與陸地上電磁波定位相似，在水下進行無線傳播信息往往以聲波為載體。水下聲學定位技術通?？煞譃椋罕粍佣ㄎ患夹g和主動定位技術。

被動定位技術

被動定位技術主要指通過被動的接收目標輻射噪聲來確定水下目標位置，主要有三子陣法、水下GPS定位和匹配場處理法。與主動定位技術相比，被動定位技術并不發射聲波，因此具有優良的隱蔽性，通常應用于軍用艦艇。

(1) 三子陣法

三子陣被動測距方法（簡稱：三子陣法）是六十年代后期發展起來的噪聲測距方法，目前，己經成為了實用化了的被動定位技術。三子陣法一般包括方位法和時差法，其共同特點是利用間距相當長的3個子陣，子陣本身具有一定的指向性，可獲得良好的空間處理增益。

一般來說方位法測距誤差較大，實際被動聲吶測距常使用時差法。時差法常利用3個子陣，測量波陣面的曲率來完成對目標距離的估計。影響時差法測距精度的因素主要有時延估計精度、目標距離、方位、基陣孔徑、基陣安裝精度、信號強度等。

但是，三子陣定位方法對水聲信道進行了簡化，三子陣系統是在同一平面內進行定位的，它不考慮信道聲速的垂直分布，也不考慮信道的多途效應。不過這種定位方法算法簡單，而且對近距離聲源定位能達到較高的精度，目前在工程上已經得到廣泛應用。

(2) 水下GPS定位

水下GPS技術的設計靈感來自于GPS，該技術可以用于潛艇定位，進行爆炸軍火處理，還能用于水雷對抗許多領域。水下GPS利用空間GPS系統在海洋中布放一系列聲納浮標，形成網格，在水面用空間GPS，在水下用水聲通信。

法國的ASCA公司已經開發了用水下全球定位系統進行搜索與救援的系統，它可以利用水下的GPS信號確目標的三維坐標，進行動目標分析。該系統可以用于跟蹤水下的飛機或潛艇中黑匣子的聲波發器，從而找到目標。系統包括GPS浮標，控制站及聲波發送器。浮標下有水聽器，浮標通過水面上的三個天線與指揮、控制、通信等系統聯系。利用目標發射的信號與浮標接收信號的時間延遲得到浮標和目標的相對位置，同時，利用分GPS接收機能精確測量出浮標的精確位置。

(3) 匹配場處理法

匹配場聲源定位是國際上新興的水聲定位方法，它根據海洋聲信道性，在聲場建模的基礎上，運用一定的匹配場處理算法反演聲源位置。匹配場定位技術充分利用了海洋信道特點來反演聲源位置，因此它可以有效消除信道對定位的影響，它的定位精度比傳統的被動定位精度高。

匹配場定位的被動原理。匹配場定位首先將水聽器陣列接收到的數據經過傅立葉變換后計算頻域協防方差矩陣。假設聲場中某一位置有目標，已知海洋聲場環境參數時，利用現有的聲場模型可以計算出該目標聲源產生聲信號在接收水聽器陣列處的聲場值，通常稱之為拷貝場向量。最后將拷貝場向量和測量信號的協方差矩陣進行匹配運算從而輸出定位模糊表面，如果實際目標位置與假設聲源位置一致，則匹配處理器有最大值輸出，這樣從定位模糊表面上可以讀出目標的位置。

匹配場定位有兩個重要環節，一是拷貝聲場的計算，二是匹配處理器的設計?？截惵晥隹衫矛F有的聲場模型計算得到。現有的聲場模型主要有簡正波模型、聲線模型、拋物方程模型等。其中，最常用的2種傳播模型是射線模型和簡正波模型。射線模型具有簡捷、直觀的特點，適用于描述深海聲場。在淺海存在嚴重的多途和較強的海底散射，射線模型不再適用。簡正波模型考慮了各種海底邊界的影響，適用于研究淺海、低頻的聲傳播問題。目前聲傳播模型的研究主要集中在快速、高精度的聲場模型的研究上。

