视觉应用于水下机器人定位。文献[4]中英国学者N.Hollinghurst等人利用双目视觉控制机械手抓取物体,文献[5,6]分别将双目立体视觉应用于曲线跟踪和水下焊缝的跟踪。

本研究设计一个基于双目立体视觉的水下机器人机械手定位系统,首先针对水下的液体环境,设计一个摄像机密封装置,同时对水、密封玻璃、摄像机透镜系统进行联合标定,得到水下联合标定内外参系数;然后针对传统的双目立体视觉定位算法,提出一种改进的前向平行校正的定位算法,并加以实验,得到了较好的定位精度,提高了算法的稳定性。

1 双目立体视觉定位系统构成

机器视觉系统的硬件一般由视觉传感器(摄像机)、光源、滤光片、图像采集卡、图像处理模块、计算机、执行器(如机械手,电机等)等组成。在该实验系统中,光源为自然光照,省略了光源和滤光片;图像和数据处理都由计算机完成,省略了图像处理模块,由于是用于水下定位,多了密封封装结构。本研究中的双目定位系统由以下几部分构成:

(1) 两个摄像机、镜头。摄像机采用的是深圳翔飞科技有限公司的型号为SF-203G的彩色CCD模拟摄像机,其CCD类型为1/3英寸SONY CDD,420线,512582 pixels;镜头采用f1.4,焦距为6 mm～15 mm的CCTV普通镜头,光圈大小也可以调节。

(2) 封装及支架。为节省成本并取得较好的实验结果,该实验采用普通摄像机加上防水密封封装的方案,该封装由两个密闭的套筒组成:一端为一个抗压能力较好的透明有机材质,用于摄像机收集视频图像,另一端引出4芯水密接插件,以输入供电电源,输出视频信号。两个套筒固定在一个支架上,使两个摄像机有固定的坐标变换关系,为接下去的双目标定打好基础。

(3) 图像采集卡。图像采集卡采用的是陕西维视的双路输入、可进行实时图像采集的MV-8002 PCI图像采集卡。该图像采集卡能进行10位A/D转换,支持C++及OPENCV的开发。

(4) 计算机和设计软件。系统设计软件是基于Windows XP的Visual C++ 2008及Intel OPENCV开源视觉库,在进行摄像机内外参标定时,还用到了Matlab标定工具箱,图像处理、图像特征提取、标定,定位算法等都是由PC机来完成。

2 水下摄像机标定

为了得到水下目标物体的位置,必须建立起目标物世界坐标系坐标、摄像机坐标系坐标、成像图像坐标系坐标之间的转换关系,即根据具体摄像机的特性,得到目标物像点和目标物之间的对应关系。这就必须通过摄像机标定得到摄像机的焦距、光心等内参数。此外,虽然目前的镜头制造技术已经比较完备,但是镜头还是存在一定畸变,尤其是该定位系统是位于水下,由于受水流和密封桶密封透明材料的影响,畸变将更加严重,必须加以矫正。

2.1 摄像机模型分析

摄像机模型的建立过程是图像坐标系、摄像机坐标系以及世界坐标系的转换过程,本研究通过3个坐标系的变换,建立起图像坐标系像素坐标和世界坐标系目标物点坐标的对应关系。

2.1.1 两个图像坐标系

在图像处理的各种算法中输入/输出的图像坐标一般以像素为单位,以图像的左上角作为坐标原点,如图1所示的O0uv坐标系。但是,实际坐标变换中的图像坐标系须以物理尺度(如mm)为单位,以便单位统一,因此必须建立一个基于物理尺度的图像坐标系。该坐标系以摄像机光轴与成像平面的交点为坐标原点,一般位于图像中心处,但实际上是存在偏移的,图中为O1XY坐标系。若以dX,dY为每一个像素在X轴与Y轴方向上的物理尺寸,则两个坐标系之间的关系为:

转换为齐次坐标和矩阵形式为:

$[\begin{array}{l} u \\ v \\ 1 \end{array}] = [\begin{matrix} 1 / d X & 0 & u_{0} \\ 0 & 1 / d Y & v_{0} \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] [\begin{array}{l} X \\ Y \\ 1 \end{array}] (2)$

2.1.2 摄像机针孔成像模型

针孔成像模型又称为线性摄像机模型,本研究将针孔位置从中间移到像平面后面后面的一个等效线性投影模型,如图2所示,即O为投影中心,O1XY是成像平面,p为像点,P(x, y, z) 为物点。

由图中的几何关系可得到下面的表达式:

${\begin{cases} \frac{X}{f} = \frac{x}{z} \\ \frac{Y}{f} = \frac{y}{z} \end{cases} (3)$

式中:fO到O1的距离,即为非线性模型里面的透镜焦距。

本研究将其写成齐次坐标的矩阵形式即为:

$s [\begin{array}{l} X \\ Y \\ 1 \end{array}] = [\begin{matrix} f & 0 & 0 & 0 \\ 0 & f & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \end{matrix}] [\begin{array}{l} x \\ y \\ z \\ 1 \end{array}] = Ρ [\begin{array}{l} x \\ y \\ z \\ 1 \end{array}] (4)$

式中:s比例因子,令P为透视投影矩阵。

将式(4)代入式(2)即可以得到图像坐标系O0uv和摄像机坐标系Oxy之间的关系:

$\begin{array}{l} s [\begin{array}{l} u \\ v \\ 1 \end{array}] = [\begin{matrix} 1 / d X & 0 & u_{0} \\ 0 & 1 / d Y & v_{0} \\ 0 & 0 & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} f & 0 & 0 & 0 \\ 0 & f & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \end{matrix}] [\begin{array}{l} x \\ y \\ z \\ 1 \end{array}] = \\ [\begin{matrix} α_{x} & 0 & u_{0} & 0 \\ 0 & α_{y} & v_{0} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}] [\begin{array}{l} x \\ y \\ z \\ 1 \end{array}] = Μ_{1} [\begin{array}{l} x \\ y \\ z \\ 1 \end{array}] (5) \end{array}$

式中:αx,αy焦距f在图像坐标系O0uv的u轴和v轴上的归一化因子;u0,v0光轴与图像平面交点,它们的单位都为像素(pixel)。

αx,αy,u0,v0就是接下去标定所需要得到的内参数,因此,矩阵M1被称为内参矩阵。而世界坐标系Ow到摄像机坐标系O的转换,可以用一个旋转矩阵r和一个平移向量t乘以世界坐标系得到,其矩阵表达关系为:

$[\begin{array}{l} x \\ y \\ z \\ 1 \end{array}] = [\begin{matrix} r & t \\ 0 & 1 \end{matrix}] [\begin{array}{l} x_{w} \\ y_{w} \\ z_{w} \\ 1 \end{array}] = Μ_{2} [\begin{array}{l} x_{w} \\ y_{w} \\ z_{w} \\ 1 \end{array}] (6)$

令M2为摄像机外参数矩阵,从而有:

$s [\begin{array}{l} u \\ v \\ 1 \end{array}] = Μ_{1} [\begin{array}{l} x \\ y \\ z \\ 1 \end{array}] = Μ_{1} [\begin{matrix} r & t \\ 0 & 1 \end{matrix}] [\begin{array}{l} x_{w} \\ y_{w} \\ z_{w} \\ 1 \end{array}] = Μ_{1} Μ_{2} [\begin{array}{l} x_{w} \\ y_{w} \\ z_{w} \\ 1 \end{array}] = Μ [\begin{array}{l} x_{w} \\ y_{w} \\ z_{w} \\ 1 \end{array}] (7)$

从而实现了摄像机世界坐标系(xw,yw,zw)到图像坐标系(u,v,1)转变,其转变的关键是计算得到摄像机的内参数矩阵M1和摄像机外参数矩阵M2,或者说得到内参数αx,αy,u0,v0以及外参数r,t,摄像机标定的目的之一就是得到上述摄像机的内、外参。

2.1.3 摄像机非线性模型

如果按照线性针孔模型来进行摄像机成像,虽然模型比较简单,但是在实际应用中会使摄像机镜头无法清晰成像,必须加一透镜来聚集足够多的光线,使光线在像平面处良好聚焦,清晰成像。透镜的引入使得摄像机模型不再是线性,而是存在一定畸变的非线性模型,图像坐标系坐标存在一定的偏移δu,δv[7]。而水下环境折射率的不同以及密封桶有机玻璃片的影响致使畸变程度尤其显著。线性模型中的图像坐标(u,v)与非线性模型中的图像坐标(u′, v′)之间的关系为:

${\begin{cases} u = u^{'} + δ u \\ v = v^{'} + δ v \end{cases} (8)$

摄像机的畸变分为两部分:沿透镜切向的畸变和沿透镜径向的畸变,畸变表达式如下:

${\begin{cases} δ u = (u^{'} - u_{0}) (k_{1} r^{2} + k_{2} r^{4} + k_{5} r^{6} + \dots) + \\ 2 k_{3} (u^{'} - u_{0}) (v^{'} - v_{0}) + k_{4} [r^{2} + 2 (u^{'} - u_{0})^{2}] \\ δ v = (v^{'} - v_{0}) (k_{1} r^{2} + k_{2} r^{4} + k_{5} r^{6} + \dots) + \\ k_{3} [r^{2} + 2 (v^{'} - v_{0})^{2}] + 2 k_{4} (u^{'} - u_{0}) (v^{'} - v_{0}) \end{cases} (9)$

上式中,r2=(u′-u0)2+(v′-v0)2,第1项为透镜径向畸变项,空气中的摄像机透镜系统镜头畸变不是十分严重,以k1r2为主,其他高阶分量忽略不计。但是考虑到该实验系统的水下环境,则必须加入k2r4、k5r6 来消除水下畸变的影响。第2项为透镜切向畸变项,有k3,k4两项参数。因此摄像机标定的另一项任务是求得该摄像机的畸变参数,即求得K=[k1,k2,k3,k4,k5]。其中k2,k5是为消除水下畸变影响而加入。

