船舶水下辐射噪声测量距离获取方法研究_王文冠.pdf

2022年第46卷第10期11Underwater Acoustic EngineerinG水 声 工 程文献引用格式：王文冠.船舶水下辐射噪声测量距离获取方法研究 J.电声技术，2022，46（10）：11-13，30.WANG W G.Research on distance acquisition measuring method of ship underwater radiated noiseJ.Audio Engineering，2022，46（10）：11-13，30.中图分类号：TB532 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2022.10.003船舶水下辐射噪声测量距离获取方法研究王文冠（大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013）摘要：海洋生物的生存环境受船舶水下辐射噪声的影响日益加剧，解决水下噪声污染问题迫在眉睫。通过开展船舶水下辐射噪声测量，进行减振降噪改进，是减小船舶水下噪声污染的有效技术手段。针对民用船舶水下辐射噪声测量无法使用水声测距的问题，提出一种船舶水下辐射噪声测量距离获取方法，融合水声测距和差分 GPS 定位技术，实现水听器和被测船舶间距离实时获取。经过对比试验验证，所提方法与传统水声测距方法的结果一致，误差在1 m以内。所提方法还可以同步给出航速、航向信息，解决左右舷模糊问题，提升测量过程可视化水平。关键词：水下辐射噪声；水声测距；差分测距Research on Distance Acquisition Measuring Method of Ship Underwater Radiated NoiseWANG Wenguan(Dalian Scientific Test and Control Technology Institute,Dalian 116013,China)Abstract:The influence of ship underwater radiation noise on marine living environment is becoming more and more prominent,and it is urgent to solve the problem of underwater noise pollution.Carrying out the measurement of underwater radiation noise of the ship is an effective technical to reduce the noise pollution of the ship.The existing water acoustic ranging method cant be applied to the underwater radiation noise measurement of civil ships,so a method for measuring distance is proposed,integrated water acoustic ranging and differential GPS positioning technique,realize the distance measure between the hydrophone and the measured ship.Through comparison test,the result was consistent with the traditional acoustic ranging method,within 1 m.This method can also show the speed and course information,solve the problem of the left and right sides,improve the measurement process visualization level.Keywords:underwater radiation noise;acoustic ranging;GPS ranging0 引 言近年来，全球多地频发大型海洋哺乳动物海滩搁浅状况，我国海滩也出现非本地鲸类种群搁浅，说明航运业水下噪声污染已经开始对海洋生物的生存产生了影响，敦促人类尽快重视水下噪声治理问题。根据多海域海洋噪声测量结果，结合航运业航路分布地域特征，显然商船水下辐射噪声是海洋噪声的主要污染源。据不完全统计，随着航运船舶的不断增多，海洋低频背景噪声正在以每年 0.5 dB 的速度快速增长 1，而全球变暖引起的海水酸化也在降低海洋吸收噪声的能力 2，因此在无法减少船舶数量的情况下，需要提高船舶建造工艺，控制船舶水下辐射噪声水平。2005 年，国际海洋勘探理事会发表了一份研究报告，继化学污染、气候变化后，报告警告海洋水下噪声污染将是下一个全球性问题，需要全球合作共同解决。因此，2013 年 3 月，国际海事组织环保委员会第 57 次会议，各国陆续开始广泛关注“商船水下辐射噪声对海洋生物影响”，并被海事环保组织列为优先考虑事项 3，并在本次会议批准了非强制性的“减少商船水下辐射噪声导则”。该导则于 2014 年 3 月 IMO 第 66 届 MPC 会议正式审议通过，对外发布，以此来逐渐减小商船产生的水下噪声污染对海洋生物生活和繁衍的负面影响，特别是对鲸类等海洋哺乳动物的影响 4。开展船舶水下辐射噪声测量评价，开展噪声源定位分析，降低其对周围海域影响，是控制船舶水2022年第46卷第10期12水 声 工 程nderwater Acoustic EngineeringU下辐射噪声污染的有效技术手段。其中，获取水听器和水面船舶间距离是辐射噪声量级评价的关键。