匹配處理器就是將拷貝場與實測聲場進行匹配運算的算法，從理論上來說，匹配場處理器是傳統的陣列信號處理的波束形成概念的推廣，因此，很多傳統的陣列處理方法都可以用于匹配場處理，而且人們已經證明其中的很多方法是很有效的。按照匹配場處理器的權向量是否與測量數據有關，將其分為線性匹配處理器(CMFP)和自適應匹配處理器(AMFP)。常用的MFP處理器有線性處理器(Bartlett)、最小方差估計器(MV)和匹配模處理器(MMP)。隨著人們對傳播理論研究的深入以及陣處理技術的飛速發展，匹配場處理技術的研究取得了一些突破性的進展。

主動定位技術
主動定位技術主要指通過聲應答的方式實現水下目標定位，需要設置聲基陣，并根據聲基陣的基線長度，主要分為3類，即長基線(LBL)、短基線(SBL)和超短基線(USBL／SSBL)。

(1) 長基線(LBL)定位系統

LBL聲學定位系統一般由3大部分組成：
安裝在水面母船的數據處理及控制系統；
裝于定位目標或母船上的收發器；
布放在海底的由多個收發應答器組成的海底基陣。

其中，應答器的數量至少為3個，并構成一定的幾何形狀。因為，如果采用2個應答器，便會產生目標的偏離模糊問題，而且不能測量目標的水深，所以至少需要3個海底應答器才能得到目標的三維坐標。實際應用中會布設4個或更多應答器，以提高被測載體上的收發機收到不少于3個應答信號的概率，如接收多于3個海底應答器的信號則可獲得冗余觀測量，提高測量精度。

應答器之間的連線構成基線，基線長度一般在幾百米到幾千米之間。在聲學應答模式中，被測載體上的收發機向各應答器發出詢問信號，并接收各應答器的應答信號，通過信號傳播時延獲得收發機至各應答器的距離，列出解算方程，最終確定被測載體的三維位置坐標。

另外，目標上的收發器和海底基陣陣元大多都集成有溫鹽深儀(CTD)，可以精確獲得測量點的聲速和深度。海底基陣收發應答器大多都集成有聲學釋放機構，便于基陣布放及回收。除了上述主要部分外，根據LBL絕對定位要求，母船上還需安裝水面GNSS定位系統、電羅經、聲速剖面儀、姿態補償裝置等外圍支持設備。

長基線系統優點：定位精度高，與工作水深無關。

長基線系統缺點：系統復雜，操作繁瑣；聲基陣數量大，費用昂貴；需要長時間布設和回收海底基陣；需要詳細對海底聲基陣校準測量，耗費大量的時間。

(2) 短基線(SBL)定位系統

與長基線定位系統不同，短基線定位系統的定位基元布置在船底，通常由3個以上換能器組成，換能器的陣形為三角形或四邊形，組成基陣?；囬L度一般在幾米到幾十米之間，各換能器之間的相互關系精確測定，組成基陣坐標系。

短基線系統的測量方式是由一個換能器發聲，所有換能器接收，通過測量聲波在應答器與發射基元之間的傳播時間來確定斜距；通過各基元接收應答器信號的時間差來解算目標的方位，進而推算出應答器的相對坐標。系統根據基陣相對于船坐標系的固定關系，配以垂直參考單元(VRU)、羅經(Gyro)、參考坐標系統(GPS)等外部傳感器，以獲取船的位置、姿態、船艏向等輔助信息，最終計算得到應答器的大地坐標。

短基線定位系統優點：系統組成簡單，便于操作，不需要組建水下基線陣，測距精度較高；

短基線定位系統缺點：需要在船底布置3個以上的發射接收器，要求具有良好的幾何圖形，這對船只提出了更高的要求，在深水區為了達到更好的定位精度需要加大船底基線的長度，整個系統需要做大量的校準工作，系統的定位精度與水深和工作距離密切相關，水深越大，工作距離越大，則系統的定位精度越低。