2.2 水下单摄像机标定

由于水的折射率及密封桶的影响,水下摄像机的标定方法必然与空气中有所区别,但是根据文献[8]推理可知,若将密封桶的透明密封盖放置于接近相机透镜焦距处,或者焦距及密封盖与透镜的距离相对于物距可以忽略,则水的折射率的影响就可以忽略。该系统便是将摄像机如上述安放来消除水的折射率的影响,但是水以及密封窗所产生的畸变不可忽略,必须引入k2,k5等高次畸变参数来矫正剧烈的畸变影响。

可以用来标定的方法很多,包括基于3D立体靶标的摄像机标定、基于径向约束的摄像机标定和基于2D平面靶标的摄像机标定等[9]。该系统借助Matlab的标定工具箱,并参考张正友的标定原理和方法[10]对摄像机进行标定。摄像机标定物是一个107的方格棋盘,标定过程如下:

(1) 用摄像机采集一系列(本次实验采集10幅)棋盘在水下不同位置的图片如图3所示。

(2) 寻找可用棋盘角点,在每幅棋盘内部找到96个内部角点,并输入小方格的边长。本实验中使用的棋盘小方格边长为25.5 mm25.5 mm。

(3) 找到10幅棋盘的角点后,用Matlab工具箱进行标定,设置k2,k5的畸变参数为打开状态,即考虑k2,k5的畸变影响,并反复步骤(2),每次反复以上一次的标定结果作为初始量进行角点的重新寻找,最终找到角点像素误差较小的标定值。本次标定实验角点平均像素误差err=[dXerr,dYerr]=[ 0.185 74, 0.191 77],每一个角点的误差图如图4所示。

(4) 保存左摄像机标定结果,重复步骤(1)～(3),进行右相机的标定,最终得到两个摄像机在水下各自的内参数和畸变参数的标定结果,如表1、表2所示。

(5) 最后由上述标定得到的摄像机内外参数r,t,在Matlab中验证标定结果。右摄像机和10幅标定棋盘的相对位置图如图5所示。将图中各个棋盘的相对位置和原始标定图片相比较,并结合图中的比例刻度,可以验证标定的准确度。至此单个摄像机的标定工作完成。

2.3 双目立体标定

双目立体标定的目的是:在得到左、右摄像机各自的内参数和畸变参数以后,以此为基础建立起左、右摄像机坐标系之间的坐标变换,得到左、右摄像机坐标之间的旋转变换矩阵R和平移变换矩阵T。立体标定得到的R,T是下述前向平行校正的定位算法的基础。

同样,应用Matlab标定工具箱,可以标定得到以左摄像机为固定坐标基准、右摄像机向左摄像机变换的矩阵R,T。立体标定结果如下:

$R = [\begin{matrix} 1.000 & - 0.002 0 & 0.004 2 \\ 0.002 0 & 1.000 0 & - 0.006 2 \\ - 0.004 2 & 0.006 2 & 1.000 0 \end{matrix}] (10)$

$Τ = [\begin{matrix} 66.901 6 & - 0.282 4 & 1.147 8 \end{matrix}] (11)$

从R中可以看出,两个摄像机的放置还是接近平行的,旋转变换的角度较小。从T中可以看出,两个摄像机的y,z坐标基本重合,但还是存在一定偏差,在x方向上的距离是66.901 6 mm,这个值和实际测量两个镜头之间的距离是比较吻合的。两个摄像机和10幅棋盘的相对位置如图6所示。

3 前向平行校正定位算法

在进行水下摄像机标定、得到摄像机内外参数后,接下去就是利用内外参数进行目标定位。双目摄像机系统的两个摄像机的摆放总有一定几何角度,或者刻意增加角度来增加两个摄像机的视野重合面积,如图7所示,若考虑摄像机摆放光轴的交角,则会使摄像机在定位算法上较为复杂,若不考虑光轴的交角,则会使定位产生较大的误差。

在传统的双目立体定位算法中,一般是利用上述标定的两个摄像机的内外参数,匹配左右摄像机图像平面上的特征点生成共轭点对集合{(pli,pri)},i=1,2,3,n,每一个共轭点对定义的两条射线,相交于空间某一场景点即得到目标点坐标。这样,目标物坐标提取问题就转为求取两条射线方程相交求交点问题。由于存在系统误差,两条射线不一定相交,往往利用最小二乘法求得近似解,具体算法可参考文献[11]。

本研究中设计的算法首先结合摄像机的内、外参对两个摄像机进行立体校正,使两摄像机成像平面在数学上前向平行,光轴所成角度为0,如图8所示,然后再根据下述较为简单的几何运算得到目标物的三维世界坐标。由于该算法先进行校正,再进行简单线性定位运算,使算法大大简化。

3.1 立体校正过程

基于Bouguet算法[12]的立体校正变换如图9所示。为了使图像重投影畸变最小化,Bouguet算法将旋转矩阵R分离成Rl和Rr两部分,即两个摄像机成像平面在数学上各旋转一半角度(如图10所示,左摄像机从α平面旋转到α′平面,右摄像机从β平面旋转到β′位置)并结合各自的摄像机内参数和畸变参数达到前向重合位置。

用Visual C++结合OPENCV库能很好地编写出该算法。首先利用函数cvStereoRectify()输入两个相机的内外参及立体标定结果R,T,可以得到两个摄像机各自的旋转矩阵Rl和Rr以及校正后的投影矩阵Pl,Pr,之后利用函数cvInitUndistortRectifyMap()输入Rl,Rr,Pl,Pr及畸变参数K1,K2计算用来重投影的映射查找表mapx和mapy,最后通过重投影函数cvRemap()结合查找表mapx和mapy重投影,分别计算得到两幅对应特征点y坐标相同的且成像平面重合的左、右摄像机图像α′, β′。通过立体校正和重映射的两个摄像机的图像如图10所示。

从图10中可以看到,该棋盘图像上面对应点的y坐标已经对齐(即在同一条灰线上面),而且已经消除了图像畸变,但是图像整体区域有所变小,存在重投影画面畸变。重投影画面畸变大小由两个摄像机所成夹角决定,夹角越大,畸变越大,因此,要求两相机在一开始就尽量保持平行,以使画面畸变最小化。

3.2 坐标计算

如图8所示,α′, β′为校正后前向平行的两个平面,由P(x,y,z),pl(Xl,Yl),pr(Xr,Yr)之间的几何比例关系可以得到:

${\begin{cases} X_{l} = f \frac{x}{z} \\ X_{r} = f \frac{(x - o_{l} o_{r})}{z} \\ Y_{l} = Y_{l} = f \frac{y}{z} \end{cases} (13)$

设基线距离olor为B,视差d=Xl-Xr,则点P(x,y,z)的坐标可按下式求解得:

$[\begin{matrix} x \\ y \\ z \end{matrix}] = [\begin{matrix} B X_{l} / d \\ B Y_{l} / d \\ B f / d \end{matrix}] (14)$

该系统目标物为球形,视觉捕捉的为该球的球心。因此,图像坐标(Xl, Yl)可由霍夫变换提取立体校正后左图像目标物球心得到;视差d由两幅图像提取出来的球心横坐标作差得到,而B=Tx,Tx是上述立体标定得到的参数T的第一个元素,为校正后摄像机焦距。

至此,只要将左摄像机像平面坐标(Xl,Yl),视差d,以及左右摄像机平移矩阵T中的Tx (B=Tx),焦距f代入式(14)即可得到P点的三维坐标(x,y,z),具体用Visual C++软件编程计算实现。

4 定位实验及分析

定位实验通过在水箱里放入一圆球,然后通过双目定位系统寻找该球球心,获得球的坐标位置进行定位计算。坐标系仍然以左摄像机坐标系为世界坐标系,计算得到的球心坐标都是相对于左摄像机而言。

实验中摄像机的焦距定为f=6 mm/377.12 pixel,基线距离为B=66.9 mm。由于双目立体视觉定位误差主要来自于深度z,及物体距离摄像机的距离,本研究通过改变球离摄像机的距离z值,以获得13组数据来观测测量精度,如表3所示。

z实际深度,为物体距离摄像机密封盖的水平距离,由刻度尺实际测量得到;z′测量深度,由上述算法计算得到,为P(x, y, z)中的z坐标;d实际视差,是实际深度值z根据式z=Bf/d即d=Bf/z计算得到;d′测量视差,是通过霍夫变换提取左右摄像机图像中球心坐标的横坐标值做差求得;E距离误差,E=100%(z′-z)/z;e视差偏差,e=d-d′;P左摄像机图像坐标;p球心物理坐标。

由上述数据得到的距离变化曲线z′-z,视差变化曲线d-z,距离误差曲线E-z,视差偏差曲线e-z如图11～14所示。

从图11～13可以看到,该算法的深度测量精度与目标物距离摄像机的距离z有关,随着距离z的增大,测量值z′逐渐偏离实际值z,且离摄像机距离越远,误差越大。但是该算法的误差在本实验中始终没有超过10%,在目标物处于20 cm～80 cm时能保证较好的准确度,误差在3%以内。由图12～14可知,随着距离z的增加,视差逐渐减小,测量视差d′-z变化曲线和实际视差d-z曲线基本重合,视差偏差e基本在1±0.5之间,波动很小。这说明,随着距离z的增加,同样的视差小偏差e就能引起较大的距离误差E,原因是随着距离的增加,视差值越来越小,视差偏差占视差的百分比越来越大,从而产生大的误差。因此采用该算法必须设定一个有效工作距离范围,如在上述焦距f=6 mm和基线B=66.9 mm的情况下的有效工作距离为20 cm～80 cm,将机械手工作范围设定在该范围内,能获得较高的精度(3%以内),如果误差的容忍度较高,或者采取较好的设备,该算法的工作距离也将更大。

5 结束语

本研究通过对水下机器人机械手视觉定位系统的分析,设计出一套能进行水下双目摄像机视觉定位的系统。针对水下环境的特殊性,本研究设计出一种水下密封保护装置和水下标定方法,并通过标定得到在透镜、密封盖、水三重透视系统下的摄像机内参和3个畸变参数。最后,针对传统较为复杂的射线相交坐标点提取法,提出一种较为简单的前向平行校正定位算法,并通过实验验证了该算法具有较高的准确度和适用范围。该系统后续设计中,可将获得的坐标值输入机械手控制器,引导机械手进行水下视觉定位操作。

参考文献

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[2]BASRI R,RIVLIN E,SHIMSHONI I.Image-based RobotNavigation under the Perspective Model[C]//IEEE Interna-tional Conference on Robotics and Automation.Detroit:[s.n.],1999:2583-2587.