目前，水面舰艇常用距离测量方法为在首部玻璃钢球艏内安装声学发射换能器，采用水声测距的方法获取距离。而民用船舶普遍无玻璃钢球艏，需要一种新的方法测量水听器和水面船舶间的距离。1 总体方案水听器和被测船舶分别处于水和空气两种介质中，通过单一物理量的传播测距难以获取两者间的准确距离，需要在两种介质间建立联系，解决商船水下辐射噪声测量时水听器和船舶间距离获取问题。在测量船设立三维定位解算终端，融合水声测距和差分 GPS 定位技术，实现船舶水下辐射噪声测量距离同步精确获取，总体方案如图 1 所示。基于差分 GPS 绝对坐标定位技术，可以精确获取被测船舶与测量船间的位置关系，基于水下多频点水声测距方法，可以准确获取测量船与水听器间的位置关系，然后建立空间几何模型，将差分 GPS 定位结果和多频点水声测距定位结果换算至同一坐标系，三维定位终端数据分析模块进行处理解算，给出被测船舶和水听器间距离，实时显示被测船舶水下辐射噪声测量过程。2 被测船舶定位方法本节利用差分 GPS 绝对坐标定位技术获取被测船舶和测量船间的相对位置关系。基准站架设于测量船上，移动站安装于被测船舶上，移动站通过接收基准站发送的 RTK 差分信息完成差分修正，实现被测船舶的精确定位，可以提供位置、时间、速度及相对距离等信息。差分 GPS 定位原理为载波相位差分技术。基准站通过连续观测卫星信号确定自身位置，移动站不仅通过连续观测卫星信号确定自身位置，还接收基准站信号确定自身位置，对多信息数据进行实时处理，解算出自身位置坐标5。以下详细介绍定位原理。伪距观测值由基准站对第 j 颗卫星进行连续观测得到，同理，伪距改正数也由基准站对第 j 颗卫星进行连续观测得到，分别为 bj和 bj：jjjbbbR=（1）式中：Rbj是第 j 颗卫星与基准站间的实际距离。基准站的伪距改正数 bj确定后，用于修正移动站的伪距，如式（2）所示：()()()222jjjbuujujujuRddXXYYZZ+=+=+（2）式中：(Xu,Yu,Zu)代表移动站的坐标值，uj代表移动站的伪距离观测值，(Xj,Yj,Zj)代表移动站与第j 颗卫星间的实际距离，Ruj代表基准站与第 j 颗卫星间的实际距离，d 为同一观测历元的各项 残差。对于载波相位观测量：()000jjjjooNNtt=+（3）式中：Noj是起始相位模糊度，是载波波长，oj是相位的小数值，Noj(t1-t2)是从观测历元至起始历元间的整周模糊度。结合式（2）和式（3）有：()()()()()00jjjjjjjjbubbububjjjjububRRNNNNtttt+=+=+（4）差分GPS单元三维定位终端多频点测距定位单元GPS基准站GPS移动站测距发射模块测距接收模块数据分析控制执行存储显示GPS同步 图 1 总体方案2022年第46卷第10期13Underwater Acoustic EngineerinG水 声 工 程N=(Nuj-Nbj)是起始整周数之差，N 为常数（只要保持卫星不失锁），载波相位测量差值设置为=Nuj(t-t0)-Nbj(t-t0)+j(uj-bj)，则 式（4）可 以表示为()()()222jbjujujuRNdXXYYZZ+=+（5）从式（5）可知，N 是常数，d 也等同于常数，利用移动站和基准站同一时间同时观测 4 颗一样的卫星，即可求根据上述方法解出移动站坐标(Xu,Yu,Zu)。船舶水下辐射噪声测量时，将基准站置于测量船固定的已知位置，移动站置于被测船舶随船移动，在同一地点开展测试，基准站和移动站之间卫星的星历误差、卫星的时钟误差、对流层的延时与电离层的延时近似相等或相关度极高 6。因此，基准站在接收到卫星发送的时间信息、坐标信息后，立即将其发送给位于被测船舶上的移动站，移动站同时也接收到卫星发送的时间信息和坐标信息，也接收到了基准站发送的载波信息，通过实时处理两个信息的相位差观测值，能够实时给出测量船与被测船舶间厘米级的定位结果。3 水听器定位方法水听器相对于测量船的位置获取主要采用水下多频点测距定位方法 7。多频点定位主要通过在测量船的一侧定深安装两个不同频率的发射换能器作为信标，定时发射高信噪比测距信号，并由水下测量装置中的测量水听器进行同步接收，利用高精度时延估计算法可解算出信标与任意测量水听器之间的距离，依据三角定理原理，即可快速、精确地实现水声测距定位。假 设(xcalib1,ycalib1,zcalib1)(xcalib2,ycalib2,zcalib2)为 以船载 GPS/BD 为基准的相对坐标系中两个发射换能器的坐标，R1i，R2i为水下声学测量装置中各水听器距离发射换能器的实测距离，hi为各水听器的实际深度，Hgps为测量船上用于定位发射换能器坐标的 GPS/BD 设备距离水面的高度，因此，通过如下方程组可获得在相对坐标系中各水听器的三维坐标。icalibicalibicalibiicalibicalibicalibiiixxyyzzRxxyyzzRzhh2222111122222222gps()()()()()()|-+-+-=|-+-+-=|=+|（6）通过整合所有水听器的空间坐标，将结果联合绘制，便可获得水下声学系统的阵形。针对船舶水下辐射噪声测量评价需求，利用三角形原理可以解算出任意水听器相对测量船的坐标8。将被测船舶-测量船结果和水听器-测量船结果换算至同一坐标系，即可获取水听器与被测船舶间的距离。被测船舶定位方法得到的数据与水听器定位方法得到的数据汇总至三维定位终端进行处理解算，实时显示被测船舶水下辐射噪声测量过程。三维定位终端主要包括数据分析模块、控制执行模块和存储显示模块，其主要功能是用于实现被测船舶定位和水听器定位信息的汇总、综合处理以及最终三维坐标的实时跟踪与显示。其中，数据分析模块针对差分 GPS 单元获取的经纬度形式位置信息，以高斯克里格法投影到解算需要的平面直角相对坐标中，计算获得各声学测量装置的相对坐标和绝对坐标；控制执行模块实时控制对任意声学测量装置进行三维定位、显示及位置监测，控制系统的整体运行、数据流的输入输出及存储等；存储显示模块主要以特定格式存储各水下声