【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究團(tuán)隊(duì)取得突破，提出了一種基于單根自沉纜構(gòu)建曲線型體陣列的分布式三維水聲定位新方案。這一創(chuàng)新技術(shù)解決了水下聲敏纜陣型布設(shè)要求高、陣列動(dòng)態(tài)時(shí)變等海洋環(huán)境難題。
這項(xiàng)研究已經(jīng)以論文形式發(fā)表于國際知名光學(xué)期刊Optics Express，并被編輯推選為“Editor's Pick”，標(biāo)志著該方案受到了國際同行的認(rèn)可。
01 科研背景
水聲定位技術(shù)在海洋資源勘探、水下目標(biāo)監(jiān)測和海洋科學(xué)研究中扮演著關(guān)鍵角色。分布式光纖聲波傳感作為一種新型水聲探測技術(shù)，利用光纖中的背向瑞利散射效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)水聲信號的連續(xù)分布式檢測。
與傳統(tǒng)的水聲探測設(shè)備相比，DAS技術(shù)具有大規(guī)模陣列組網(wǎng)、易于布設(shè)、低成本和大范圍監(jiān)測等明顯優(yōu)勢。這些特點(diǎn)使得該技術(shù)在水聲領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，被視為海洋監(jiān)測技術(shù)的重要發(fā)展方向。
02 現(xiàn)實(shí)困境
盡管分布式光纖聲波傳感技術(shù)在水聲探測中展現(xiàn)出巨大潛力，但其在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨顯著挑戰(zhàn)。目前基于DAS的水下目標(biāo)定位方法主要依賴線性陣列，需要布設(shè)線性懸浮纜或選取既有纜線性區(qū)域來構(gòu)建探測陣列。
這種傳統(tǒng)布設(shè)方式不僅成本高昂，而且在復(fù)雜的海洋環(huán)境中實(shí)用性有限。海洋環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化使得線性陣列難以保持穩(wěn)定形態(tài)，影響了定位精度和可靠性。因此，開發(fā)一種快速便捷且能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)三維定位的方法，成為DAS技術(shù)在水聲探測領(lǐng)域推廣應(yīng)用急需解決的問題。
03 方案原理
上海光機(jī)所研究團(tuán)隊(duì)提出的創(chuàng)新方案，巧妙地利用了單根自沉纜在自然沉底過程中形成的曲線型三維結(jié)構(gòu)。這根纜索在海床上自然鋪設(shè)，形成復(fù)雜的曲線形態(tài)，而這恰恰成為構(gòu)建三維體陣列的基礎(chǔ)。
研究團(tuán)隊(duì)通過精確建立聲場與自然沉底的聲敏纜位置之間的映射關(guān)系，成功實(shí)現(xiàn)了對這一非規(guī)則陣列的有效利用。這種方法擺脫了對規(guī)則陣列形態(tài)的依賴，能夠適應(yīng)海洋環(huán)境的自然變化。
04 研究歷程
這項(xiàng)突破性成果建立在研究團(tuán)隊(duì)長期積累的基礎(chǔ)上。自2019年起，該團(tuán)隊(duì)就針對DAS技術(shù)的獨(dú)特分布式密集探測新范式展開了系統(tǒng)研究。在前期工作中，他們先后賦予了DAS分布式立體定位能力，為三維定位奠定了基礎(chǔ)。
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)了DAS技術(shù)的水聲目標(biāo)定向偵聽能力，使其不僅能夠探測目標(biāo)的存在，還能確定目標(biāo)的方向。這些前期成果為當(dāng)前的三維定位方案提供了理論支持和技術(shù)積累。
05 技術(shù)性能
在實(shí)際海試中，研究團(tuán)隊(duì)對這一新方案進(jìn)行了全面驗(yàn)證。結(jié)果表明，該技術(shù)能夠?qū)嚯x聲敏纜橫向25米處的聲源實(shí)現(xiàn)高精度三維定位，平均定位誤差僅為2.2米，標(biāo)準(zhǔn)差為0.3米。
更令人矚目的是，最大定位范圍達(dá)到1100米，顯示出廣泛的適用性。該方法還展現(xiàn)出強(qiáng)大的魯棒性，即使在陣型發(fā)生一定程度變化的情況下，仍能保持較高的定位精度。
具體來說，在10%定位誤差范圍內(nèi)，該系統(tǒng)能夠容忍9米的陣列平移、5度的陣列旋轉(zhuǎn)和10米的陣元局部移位。
06 創(chuàng)新價(jià)值
這項(xiàng)研究最大的突破在于解決了水下聲敏纜陣型布設(shè)要求高的難題。傳統(tǒng)方法要求陣列保持特定形態(tài)，而海洋環(huán)境的動(dòng)態(tài)特性往往使這一要求難以滿足。
新方案利用自然沉底的聲敏纜構(gòu)建三維體陣列，顯著降低了對陣型穩(wěn)定性的要求，使系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)海洋環(huán)境的自然變化。這一特點(diǎn)大大提升了技術(shù)的實(shí)用性和可靠性。
07 前景展望
這項(xiàng)研究成果為海洋水下目標(biāo)精確立體定位方法提供了全新的技術(shù)手段。在海洋資源勘探、水下目標(biāo)監(jiān)測和海洋科學(xué)研究等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
該技術(shù)不僅能夠提高水下定位的精度和可靠性，還能顯著降低布設(shè)成本和維護(hù)難度。隨著海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國家對海洋權(quán)益的日益重視，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。
該研究得到了國家科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金以及上海市自然科學(xué)基金的多方支持，體現(xiàn)了國家對海洋科技創(chuàng)新的高度重視。隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善和推廣應(yīng)用，這一創(chuàng)新方案有望為我國的海洋事業(yè)發(fā)展提供有力技術(shù)支撐。
從海底傳回的信號不再需要復(fù)雜的陣列網(wǎng)絡(luò)，僅憑一根自沉纜的曲線軌跡，就能精確定位1100米范圍內(nèi)的目標(biāo)，平均誤差控制在2.2米。這不僅是數(shù)字的突破，更是對海洋探測傳統(tǒng)思維的根本轉(zhuǎn)變。
研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將這一技術(shù)從理論推向海試驗(yàn)證，魯棒性數(shù)據(jù)表明，即使在陣列發(fā)生9米平移或5度旋轉(zhuǎn)的情況下，系統(tǒng)仍能保持90%的定位精度。海洋環(huán)境的不可控因素，不再是技術(shù)應(yīng)用的障礙。
隨著最后一組海試數(shù)據(jù)的分析完成，這項(xiàng)技術(shù)正在邁向?qū)嶋H應(yīng)用的新階段。它可能成為未來海洋監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)配置之一，重新定義我們對海洋深處“可見性”的理解邊界。
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