[3]胡震,袁小海,陈荣盛,等.用于目标检测和精确定位的水下机器人视觉系统[J].中国造船,2000,41(2):89-94.

[4]HOLLINGHURSTN,CIPOLLA R.Visually guided gaspingin unstructured environments[J].Journal of Robotics andAutonomous Systems,1997(19):337-346.

[5]邱联奎,雷建和,宋全军,等.基于立体视觉的机械手未知平面内曲线跟踪[J].传感技术学报,2007,20(2):293-297.

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[11]张钧,张宏,刘小茂,等.双目立体视觉中物点定位的一种快速算法[J].信息与控制,2009,38(5):563-570.

水下定位系统第2篇

基于MUSIC算法的水下噪声源近场高分辨定位方法

摘要：针对舰艇辐射噪声的能量和线谱主要分布在低频段,而常规噪声源近场定位方法在低频段很难获得到比较理想的.空间分辨率,无法满足舰艇低频辐射噪声源定位识别需求问题.在研究远场平面波模型下MUSIC算法基础上,建立了基于相位和幅度联合补偿的MUSIC近场噪声源定位算法,通过仿真计算和湖试试验研究了该算法的噪声源定位性能,结果表明该算法可以有效地提高基阵在低频段的空间分辨率,而且可以在一定程度上抑制高频段的空间混叠,具有较高的工程应用价值. 作者：杨德森陈欢时胜国 Author： YANG DesenCHEN HuanSHI Shengguo 作者单位：哈尔滨工程大学水声技术国防科技重点实验室,黑龙江哈尔滨,150001 期刊：哈尔滨工程大学学报 ISTICEIPKU Journal： Journal of Harbin Engineering University 年，卷(期)： ,32(8) 分类号： B535 关键词：水下噪声源近场定位幅度补偿 MUSIC算法高分辨机标分类号： TN9 TB5 机标关键词： MUSIC算法噪声源近场高分辨定位方法MUSIC algorithmbasednoise source声源定位空间分辨率低频段舰艇辐射噪声平面波模型应用价值试验研究识别需求联合补偿基于相位仿真计算定位性能基金项目：

水下声学定位系统及其误差分析第3篇

水声定位系统是利用水下声波定位的系统,可以实现高精度、连续自动、准实时地标识水下目标位置。水下声定位系统可用于水下航行器控制、水下遥控作业以及海底地形探测等领域。水下声学定位技术的研究和发展已经经历了很多年,目前水下声定位主要方法还是利用基于几何原理,例如几何球面交汇的水声定位方法[1]。

当今国内外研究基线定位技术的机构很多,比较著名的有法国的Oceano、英国的Sonardyne及挪威的Kongsberg Simrad等多家公司,这些厂商对长基线、短基线以及超短基线定位技术都有遍布。其中,挪威的Kongsberg Simrad公司研制出的产品性能突出。经历了三十来年的研究开发,该公司技术成熟的产品已经投入到军事和民用当中。其中,HPR408S型长基线定位系统作用范围超过3000m,同时仍然能保证厘米级别的定位精度。该系统特点是精度高,可靠性高,能自动校准,数据更新快,被广泛应用在水下航行器、水下拖体和其他水下设备的导航当中。

目前我国从事研究水下声学定位技术的机构有中科院声学所、国家海洋局海洋技术研究部、哈尔滨工程大学、6971 厂、厦门大学等单位。

2 水下声定位系统的类型

水下声定位系统利用水下沿着不同路径传播的水声脉冲的时间延迟或者相位差,对水中以及水面的目标定位。组成的基本单元叫基元,基元之间的线被称为基线。按照接收基阵的尺寸或者应答器基阵的基线长度进行分类,水下声定位系统分为长基线( Long Base Line,LBL) 、短基线( Short Base Ling,SBL) 、超短基线系统( Ultra Short Base Line,USBL) 。表1 列出了这三种定位系统对应的基线长度。

以上三种声学定位系统各自具有各自的优势和特点,可以根据使用需求使用不同的基线长度定位。但为了较好的满足各种工作状况下的定位需求,国内外已经研发出了一些组合声学定位系统,将三种基线定位结合到一起。此外,水下二次定位系统结合水下声学定位中的长基线定位方法以及GPS定位技术对水下目标进行定位[2]。该系统组成主要包括安装在船上的收发换能器以及多个被固定安置在水下的应答器组。通过载船在水面多个位置测量换能器到应答器的距离,再利用球面交汇原理,就能对水下的应答器进行定位。

下面,本文重点介绍长基线定位系统、水下二次定位系统的定位原理,以及其误差分析。

3 长基线定位系统原理及误差分析

3. 1 定位原理

长基线系统通过测量船和海底应答器之间的声信号传播时延,采用球面交汇解算水下航行器的大地坐标。定位系统一般在海底布置三个以上的阵元,在精确测得各个阵元的坐标后,观测被探测目标与各个阵元间的信号时延,解算得到目标位置。

如图1 所示,菱形表示目标位置坐标( xs,ys,zs) ,椭圆形表示第i号水下应答器所处位置坐标( xi,yi,zi) 。水下声速为c,换能器收发信号的时间间隔为ti,根据几何球面交汇原理,对于图示的由4 个应答器阵元组成的定位系统,其定位方程有如下形式:

整理后得到如公式( 2) 所示的线性方程组:

其中,i = 2,3,4。将式( 2) 写成矩阵形式:

其中X = [xsyszs]T

只要A矩阵的逆矩阵存在就可以求得方程组的唯一解:

3. 2 定位误差分析

对式( 1) 两边求全微分得到:

其中i = 1,2,3,4; dx、dy、dz为水下目标的位置误差; dxi、dyi、dzi为第i号水下阵元的位置误差; dc为水下声速误差; dti为应答信号传输时间测量误差。

由式( 5) 可见,脉冲传播时间测量误差,各个阵元位置坐标误差和测量声速误差等因素直接影响长基线定位系统的定位误差大小[3]。

下面将通过布放水下4 个阵元仿真,分析以上各因素在定位误差中的影响,布放位置如表2 所示。

3. 2. 1 传播时间测量误差

假设时间测量误差为 Δti,并且由此引入的定位误差为 ΔX =[Δx Δy Δz]T,即存在误差时目标位置可表示为X =[xs+ Δx ys+ Δy zs+ Δz]T,带入式( 2) 求解线性方程组,用伪逆矩阵法即可得到 ΔX的值。

下面,通过仿真分析时间测量误差对于在不同位置处的目标的定位误差影响情况。仿真条件: 假设目标坐标为( x y 10m) ,先假设仅1 个阵元( 设为阵元1) 存在误差,且该阵元的时间测量误差为0. 2ms,得到仿真结果如图2 所示。多阵元都存在误差时,时间测量误差也都设置为0. 2ms,仿真结果如图3 所示。

由图2 和图3 可知,在单阵元存在误差时,目标与阵元之间距离越大,定位误差会越大。但水平方向上测量误差影响比较小( 低于0. 25m) ,比深度方向的定位误差( 大于1m) 小很多。而这从水下阵元布阵情况可以看出: 4 个阵元水平方向间隔为千米级别,而深度方向差值均在100 米以内,所以,由测时误差换算到空间距离误差时,深度方向误差受到的影响会远大于水平方向。而多个阵元存在误差的时候,定位误差成中心对称分布,阵元的中心位置处误差最小,越偏离中心误差越大。

接下来统计不同大小的时间测量误差的定位误差,分析其影响。阵元布放参数不变,四个观测点取A( 50m,100m) 、B( 200m,800m) 、C ( 800m,400m) 、D ( 1000m,1000m) ,深度均为10m,阵元测时误差取0 ~0. 3ms,每个测时误差均统计2000 次。由图4 仿真结果可知,随机抽取的这四个观测点在测时误差在0. 3ms以内时,水平方向标准偏差处在0. 15m以内,深度方向在1. 2m以内。

3. 2. 2 阵元位置测量误差

假设各个阵元位置测量误差为( Δxi,Δyi,Δzi) ,由此带来的定位误差为 ΔX =[Δx,Δy,Δz]T,带入( 2) 式经推导可得定位误差:

其中,

下面分析阵元位置误差对不同位置处目标定位的误差影响。仿真的阵元位置和目标深度不变。先假设仅1 个阵元( 设为阵元1) 存在误差,且该阵元的位置测量误差为0. 5m,得到仿真结果如图5 所示。多阵元都存在误差时,位置测量误差也都设置为0. 5m,仿真结果如图6 所示。

由图5 可知,定位误差的大小决定于目标和存在误差的阵元的距离以及方位两个因素。同样地,深度方向的误差受影响比水平方向大。由图6 可知,当各个阵元有相同的测量位置误差时,定位误差与目标的位置几乎不相关。由式( 7)可知,此时可以认为误差是个恒定值。

同样地,采用统计的方法分析不同大小位置测量误差对定位的影响。A、B、C和D四个观测点位置取值同上。各个阵元的位置测量误差取值范围为0 - 2m,对每个误差统计次数仍为2000 次。统计结果如图7 所示。由图7 仿真结果可知,随机抽取的这四个观测点在位置测量误差在3m以内时,水平方向标准偏差处在0. 7m以内,深度方向在25m以内。

观察图7 统计误差值,水平方向误差大小要远小于深度方向误差。并且从4 个观测点统计结果可知,误差值在各个方向都是随着位置测量误差范围变大而增大。

3. 2. 3 声速测量误差

设声速测量误差为 Δci,由此引起的误差 ΔX =[Δx,Δy,Δz]T,同样带入式( 2) ,经过推导可得:

仿真条件: 假设各个阵元位置以及目标深度同上,取声速测量误差1m/s。先假设仅1 个阵元( 设为阵元1) 参与计算所对应声速值存在误差,得到仿真结果如图8 所示。多阵元都存在声速误差,且也都设置为1m / s,仿真结果如图9 所示。