(3) 超短基線(USBL／SSBL)定位系統

與前兩種不同，超短基線定位系統的基陣長度一般在幾厘米到幾十厘米的量級，它利用各個基元接收信號間的相位差來解算目標的方位，通過測量聲波在應答器與基陣之間的傳播時間來確定斜距。超短基線定位系統一般需要3個以上的換能器基元裝入一個部件中，組成基陣，并安裝在水面的船體上，基陣坐標系與船的坐標系之間的關系要在安裝時精確測定。系統也需要配有垂直參考單元(VRU)、羅經(Gyro)、參考坐標系統(GPS)等外部傳感器。

水面基陣的一個換能器向水下應答器發射詢問信號，通過測量對比不同換能器基元接收的同一個應答信號之間的相位差確定應答器的方位，從而可以確定應答器相對于船體的方位。換能器與應答器的距離通過測定聲波傳播的時間，再用聲速剖面修正確定距離，從而獲取應答器的相對坐標。將水面船載GPS與超短基線定位系統相結合，能夠準確判斷水下應答器的精確位置。

超短基線定位系統優點：構成簡單，操作方便，不需要組建水下基線陣，便于大范圍機動作業；

超短基線定位系統缺點：需要做大量的校準工作，系統的定位精度與水深和工作距離密切相關，水深越大，工作距離越大，則系統的定位精度越低。

（4）小結

長基線定位(LBL)的定位精度最高，但是水底布設高精度定位已知點的施工難度大且費用較高，一般使用在石油平臺監測、水下考古打撈等需要高精度定位的工程。

短基線定位（SBL)需要對船體進行改造，才能放置換能器基陣，對船只的要求使短基線的應用受一定的限制。

相比長基線定位(LBL)和短基線定位(SBL)，超短基線聲學定位系統(USBL)的優勢是很明顯的：只需要在船舶上安裝一個換能器及其聲基陣，就可以提供高精度的聲學定位，并與GPS/INS定位技術相結合，即可實現相對定位與絕對定位的轉換，直接為定位目標提供高精度、高可靠性的大地經緯度坐標。GPS+INS+USBL的組合導航定位方式，即使是在衛星信號短暫失鎖的情況下，也可保證水下目標(ROV、AUV、潛水員)連續不斷的高精度定位需求。

應用方向

(1) 軍事

由于潛艇和深海探測技術的發展，水下目標的精確定位就顯得額外的重要，潛艇、水面艦艇的調遣、作戰航行都離不開導航定位，利用水聲定位、GPS、慣性導航的組合定位系統可對水下各類有人、無人潛器進行水下定位和導航，配合多波束、側掃聲吶、合成孔徑聲吶等，可探測敵方目標位置和三維地圖等。

(2) 海洋考察和海底打撈

遙控潛水器(ROV)/水下機器人(AUV)等水下潛器被廣泛應用于生物、礦石的采樣，海底環境信息采樣與地形勘探之中。水聲定位系統還可監測引導ROV/AUV進行海底沉船、失事飛機殘骸的搜索、打撈作業。如我國“蛟龍”號載人潛水器的水下定位就主要依靠：USBL和LBL定位系統。

(3) 海洋工程

水聲定位系統在鉆井船和浮式平臺等海洋工程裝備中也得到廣泛應用，如海上油田的電纜定位、管線鋪放、管線測量等都需要用到水下定位技術。


長基線水聲定位系統的基陣長度一般在幾百米到幾千米的量級，它通過測量水下目標聲源到各個基元間的距離來確定目標的位置。短基線水聲定位系統的基陣長度一般在幾米到幾十米的范圍，它通過測量目標發出的信號達到各接收基元的時間差，解算目標的方位和距離。超短基線水聲定位系統的基陣長度一般在幾厘米到幾十厘米的范圍，它與前兩種不同，利用各個基元接收信號間的相位差來解算目標的方位。