由图8 可知,当目标与存在声速测量误差的阵元越远,定位误差越大。同样地,在深度方向的误差影响要比水平方向大。观察图9 可知,多个阵元存在声速误差的情况下,当目标远离阵型中心时,水平方向误差逐渐变大,而深度方向误差可以认为与目标位置关系不大。

接着,用统计的方法分析不同声速测量误差对系统误差的影响。观测位置不变,声速测量误差范围0 ~ 2m/s,统计2000 次。由图10 仿真结果可知,随机抽取的这四个观测点在声速测量误差在2m/s以内时,水平方向标准偏差处在约1m以内,深度方向在35m以内。

由图10 误差的统计值可以看出,水平方向误差大小同样远小于深度方向误差。而从4 个观测点统计结果都可得到,误差值在各个方向都是随着声速测量误差范围变大而增大。

4 水下二次定位系统原理与误差分析

4. 1 二次定位原理

水下二次定位是采用上文中所介绍的长基线定位和GPS定位相结合的定位方法。水下二次定位系统通过GPS提供实时数据,在不同测量位置对应答器到本船距离进行测量,再利用长基线定位中的几何球面交汇原理对水下应答器进行定位[4]。

二次定位系统被安放在定位船上,按照下面流程定位: 主控平台每隔一定周期不断地向水下应答器发送询问信号( 组码) 。应答器在接收到询问信号之后,进行检测,如果检测出组码对应自身的ID编号,则通过应答信号应答该ID号。主控平台在每个工作周期内收到一定数量的应答信号,由信号的发射和接收时间、相应组码、收到的ID号以及声速,就可以解算得当前组号和ID号对应的应答器的距离信息。将该距离与当前GPS坐标值一同作为输入,参与定位计算。并且操作人员采集足够冗余的数据,以达到对水下应答器的定位结果精确度高的目的。系统的定位原理以及定位系统的组成如图11 所示。

定位系统由海上定位船和海底应答器组两个部分组成,本文研究海上定位船部分,主要实现的功能是主机的信号收发控制、位置解算与位置显示[5,6]。

4. 2 误差分析

4. 2. 1 GPS测量误差

GPS测量的坐标值是天线的相位中心,测量自身会存在误差,除了选择更高精度的GPS辅助二次定位,没有办法纠正其对二次定位的影响。但因为一般其误差是厘米量级,所以通常可以忽略其误差影响。

4. 2. 2 GPS系统和换能器位置间的误差

虽然GPS与换能器都安装在载船上,但由于船体的姿态、天线的摆放等因素,两者的位置通常不在一起,这样两者位置上一定的差值,会引起二次定位计算中换能器的位置存在一定偏差。要减小这种误差,需要通过船体姿态计算以GPS天线的相位中心为坐标中心的三维坐标系下的三维位置改正,以计算换能器的真实位置。

4. 2. 3 测时误差

定位计算中通过计算水下声波传播时间乘以声速得到距离信息,测时误差影响对位置计算显得尤为重要。影响测时误差的有时延检测误差和系统延时,系统延时包括海底应答器的应答延时,以及换能器收发延时等。

4. 2. 4 载船位置变化引起的误差

水下二次定位过程如图12 所示,其具体步骤如下:

( 1) 位置1: 每间隔1 秒获取1 个GPS数据,以供显控平台参与计算;

( 2) 实验人员通过显控平台发给数据采集板卡指令;

( 3) 位置2: 数据采集板卡收到显控平台指令,由换能器发射组码信号,同时记录该时刻;

( 4) 位置3: 数据采集板卡接收到海底应答器的应答数据后,显控平台计算出发出和接收到信号的间隔时间;

(5)位置4:显控平台立即匹配当前,即位置1处的获取的GPS位置数据;

(6)由匹配的GPS数据和计算出的时延信息,计算出海底应答器的位置。

由图12 可以看出,由于载船的运动,导致信号发送和接收时船的位置不一致,在定位解算中,我们是假设载船发射和接收的位置相同,并且都认为是对应位置1 来参与计算的。而在实际情况下,载船是不断运动的,发射组码信号和接收应答信号这两个时刻对应的载船位置肯定不在同一处。所以,位置解算中使用的接收处的位置坐标存在偏差,为提高精度还需要进行补偿。

4. 2. 5 声速误差

水下环境通常比较复杂,声的传播也会有复杂的路径。在水中声速C通常按梯度分布,水温T、水压P以及海水盐度S都会影响声速值,而且最主要的变化因素是温度。假如需要定位的距离较远,声速变化会比较大,而且声速变化意味着信号发射和接收间声的往来的传播路径不再是直线,不能直接通过声速乘以时延得到距离信息,还需要一定声速修正[7]。若声速值取为1500m/s恒定值参与计算,将会引起一定的误差。

4. 3 减小定位误差

通过以上分析可知,二次定位的各个环节是存在较多误差的,且总体来看可以归结为表3 中的5 项。

如何提高定位精度,是一个很重要的问题。下面将从系统误差和随机测量误差两个方面阐述定位过程如何减小误差。

4. 3. 1 减小系统误差

针对以上5 种系统误差,我们需要分别对数据或者定位设备进行一定的修正或者改善,就能减小定位误差。以下是针对这5 项误差一一给出的减小相应系统误差的方法:

( 1) 使用更高精度的GPS定位系统。

( 2) 每次进行信号应答时,同时记录船体姿态以及GPS天线摆放信息。根据这些值,计算换能器在三维坐标下修正的坐标值。

( 3) 测时误差主要包括时延检测误差及系统延时。减小时延检测误差可以通过提高时延估计算法的性能来实现,而减小系统时延可采取的手段可以从改善水下应答器值班电路系统,减小应答器被唤醒时间,提高应答速度等因素考虑。

( 4) 记录询问信号发射的时间t1和该时刻载船位置( x1y1z1) 以及询问信号接收时间t2和该时刻载船位置( x2y2z2) 。使用插值的办法求解等效载船位置。具体方法及插值公式可参考文献[4]。

( 5) 根据声速经验公式进行一定声速修正。

通过以上五种修正方法,就可以达到减小二次定位系统的系统误差的目的。除此之外,基于3. 2 小节中对长基线定位误差的分析结果,在定位过程中控制载船的运动,选择符合一定规则的运动路线,也可以减少系统误差对定位带来的影响。

参看图1 以及图13,对比长基线定位以及水下二次定位原理示意图。我们知道这两种定位的工作过程是一样的,即通过多个确定坐标值的点,对某个未知点的坐标进行球面交汇定位。如图1,长基线定位系统构成当中4个海底应答器可等效成图13 中水面载船所在的4 个轨迹点。长基线定位系统中的定位目标则可等效为二次定位系统中待定位的海底应答器。

表3 列出的误差中第1、第2 和第4 项误差直接影响的是参与定位计算中的载船位置的坐标值,而在上面我们已经将它类比为长基线定位中的水下换能器阵元,所以这三项误差引起的总误差可以一同类比为长基线定位中的阵元位置测量误差。而第3和第5 项可以分别对应传播时间测量误差以及声速测量误差。故水下二次定位系统误差的5 项误差也可以归类并类比为长基线定位系统中的三类误差:

( 1) 阵元位置测量误差: 对应GPS测量误差、GPS和换能器位置间的误差和载船位置变化引起的误差等误差引起的误差总和;

(2)传播时间测量误差:对应测时误差;

(3)声速测量误差:对应声速误差。

在3. 2 小节中,我们已经分析了这三种误差在典型的长基线定位模型中的分布情况。通过前面的仿真分析结果,假设系统正在对水下坐标值为( xyh) 的应答器进行定位,为了减小定位误差,载船的运动轨迹应当选择靠近( x y 0) 的位置。因为从3. 2 小节的仿真分析结果可知,存在以上三种误差时,随着目标与阵元水平位置上的远离,测量误差增大。而且测量点应该尽量选择以( xy 0) 为中心且呈中心对称分布的一系列点。因为通过选取这些点进行测量,我们可以将它们等效为3. 2 小节中的多阵元存在误差的阵元模型,在这种模型中,目标处在阵元的对称中心,即( x y 0) 时测量误差最小。

按照以上规则对水下应答器组定位,就能有效的较少系统误差对定位带来的影响。

4. 3. 2 减少随机测量误差

在定位测量中,我们通常对同一个应答器进行较多次地测量,以得到足够冗余数据。获得足够的冗余数据对减少定位误差主要有两个方面的益处:

(1)现场实时定位可以通过计算足够冗余的实验数据,减少随机测量误差,以提高实时定位的精度;

(2)获得足够的测量数据,以便在后续工作中,通过显控平台软件的后置处理模块可挑选出所有误差门限高于筛选阈值的野值,仅让随机误差较小的测量数据参与计算,进一步提高定位精度。

下面将阐述这种基于最小二乘法的逼近式定位计算方法。

水下二次定位系统采用的定位原理和本文上面所阐述的长基线定位原理一样,同样采用几何球面交汇原理的定位手段。但具体计算中,解算方法采用基于最小二乘法对数据进行递推计算。这样可以保证二次定位的精度。

几何球面交汇方程如公式( 9) 所示:

其中( x y z) 和( xiyi0) 分别代表水下应答器和水面载船的三维坐标,li为应答器与载船的空间直线距离,即每个交汇球面的半径。对上式使用泰勒公式,展开并线性化可得:

δx,δy满足使下式的值最小:

因此,令式( 11) 对 δx,δy的导函数等于0。

由解式( 12) 二元一次方程组可以得到位置坐标

其中,

5 结束语

本文详细介绍了水下定位系统中的长基线定位系统的定位原理,并进行了误差分析。通过仿真分析时间测量误差,阵元位置误差和声速误差对定位目标处在坐标系不同位置处的定位误差的影响情况。并仿真单个阵元和多个阵元分别存在这三种误差时的误差大小分布状况。同时,通过选取四个观测点观察三种误差的统计误差值,比较了不同量级大小的误差对水平和深度方向上的定位误差的影响情况。

接着分析了水下二次定位系统的各项误差因素,从误差来源以及减小的思路进行了说明。为提高定位精度提供了思路。最后给出了一种基于最小二乘法,可以有效减小定位误差的递推估算定位方法。这种定位方法,通过测量足够的冗余数据,减小了测量误差。

摘要：介绍了水下声学定位系统的发展状况,详细阐述了长基线定位系统的定位原理及其误差分析,并对定位过程进行了误差的仿真分析。同时分析了二次水声定位的定位误差来源,包括GPS的系统误差、GPS和换能器的位置误差、测时误差、载船位置变化引起的误差、声速误差等,为减小定位误差,介绍了基于最小二乘法进行递推估算位置,通过足够冗余数据来减小测量误差的方法,为提高精度提供了依据。

关键词：长基线定位,二次定位,定位误差,GPS定位,应答器

参考文献

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[3]付进.长基线定位信号处理若干关键技术研究[D].哈尔滨工程大学博士论文.2007.10

[4]易昌华,任文静,王钗.二次水声定位系统误差分析[J].石油地球物理勘探.2009,44(2):136-139

[5]李嶷,孙长瑜.不同布阵方式下球面交汇定位系统性能分析[J].声学技术.2008,27(5):63-91

[6]余华兵,孙长瑜,李启虎.探潜先锋—拖曳线列阵声纳[J]物理:声学技术及应用专题2006,35(6):420-423

水下定位系统第4篇

在海缆运行过程中, 随着时间的推移和海流的作用, 海缆覆盖层会受到冲刷, 致使海缆裸露于海底, 甚至在海底悬空;海缆附近的海洋作业会给海缆的正常运行带来极大的风险。因此, 对海底电缆进行定期的综合检测显得非常有必要。其中, 海缆埋深检测、抛石石坝状况及厚度检测、海缆铸铁套管状况检测是非常重要的内容。为了获取更加准确、详细的海缆现状细部资料, 综合检测采用水下机器人搭载埋深探测设备 (TSS系列) 和录像设备的方式进行, 检测过程中需要给ROV提供精确的定位信息, 即需要进行较高精度的水下定位。

1 水下定位方法及原理分析

目前, 水下导航定位技术以声学导航定位技术为基础, 按照应答器基阵的基线长短划分为三种声学导航定位系统, 分别是长基线定位系统、短基线定位系统和超短基线定位系统。

1.1 长基线定位系统

长基线定位是通过测量水下目标声源到各个基元的时间差, 解算目标的方位和距离, 最终得出目标精确的三维位置, 为水下施工、调查等工作提供精确的定位服务。长基线定位系统一般包括三部分, 即船舶上的数据处理系统、安装在定位目标或船舶上的声学收发器、布放在海底且由多个收发应答器组成的定位基阵。

采用3个以上的应答器对安装在测量船或水下机器人上的收发器进行定位, 用 (x, y, z) 来表示水下机器人的三维坐标, 用 (xi, yi, zi) (i=1, 2, 3) 来表示水下应答器的坐标Ti的坐标, Ri (i=1, 2, 3) 为跟踪目标与水下应答器的距离。图1所示为长基线定位系统。

由收发器 (水下机器人) 和应答器的空间交会距离可以得出下式:

求解方程组即可得到水下机器人的三维坐标。根据测量平差原理, 在实际应用中, 需接收4个以上海底应答器的信号, 产生多余观测, 从而满足最小二乘平差原理, 提高测量精度。

1.2 短基线定位系统

短基线定位系统因基阵尺寸较小而得名, 包括3个以上的基元构成, 其基线长度一般超过10 m, 通常工作在船底或布置在船舷上, 利用声信号在基元与目标之间的传播时间差来计算, 进而得到测量目标的方位和距离信息, 推算出目标的坐标。

图2所示为短基线定位系统的配置。在图2中, H1, H2和H3为水听器, O为换能器 (它也是船体空间直角坐标系的中心) 。水听器成正交布设, Hl和H2之间的基线长度为b, 指向船首, 即X轴方向。H2和H3之间的基线长度为by, 平行于指向船右的Y轴, Z轴指向海底。设声线与三个坐标轴之间的夹角分别为θmx, θmy和θm z, 而△t1、△t2分别为H1和H2以及H2和H3接收的声信号的时间差 (图中仅以H1和H2为例) 。

根据方位-距离法, 由图3可直接得出目标物坐标的计算公式:

1.3 超短基线定位系统

超短基线定位系统安装在一个收发器中, 组成声基阵。精确测定声单元之间的距离, 组成声基阵坐标系。在安装时, 要精确测定声基阵坐标系与船体坐标系之间的关系, 即需测定相对船体坐标系的位置偏差和声基阵的安装偏差角度 (横摇角、纵摇角和水平旋转角) 。系统通过测定声单元的相位差来确定换能器的方位 (垂直和水平角度) 。换能器与目标的距离通过测定声波传播的时间, 再用声速剖面修正波束线来确定。

以4阵元组成的水听器基阵的超短基线定位系统为例, 其阵列布置如图4所示。

图4中, 标号1, 2, 3, 4代表基阵的4个阵元, x轴为至2方向, y轴为4至3方向, 两轴相交于阵元中心, 过阵元中心垂直向上为z轴方向。T为目标, 与阵元中心的距离为R, 阵元1, 2间距和3, 4间距相同, 即阵元间距为d.T在坐标系中的方向角为θx, θy, θz, 可通过阵元传播时延确定。

待测目标物各角度的方向余弦为:

方向角测定的基本公式为:

式 (5) 中:φx为阵元间的相位差, 由阵列测定。

由定位公式可得:

其中, θx, θy, θz满足基本条件:cos2θx+cos2θy+cos2θz=1.

2 水下定位系统优缺点分析

通过分析三种水下定位系统的原理, 结合各种定位系统的配套设备和安装校准方法, 得出这三种水下定位系统的优缺点和适用性。

3 结束语

结合海南联网海底电缆综合检测水下机器人定位的实际需要, 通过分析三种水下定位系统的原理、优缺点和适用性得出, 长基线定位系统定位精度最高, 但价格昂贵, 适合于大面积、深海区域的海洋调查定位;短基线定位系统由于基元距离较远以及船的尾流对基元的扰动影响, 对船的要求较高, 并且需要在船坞安装、校准;超短基线定位系统仪器设备体积小, 易于安装, 价格便宜, 定位精度较高, 对船只没有较高的要求, 完全满足海南联网海底电缆检测水下机器人定位的需要。因此, 在500 k V海南联网海底电缆综合检测项目中使用超短基线定位系统进行水下定位。

摘要：海南联网海底电缆在运行过程中受到海流冲刷、船只抛锚等多种外界风险影响, 因此需要对海缆进行综合检测。使用ROV搭载检测设备检测时, 需要给ROV和探测设备提供精确的水下定位, 以保证检测精度。主要分析了三种水下定位系统 (长基线定位系统、短基线定位系统、超短基线系统) 的原理、优缺点和适用性。由分析结果可知, 使用超短基线定位系统能够满足海南联网综合检测水下精确定位的需求。

关键词：海底电缆,综合检测,水下定位,超短基线定位

参考文献

[1]陈凯华.海南联网海缆敷设施工与防护[J].南方电网技术, 2009 (5) .

[2]赵远涛.海南联网工程海底电缆风险分析[J].中国电业 (技术版) , 2014 (10) .

[3]王星, 尚涛, 黄贤球.海南联网海底电缆护套绝缘监测方法[J].南方电网技术, 2009 (01) .

[4]田春和, 秦建.基于长基线水声定位系统水下定位技术初步应用研究[J].水道港口, 2015 (3) .

[5]赵建虎, 沈文周, 吴永亭, 等.现代海洋测绘[M].武汉:武汉大学出版社, 2007.

水下闸阀在水下生产系统中的应用第5篇

一、水下闸阀材料研究现状

水下生产系统中, 技术人员应该做好闸阀材料的选用控制工作。其中, 不同的水下闸阀材料等级与要求对于生产的影响不相同。

其中, 水下闸阀材料DD-NL型号, 适合在酸性环境中操作, 采用标准装配的方法, 实现其非腐蚀性的作业环境要求。但是, 此种水下闸阀材料的最低要求为合金钢, 例如AISI4130型号材料。

除此之外, EE-05材料也是水下闸阀原配件常用的机械材料, 它适合在酸性操作环境中使用, 采用不锈钢装配的方式, 保证水下闸阀元器件具有抵抗中等腐蚀的性能。

它的材料最低要求为合金钢 (例如:AISI4130.) 除此之外, EF-1.5材料等级为完全不锈钢高等腐蚀性环境下的作业专用闸阀耗材, 它适合在酸性环境下操作和使用。例如不锈钢材料 (410SS、F6NM) 。

其中, 水下闸阀在水下生产系统应用的过程中, 还应该满足一定的温度等级要求。温度级别K, 其作业范围最小-60°最大为82°, 温度级别L, 其作业范围最小-46°最大为82°, 温度级别N, 其作业范围最小-46°最大为60°, 温度级别P, 其作业范围最小-29°最大为82°, 温度级别R, 其作业范围最小室温条件要求即可, 温度级别S, 其作业范围最小-18°最大为60°, 温度级别T, 其作业范围最小-18°最大为82°。

二、水下闸阀应用现状

在水下生产控制系统的作业图分析中, 我们可以看出。液压动力单元应该承担水下生产活动的动力支持。通过不间断电源的输出, 实现电能动力的供电单元有效支撑。

在主控站控制的过程中, 技术人员应该才能够水面脐带缆终端总成的体系建设入手, 实现浮体脐带缆的硬度支撑强化。

水下闸阀在水下生产活动中, 应该满足一定的技术参数的前期设计要求。其中, 水下闸阀的最大工作压力为56.9MPA时, 其流量系数为0.14Cc1, 其流量系数为0.20Cc2, 其压强降低的范围为3.5MPA-6.9MPA之间。水下闸阀的最大工作压力为56.9MPA时, 其流量系数为0.14Cc1, 其流量系数为0.20Cc2, 其压强降低的范围为3.5MPA-6.9MPA之间。水下闸阀的最大工作压力为69.0MPA时, 其流量系数为0.20Cc1, 其流量系数为0.24Cc2, 其压强降低的范围为3.5MPA-6.9MPA之间。水下闸阀的最大工作压力为103.4MPA时, 其流量系数为0.20Cc1, 其流量系数为0.24Cc2, 其压强降低的范围为11.7MPA-27.6MPA之间。

为了保证水下闸阀满足水下生产的需要, 必须要对阀体的材料做出强化要求。阀体一般采用不锈钢和铝钛合金材料制作而成, 水下阀门的底座可以使用铝青铜 (NS16570) 、不锈钢或者钨镍硬质合金材质制作而成。

三、水下闸阀应用压力和流量系数技术特点

在技术应用的过程中, 应该满足一定的技术参数需要, 从而适应不同环境下的采用压力变化, 在工作水深和工作外压不同条件下, 使用区别性的参数技术控制方法, 促进水下生产系统效率的持续性提高。

其中, 水下闸阀的最大外压设计为35.0MPA条件下, 其闸阀共有压力控制范围应该在9.0MPA-69.0MPA之间, 其闸阀的先导压力变化为9.0MPA-34.5MPA之间。

除此之外, 水下闸阀的流量系数Cc1为0.20, 闸阀的流量系数Cc2配比为0.18。水下闸阀的最大外压设计为40.0MPA条件下, 其闸阀共有压力控制范围应该在11.0MPA-138.0MPA之间, 其闸阀的先导压力变化为11.0MPA-34.5MPA之间。

除此之外, 水下闸阀的流量系数Cc1为0.23, 闸阀的流量系数Cc2配比为0.20.水下闸阀的最大外压设计为40.0MPA条件下, 其闸阀共有压力控制范围应该在9.0MPA-34.5MPA之间, 其闸阀的先导压力变化为9.0MPA-34.5MPA之间。

除此之外, 水下闸阀的流量系数Cc1为0.23, 闸阀的流量系数Cc2配比为0.20.水下闸阀作用于水下采油树应该体现出对于控制系统的保护, 根据温度传感器的读数变化, 决定置于保温层下的加热装置功率的大小变化。

四、结语

在闸阀应用生产系统的过程中, 技术人员应该做好阀座与阀体的密封控制工作, 从而提高阀闸承受力和稳定性。

与传统陆用闸阀的材料不同, 海水闸阀处于特殊的作业环境中工作, 对于闸阀的承压性能、密封性能和动作性能都有较为严格的要求。

在生产系统运用过程中, 技术人员应该做好技术维修工作, 从而延长水下闸阀系统的寿命。

摘要：水下闸阀的基本功能是接通或者切断管路介质的流通, 在水下生产系统的运用过程中, 强化水下闸阀系统的处理技术的优化建设, 有利于提高生产的整体效率。根据水下闸阀系统的试验效果, 我们发现, 提升水下闸阀阀座的封闭性, 能够显著提高水下生产的系统安全性。本文根据水下生产活动中控制单元性能优化和水压试验系统的特点展开讨论, 提出几点有利于水下闸阀在水下生产系统中运用效果的可行性措施。

关键词：水下闸阀,水下生产,系统建设,应用措施

参考文献

[1]潘灵永, 高文金, 刘广春等.水下闸阀在水下生产系统中的应用研究[J].石油机械, 2014, 42 (7) :45-48.DOI:120.3969.

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水下生产设施液压控制仿真系统第6篇

在国内,目前还没有专门针对于水下生产液压控制系统的仿真软件,研究者大都是在一个开放的液压仿真软件中进行繁琐建模设计,并且只对系统部分进行仿真分析[1]。在国外,其专门的水下液压系统仿真软件(例如Simulation X)虽然具备专门的水下仿真环境和相关的水下液压元件库,但是由于其高昂的软件价格和封闭的设计技术,使得设计人员在系统设计的开放性上受到很大的限制,无法在该平台上建立符合工程需求的水下液压控制系统。由于AMESim液压仿真软件已得到广泛使用,并且具有灵活开发的用户开发接口,研究者通过对AMESim的二次开发,将清晰美观的辅助设计界面展现给设计人员,可使对于水下生产系统的设计与分析工作更加专业与便捷。对于AMESim的二次开发大多使用AMESet创建新的模型库[2]。对于AMESim软件接口的二次开发,国内外大都使用AMESim与Matlab进行接口交互仿真[3],虽然有良好的交互仿真功能,但是应用在水下生产设施液压控制系统的设计上,其功能比较有限。在软件帮助文档中虽有相关介绍[4,5],但是有关AMESim接口函数灵活运用方面的研究很少。

本研究通过在AMESim中开发专业水下液压元件库和设计Visual Basic接口程序,体现基于AMESim软件二次开发功能的强大性与优越性。

1 水下液压生产实施架构

水下生产液压控制系统的基本原理图如图1所示。该结构主要由液压动力单元(HPU)、脐带管、水下分配单元(SDU)、水下控制模块(SCM)、执行器以及连接各个元件之间的钢管或者软管组成。HPU从海面平台提供液压动力输送至水下,SCM通过电信号控制,实现对执行的开启与关闭控制,从而达到对整个水下采油树的控制。在整个水下生产设施液压控制系统设计过程中,研究者需要关注以下几个方面:

由于脐带管的布置长度与水深和采油范围有关,例如中海油公司的流花4-1采油项目[6]中,FPS上的液压动力站(HPU)提供的液压液经由13.57 km的脐带缆输送到水下分配单元SDU(Subsea Distribution Unit),其传输特性需要重点考虑,例如根据液容、液感的等效原理来分析长短管的输送特性[7]。

当该系统中需要操作多个执行器时,由于瞬时执行的开启,导致系统流量增加而压力降低,导致执行器因为压力过低而错误复位,因此本研究需要分析各个执行器间断开启后压力变动。

同时本研究要参照水下生产系统的标准ISO13628-6∶2006(E)[8],对系统参数进行检验。低压系统:维持SCM供液侧与回液侧的压差高于50%的控制阀最大复位压力。高压系统:在操作邻近的另一个井下安全阀时,为避免其他安全阀执行器关闭,维持执行器的供液侧压力高于其蠕变压力的15%。

上述这些情形的校核与仿真由研究人员通过计算机辅助设计软件进行计算,并将相关参数导入至AMESim仿真系统中进行仿真分析,得出需要的仿真结果。

2 AMESim中的元件库建立

AMESim(多学科领域复杂系统建模仿真解决方案)为液压系统仿真提供强大的元件库和计算仿真的支持。用户可以通过最基本的液压模块构建需要的液压传动系统,也可以通过基本的液压组件构成复杂合适的元件。为了简化水下液压控制系统的仿真建模,便于后续仿真接口交互,本研究根据水下生产系统特点,在AMESim中将水下生产相关的液压元件整合成独立的模块,设计人员在建立液压仿真系统时,只需要调用封装好的模块,搭建应用于工程项目的水下生产设施液压控制系统。

以HPU元件的建立为例。根据HPU组成与功能,本研究在AMESim中建立如图2所示的系统,留出高压供油、低压供油、回油3个接口,创建为超级元件,同时设置元件图标、名称、说明等信息后就完成基本的元件封装,打开AMECustom可对建立的超级元件模型进行修正。在AMECustom中研究者需要结合实际生产使用的相关元件参数,进行转换和默认参数的屏蔽,使得仿真参数的设置与实际选型元件参数基本一致,达到水下生产液压控制系统仿真功能的切合。完成水下仿真元件库的建立后,本研究通过AMESim中“add category”功能将存储有关元件图标,元件模型特征,超级元件模型组成的文件夹添加到工作目录当中,就能在AMESim元件库的目录树下看到自行开发的水下液压库。在后续的仿真建模中,本研究只需调用水下液压库中的整合元件实现液压系统的架构。

HPU在AMESim建立的结构图以及封装图如图2所示,包括电机、泵、减压阀、溢流阀、蓄能器。研究者在AMECustom中需要将某些参数进行初始值设定,以及确定对设计人员隐藏的参数。本研究创建的针对水下生产液压控制的元件库以及其中所使用到的基本元件如图3所示。设计人员通过调用该库下的液压元件,搭建所需要的水下生产液压控制系统。

3 Visual Basic辅助软件设计

辅助设计软件的功能主要分为:接受用户数据输入,校核系统参数指标,实现与AMESim交互仿真。辅助软件的开发采用Visual Basic 2008的开发环境[9],不仅可以很便捷地进行界面的设计,同时与Office办公软件结合,实现对操作过程输入与输出的数据进行整理与保存。

(1)参数输入部分。

辅助软件的功能就是将原先需要在AMESim仿真环境中进行繁复的输入等操作,通过更加形象的方式展示在辅助软件界面中。为了使辅助软件的设计更加贴近开发人员的习惯,更加针对水下液压系统的特点,本研究在参数输入方面有一些程序设计上的考虑。简述如下:(1)

①参数的单位符合设计习惯,有清晰的提示信息;

②输入数据的合法性在代入计算前需要进行检验,包括非数字字符,数据的范围过大或者过小,出现为零或者空格的输入。当系统检测到相关错误输入,能够给出提示的信息框,提醒用户修改;

③针对市场上已经存在的水下液压元件的型号,例如Cameron和Halliburton的水下执行器,相关参数已经固化,用户只需要选择相关型号,确定液压元件的细节参数。同时也增加了用户自定义元件参数集的选项。这些数据均通过后台的数据库进行增加、修改与更新。

(2)参数计算与显示部分。

由于长脐带管的输送特性对整个系统的影响最大,水下生产液压控制系统的计算校核围绕脐带管的直径参数进行。计算思路分为正向计算和反向校核两种。正向计算根据用户输入的管道直径,计算液压元件接口出压力,按照前面所述的标准对比,判断设计人员选择的脐带管直径是否符合系统要求;反向校核中,脐带管直径是根据系统标准计算出来的最小值,设计人员在这个范围下去选择合适的管线。本研究设计的软件参数输入界面如图4所示,用户通过元件标签选择液压元件的参数输入项目。

完成所有输入和计算功能之后,辅助设计软件提供数据存储的功能,用于实现将设计人员输入数据、计算结果有效地存储在EXCEL中,便于管理每次设计的数据。

4 联合仿真过程控制

对AMESim仿真的过程控制也是在辅助软件中操作实现的。AMESim提供了相应的模块程序,通过调用这些程序可以实现对仿真文件参数的读取和修改。例如本研究在AMESim中提供了针对Python,Matlab,Visual Basic Application的脚本程序,进行AMESim文件的数据读取、修改,以及仿真过程的运行控制。但是这种脚本程序控制只能对AMESim中设置好的全局参数进行访问控制,局限在AMESim的参数设置级别上,限制了设计人员对AMESim访问的开放性。

AMESim线路应用程序接口(The Circuit API)可实现对AMESim仿真文件更加自由的操作,包括通过外部软件实现在仿真文件中添加模型、布置系统、连接元件、设置子模型、设置元件参数、控制仿真运行、获取仿真结果等功能,基本实现了在非AMESim界面中实现AMESim仿真功能的要求。国内有人在C++程序设计中使用AMESim API进行物理仿真应用[10],虽然实现了对AMESim在较高模块级别的访问,但是由于其设计软件只能针对一个固定的仿真文件,应用局限性较大,也没有充分发挥AMESim API的访问功能。

4.1 联合仿真思路

虽然在AMESim API帮助文档中介绍了相关接口函数的使用,但是研究者通过Visual Basic.Net的软件开发环境完成仿真的过渡,需要根据.Net编程的规则,对函数的定义和使用做相应的修改和调整。

虽然研究者可以通过辅助设计软件建立水下生产系统液压控制仿真模型,但是相关的操作以及与用户之间的交互变得相当繁琐,限制了辅助设计软件的实用性。因此在用户使用该软件之前,需要具备在AMESim中建模的基本能力,可以将开发的元件库中元件拖曳并根据水下生产液压系统原理搭建成需要的目标放在模型。辅助设计软件通过对仿真模型的XML解析[11],获得用户建模的信息,明确后续仿真参数的导入目标。

通过元件的标识进行识别之后,辅助设计软件调用访问AMESim文件的动态链接库(.dll)文件,获得对AMESim进行模型设置、参数设置、仿真运行、结果获取等函数入口地址,从而实现在Visual Basic程序设计界面中对AMESim仿真过程的控制,此时AMESim相关的计算进程都在操作系统后台运行,对于用户是透明的。

4.2 联合仿真步骤

参考AMESim帮助文档AMESim API Manual中,通过Python开发环境的二次访问AMESim的例子,本研究在Visual Basic 2008程序中进行如下的程序处理过程,其程序流程图如图5所示。仿真界面如图6所示。

导入文件的使用通过Visual Basic Open File Dialog控件实现,以便查找用户原先设计保存的*.ame仿真文件。本研究使用AMESim软件中后台执行程序AMELoad.exe打开仿真文件,其中以后缀.cir的文件存储仿真系统建模信息。研究者通过XML解析工具可以看到其中的结构,包括元件名称、使用的子模型、连接信息、各个参数名称及参数值。而在Visual Basic中可使用Microsoft XML V4.0的COM组件实现可对AMESim仿真文件中建模信息的解析。系统通过唯一匹配XML节点中的元件名的关键词,得知用户在创建液压仿真模型中使用的元件,解决了仿真文件必须事先规定好的局限性,只要是用户使用设定的元件库搭建任意正确的AMESim仿真系统,辅助软件都会得到其准确信息,从而将参数正确导入。

一旦得知用户使用的元件信息,本研究就可以明确仿真文件中所有参数的路径。这些路径信息是对AMESim进行接口访问的函数内参量。例如设置HPU供油口出口压力,使用函数AMESet Parameter Value(”LP_output@S01HPU”,”150”),其中LP_output是在创建HPU元件时,在AMECustom中修定的HPU低压供油出口压力变量名,S01HPU是创建时设置的元件名称,通过XML解析获得。其他的相关函数使用,在AMES-im API in VBA的软件帮助文档中有详细的介绍,98个函数满足了对AMESim运行仿真所有的控制需求。

值得注意的是,研究人员在使用外部程序对AMESim访问时,首先要使用AMEInit API()函数获得AMESim仿真的license许可,同时需要使用函数AME-Set Active Circuit()激活需要操作的AMESim仿真文件。在仿真结束之后,研究者需要使用AMEClose API()函数关闭接口,删除在仿真过程中产生的临时文件。

由于这些访问函数都是通过动态链接库的形式获得的,本研究在程序开始需要对这些函数进行声明,例如对于AMEClose API函数的申明采用如下形式:

其中,“ame_apivba.dll”为AMESim软件提供的动态链接库。

当参数设置完毕,进行仿真运行时,软件在后台运行AMESim的计算仿真进程,其计算方法和思路完全是基于AMESim的要求而制定。仿真时间取决于系统复杂程度和仿真时间要求。

仿真结束,研究者可以通过函数AMEGet ResultsFiles List(),AMEGet Variable Final Value()和AMEGetVarible Value()获取仿真结果数据,这些数据可以存储在Excel表格中,也可以通过Visual Basic的作图插件以图线的形式展示给设计人员。

5 结束语

本研究在考虑水下生产液压控制系统特点以及在设计中所考虑的指标基础上,结合AMESim强大的液压系统仿真引擎,为不熟悉AMESim使用的设计人员提供了一个简洁专业的设计软件平台。

为了方便设计人员操作,本研究在AMESim中创建了针对水下生产液压控制系统的水下液压元件库,根据实际工程产品的特点对元件进行了优化。为了形成专业的辅助设计软件,笔者同时结合AMESim的液压系统计算功能,在设计基本的图形化用户输入界面以及简单的计算模块基础上,建立了对AMESim软件的访问接口,实现了对仿真文件参数设置、运行控制、结果获取等相关功能,达到了既操作简单,又有强大计算功能的目的。

在软件开发的过程中,存在“既让用户操作简单,又满足对AMESim访问开放性”的矛盾。为了简化用户的操作,减少软件与用户在信息确认上的交互过程,系统中的控制参数必须采用默认值,扩展的参数对用户屏蔽,这样就导致对AMESim访问的开放性得到限制。本研究采用在AMESim中自定义元件库的方法,规范元件库的相关参数,使得通过辅助软件访问方式清晰明确,在AMESim软件与Visual Basic程序间形成一个良好沟通的中间过程,既保证了用户在使用液压元件库操作中的简易性,也增加了辅助软件对AMESim中元件的访问控制。

参考文献

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[10]张超,廖金军,周志杰.AMESim API在复杂物理系统仿真中的应用[J].流体传动与控制,2011(1):5-7.

水库气枪实验水下监控系统第7篇

1水下监控的意义

1.1气泡发育和上升过程监控。

1.2验证单枪与枪阵叠加原理。

1.3气枪震源的压力时间函数。

1.4传播过程中速度衰减规律。

1.5压力与速度转换仿真分析。

2系统架设方案设计

通过水下LED灯给水下补充光线,方便水下气泡生成等过程的监控。考虑到气体喷射、气泡加速扩张、惯性扩张、气体收缩等形成子波、气泡波的过程都是十分快速的,所以购置的水下高清摄像机的采样率(帧数)要很高。此外,水下LED灯和水下高清快速摄像机还要满足严格的防水规范。

将水下摄像机和浮台上球型高清摄像机监控的画面通过200米的75-5高频线传回到岸上的数据中心,通过视频分配器将信号复制成两路。其中一路直接送至60帧的硬盘录像机进行本地备份,另一路送至16进4出AV矩阵进行调度,最后利用宝利通视频会议终端通过专线送回省局应急指挥大厅和尤溪现场指挥部。

由于水下摄像机数量有限,实验只选择对一支气枪进行监控,图1为水下监控系统摆放位置示意图,在浮台中央过道和边上固定架上安装一个工作平台(图中蓝色区域),平台与枪口距离约为2-4米,该距离是比较理想的拍摄距离。红色五色星是水下摄像和升降平台的安装位置。

气泡的发育和上升过程分析需要水下监控系统的支持,水下监控系统主要包括水下LED灯和水下高清快速摄像机。水下LED灯和水下高清快速摄像机还要满足严格的防水规范,并通过水下LED灯给水下补充光线,方便水下气泡生成等过程的监控。配置的水下高清摄像机的采样率(帧数)较高,希望能拍摄到气体喷射、气泡加速扩张、惯性扩张、气体收缩等形成子波、气泡波的过程。

为了更好地研究气泡的形成、演化及上升过程,此次的陆海联测水库气枪实验,在水下布置两台高清高速摄像机,其中一台水下摄像机(如图2所示)沉放深度与枪的沉放深度相同,处于同一水平面上,方便拍摄气枪在枪口处形成过程。考虑到水下摄像机视角较小且水折射的影响导致拍摄范围较小,在垂直方向上添置一台可以通过手动转动的高清高速摄像机(如图3所示),为研究气泡上升过程的演化过程提供视频资料。

图4为水下监控系统视频采样点示意图,在枪口至水面间进行等间距的视频采样。

由于摄像机数量有限,将整个监控分为多个步骤组成。定焦摄像机放置于枪平面内,借助升降平台的水平转动,使得定焦定向摄像机对准枪口,同时调整云台水下摄像机,使之对准气枪的挂绳。

图5为两台水下摄像机安装位置示意图,浅绿色的平面为水面,浅蓝色的平面为枪平面,四条蓝色的线段为四支气枪,红色虚线为枪口的垂线,图中蓝色箭头为定焦定向水下摄像机,红色箭头为云台水下摄像机。

考虑到气泡上升过程中会受到水流等因素的影响,气泡未必会沿垂直方向上升,此时就需要通过云台水下摄像机在水平方向进行调整,如图6所示。

图7为水下监控系统示意图。螺杆长3米,升降杆(图中蓝色标识)长2米,采用卡扣进行连接。电机转动带动顶部的升降平台整体向下运行,到达一定位置后,通过固定装置将升降杆固定,再使用电机将顶部的升降平台调至适当位置,添加新的一根升降杆,使用卡扣进行固定,并释放最下方的固定装置,开启电机,使整个观测平台往库底移动。另外通过顶部平台的电机,可使升降杆在水平方向进行360度旋转,方便定焦的球型摄像机在水平方向进行转动,达到对准枪口监控的目的。

此次的水库气枪实验,在水下布置两台高清高速摄像机,其中一台水下摄像机沉放深度与枪的沉放深度相同,处于同一水平面上,方便拍摄气枪在枪口处形成过程。考虑到水下摄像机视角较小且水折射的影响导致拍摄范围较小,在垂直方向上添置一台可以通过手动升降的高清高速摄像机,为研究气泡上升过程的演化过程提供视频资料。

两台水下高清高速摄像机拍摄的画面利用多路视频光端机将AV信号转换成光信号,通过300米光纤传回到岸上的数据中心,再通过多路视频光端机将光信号转换为原始的视频信号。考虑到原始数据的本地备份,需要利用视频分配器将信号复制成两路。其中一路直接送至硬盘录像机进行本地备份,另一路送至16进4出AV矩阵进行调度,最后利用视频会议终端通过专线送回厦门现场指挥部。由于使用专网,可以为整个水库通讯系统分配一个IP段,强震仪、GPS接收机、硬盘录像机等设备可以独自设置IP,地震行业网内计算机均可以通过IP访问这些设备读取数据。

参考文献

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基于UUV的水下水雷探测系统第8篇

传统的扫雷方式采用扫雷艇拖曳扫雷具或遥控扫雷艇的方式。这些扫雷方法都没有水雷探测的功能,同时有以下的缺陷:(1)在未探明水雷的雷区扫雷对扫雷人员的安全带来了极大的威胁;(2)扫雷艇有一定的工作海区深度,限制了对浅海地区的扫雷;(3)无论对于拖曳式扫雷艇或遥控扫雷艇,扫雷任务的实施都要涉及大量的物力、人力和财力。

最近十几年,海洋科学勘探、水下救援技术的发展促进了水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)的发展,它的发展反过来给探雷、扫雷的发展以好的启示,并带动了该方面的发展。上个世纪90年代,美国Woods Hole海洋研究所(WHOI)开始进行以海洋科学研究为目的的UUV研究,1997年该系统完成了第一次海洋科学勘探任务,并命名为REMUS 100。此后该系统迅速引起了美国海军的注意,并得到了海军研究办公室(ONR)以及特殊任务司令部的支持,REMUS 100以及其改进型被迅速应用于包括水雷探测在内的海军任务中。目前,有50条不同配置的REMUS 100被用于9所大学,3个美国海军实验室,一个英国国防实验室以及美国海军的3个分支单位。更重要的是,基于REMUS的水雷探测UUV已装备澳大利亚海军以及英国海军[1,2,3,4]。

本文基于REMUS系统提出了一种UUV水下水雷探测系统。给出了系统的总体方案,提出并详细描述了各子系统的方案以及关键技术。最后,分析了在目前条件下研发、生产该系统并装备部队的可能性。

1 UUV水雷探测系统工作原理

利用UUV实现水雷探测,首先必须解决两个问题:探测和定位。探测指UUV采用什么手段寻找目标并对目标性质作出判断。这个问题又可分解为两个问题,即采用什么传感器进行探测的物理问题以及目标判别的数学问题(或信号处理问题)。探测问题目前主要采用的是侧扫声纳(side-scan sonar),在海洋科学勘探中,该声纳常用于探测航道上的障碍物。高频声纳分辨率高,覆盖范围小;低频声纳分辨率低,覆盖范围大。当然,探测传感器不局限于侧扫声纳,还有磁传感器(磁探仪)、光传感器(摄像头)等,或联合使用。对于目标判别,则是根据得到的声、光、磁信息,通过数学和信号处理的手段,判断目标的性质,也可进一步判断目标的大小。关于目标判别算法,也有相关的研究成果。未来可将其实用化,成为运行于UUV内置计算机中的一个目标判别程序。

UUV实现水雷探测的第二个问题是定位。为了扫雷,获得目标的坐标以及发现目标的时刻是至关重要的。同时,为了在扫雷过程中实时监测UUV的状态,为UUV的回收提供方便,实时监控UUV的位置也是非常必要的。为此,必须为UUV水雷探测设计一个水下导航与跟踪系统。仿照天基GPS系统的原理,可以设计水下导航与跟踪系统。该系统由多个水声/无线组合浮标组成,它们构成了一个水下导航网络。每个组合浮标上部在空气中,为无线浮标,将UUV的实时数据传送到岸上或扫雷艇上;下部在水中,为水声通信/定位换能器,UUV发射水声信号,根据到达不同浮标的时间,确定UUV的实时位置。同时,水下信道还传递UUV到浮标系统的传感器数据以及浮标系统到UUV的导航、控制信息。在美国RE-MUS系统中,也有一个水下导航定位系统,被称为PARADIGM。

2 UUV水雷探测系统组成

该系统的组成包括UUV、导航跟踪与通信系统、回收系统以及扫雷艇(或岸上)控制中心。

2.1 UUV部分

UUV部分的外形类似于一般的鱼雷,在其机械以及电子方面的研发生产上可以极大地借鉴鱼雷技术。它包括总体、控制以及动力推进部分。采用轻型材料,UUV的重量可以非常轻,这样极大节省了动力与强度方面的设计。据报道,RE-MUS 100只有36kg,可用手将其放入水中,启动电源后即可工作。

在UUV的有效载荷中,集成了微处理器、多个传感器、水声换能器以及相关电路。传感器包括探测水雷的侧扫声纳、磁、光传感器。水声换能器用于水下导航、跟踪与通信,将位置信息、目标信息通过浮标导航跟踪通信网传输到控制中心。电路部分进行信号的采样、放大和调理。微处理器管理信号的采样、处理,运行目标判别程序,同时管理UUV与导航跟踪通信系统的通信,另外还要控制鱼雷的运动。

UUV中存储了每次任务中的运动状态信息、目标信息,在回收后有标准接口与计算机连接,进行回放。

系统的设计应允许一次任务中多个UUV同时工作,这样可以大大提高效率。

2.2 导航跟踪与通信系统

如前所述,导航跟踪与通信系统由多个无线/水声通信浮标组成,是控制中心与UUV联系的纽带。

UUV的位置、目标信息通过换能器经水下通道到达浮标,在浮标处变换为无线信号传输到控制中心。来自控制中心的导航与控制信号经过浮标进入水中,到达UUV的换能器,对UUV进行控制。

在多个浮标中,有一个收集大量信息的浮标,它的带宽应设计得较大。如有多个UUV在系统中工作,则需要考虑通信网络的设计,为与浮标通信的多个UUV选择媒质接入控制方法。

2.3 发射与回收系统

对于小的探雷UUV,发射与回收都较简单。为了工作时间更长、工作更稳定,需要设计专门的UUV发射与回收系统。

发射系统可以设计为艇上的一个机械平台。发射前,将UUV在平台上固定,然后将平台放入水中,待鱼雷螺旋桨启动到达一定速度后释放UUV,也可通过推拉的方式给予UUV初速度后再释放。

回收系统的设计则较为复杂。目前看到的方案是将UUV通过水声导引的方法,钻进一个“笼子”,该“笼子”即为回收系统。回收系统上安装了多个水声换能器,UUV执行任务完毕后,回收系统水声换能器与UUV换能器通信,逐步将UUV导引到回收系统中。

2.4 控制中心

控制中心包括控制计算机与无线发射设备。UUV的状态、目标的信息、导航跟踪通信网的状态全由控制计算机实时监视与控制。

UUV任务完毕后,控制计算机与UUV通信,下载UUV存储的数据,进行事后分析。

无线发射设备将控制中心的控制信息变换为无线信号并发射到浮标,或接收浮标发射的UUV信息。

2.5 UUV水声通信系统结构

水声通信系统是UUV探雷系统的一个重要组成部分,这里根据通信系统ISO模型概述其结构。在本系统中,UUV的水声MODEM与浮标水声MODEM通信。

物理层:水声MODEM采用跳频频移键控(FH-FSK)。FSK简单,在水声信道中性能较健壮,而FH则可抗水声多径效应。也可采用多速率相移键控,辅之以决策反馈均衡器。

数据链路层:该层将用户信息变换为固定长度的帧。可采用两种不同的帧,分别传输数据与控制信息。帧长度一般在数秒,信息量在几个到两千BYTE。

网络层:采用TDMA方式进行网络控制,由UUV发起通信申请。

传输层:采用循环冗余校验。重传由上层决定,在收到正确数据后即返回确认信号。

会话、表示与应用层在UUV控制软件中实现。软件与MODEM的接口可采用RS-232接口上的NMEA。在表示层,可采用特殊标准将数据格式化。应用层即为UUV界面程序。

3 UUV探雷系统中的关键技术

根据分析,UUV探雷系统中的关键技术有:

(1)UUV平台的机械与电子设计;

(2)UUV中侧扫声纳的设计、选型;

(3)水下导航、跟踪、通信网络的设计;

(4)目标判别算法的设计;

(5)水声MODEM研究与设计;

(6)系统集成技术。

另外,该系统还涉及到UUV控制软件设计,磁、光传感器的设计等。

4 我国开展UUV水雷探测系统的可能性

UUV水雷探测系统是集机械、电子设计、水声信号处理、目标识别、运动控制、通信网络与程序设计为一体的新一代海军反水雷武器,其应用将对传统的扫雷产生巨大的影响,带来高效率、低风险以及大的经济效益。

近年来,我国科技、工业水平迅速发展,UUV水雷探测系统需要的各方面技术与硬件,有的已经很成熟,有的已经过了多年研究。UUV平台可借鉴鱼雷的一整套科研、生产系统。我国有多个大学、研究所、工厂长期从事鱼雷科研及生产,并有多型鱼雷装备部队。水声通信方面也有多个大学、研究所开展了多年研究并取得了许多成果。侧扫声纳国内外已有产品,许多水下勘探系统已经成功投入使用。随着经济发展,获得与UUV探雷系统相关的各个模块也越来越容易,价格也逐渐降低。因此,完全有可能在较短时间内花费较小的财力研究、生产出UUV探雷系统,使其尽早产生战斗力。

摘要：针对传统水雷探测、扫雷方法的缺陷,结合国外反水雷的最新发展,本文提出了一种基于UUV的水下水雷探测系统。给出了系统的总体方案,提出并详细描述了各分系统,提炼了关键技术。最后,分析了在目前条件下研发、生产该系统并装备部队的可能性。

关键词：水雷,UUV,探测,系统

参考文献

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