《多波束原理安装及操作解析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多波束原理安装及操作解析（151页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、普通声学和多波束声纳纳 原理 普通声学原理 水中的声速 海洋中各处的声速都可能不一样 取决于三个参数 盐度变 1ppt = 声速约变 1.3 m/s 温度变 1C = 声速约变 3 m/s 压力 ：165米深度变化的影响相当于 温度变1C 表面声速 典型海洋声速剖面 表面层 季节性温跃层 永久性温跃层 深部等温层 声速（米/秒） 水深度 （ 米） 传播损失 扩展损失 衰减 吸收 散射 反射 扩展损失 注意并没有真正的能量损失，只是随着波前面的增大 而能量密度变小。与声波频率无关。一般为30 log DB. (Figure from Sonar Technology, by Herman W.
2、Volberg) 球面扩展 柱面扩展 吸收 水吸收声能量后转变成热量，单位： dB/km 与水中 MgSO4 和 MgCO3 含量有关 与声波频率有关 与温度有关 与盐度有关 与压力有关 扩展损失和吸收损失值将用于计算TVG 增益曲 线的上升速度 对应 不同频率声波的吸收系 数 频率淡水吸收系数盐水吸收系数 12kHz (SeaBat 8150) 1dB/km2 dB/km 100kHz (SeaBat 8111) 5dB/km30dB/km 240kHz (SeaBat 8101) 20dB/km70dB/km 455kHz (SeaBat 8125) 70dB/km110dB/km 散 射
3、 水中的声波遇到下列物体后发生散射: 水面、水底和陆地 有机颗粒 海洋生物 气泡 温度变化 被散射的能量大小是声波传播路径上杂物的大小 、密度和浓度，以及声波频率的函数。 散 射 一部分散射的能量作为回波回到声源处叫做后向 散射。 后向散射一般称为反射。反射分为： 水面反射 水体反射 水底反射 反 射 水体反射 鱼 / 水中生物 悬浮固体，气泡，温度变化 水面反射 波浪 / 气泡，与风速有关 水底反射 水底粗糙度 / 沉积物 声波频率 海底吸收 n 变化幅度为 2 dB 30 dB n 随声波频率、海底类型、入射角变化 n 随着频率和入射角的增加损失增加 海底的吸收和反射 背景噪音 n自身噪音
4、 声纳和船体电子和机械操作引起的噪 音，一般可控制 n环境噪音 其他声源引起，一般不可控制 自身噪音的例子 q机械噪音 柴油机，齿轮箱，传动轴，螺旋桨及其他 辅助机械 q流噪音 - 与速度有关 - 层流和船体情况 q电子噪音 声纳中的噪音分量 q空化 与速度有关的由于极低压引起的气泡断裂噪音 通常由螺旋桨造成 流噪音 气泡 n船体形状和设计影响船体流体特性 n改变声纳头到船壳的高度可使影响最小化 环境噪音 水力的 波浪，潮汐，流速。与天气有关 地震 只有低频系统受影响 交通 其他船 生物的 海洋生物，一般 Constructive interference Line of equidistan
5、t locations d 相长干涉位置 2 d S1S2 A A = d x sin() 相长干涉 : A/ = 0, 1, 2, 3 or (d/) x sin() = 0, 1, 2, 3, 4, etc 相消干涉 : (d/) x sin() = 0.5, 1.5, 2.5, 3.5, etc 普通波动动原理 间隔 /2 的二个声源 相消 无声 d = /2S1S2 相长 最大声 =0 =90 相长 最大声 相消 无声 =180 =270 普通波动动原理 间距为 /2 的二个声源的波束指向图 相消 无声 S1S2 =0 =90 =180 =270 普通波动动原理 直线阵的波束指向图 直
6、线阵的轴线 主波瓣 旁波瓣 指向轴 0 w 半功率波束宽度 P (w) P (0) P (w) / P (0) = 1/2 - 3 dB 普通波动动原理 矩形孔径换能器的波束指向图 -13 dB 第一旁瓣 A A L -90 -90 +90 +90 普通波动动原理 普通波动动原理- 旁瓣 n旁瓣产生于特定的声源相长干涉点 n我们的目的是要使主波瓣最大化而所 有旁瓣最小化 n旁瓣指向于不希望的方向，使主波瓣能 量减少 n旁瓣造成的回波，如旁瓣路径上的鱼 的回波，会被认为 是主瓣路径上的目标 物 普通波动动原理- 波束导向 和束控技术 振幅束控: 发射波束旁瓣的能级可以通过给声 源阵中不同基元加以
7、不同的电压值 而减少， 这样同时会增加主波瓣的宽度。 相位束控:对声源阵中不同基元接收到的信号 进行适当的相位或时间延迟叫做相位束控。用 此技术可将主波瓣导向特定的方向（波束导向 ）。这时，每个声源基元的信号是分别输出的 。 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 电源 电性上互相 独立的基元 普通波动动原理- 束控(Shading) 采用束控技术前、后的矩形孔径换能器的波束指向图 -27 dB 第一旁瓣 A A -90 -90 +90 +90 普通波动动原理- 束控 -13 dB 第一旁瓣 换能器阵越大或基元越多主波束越窄 换能器阵尺寸一定时，频率越高，主瓣越窄。但频率越高，
8、衰减越大 普通波动动原理- 波束宽度 波束形成 波束宽度 对声源阵中不同基元接收到的信号进行适当的相位或时间延迟可实现波束对声源阵中不同基元接收到的信号进行适当的相位或时间延迟可实现波束 导向导向 波束导向（Steering） 对声源阵中不同基元接收到的信号进行适当的相位或时间延迟可实现波束对声源阵中不同基元接收到的信号进行适当的相位或时间延迟可实现波束 导向导向 波束导向（Steering） 普通波动动原理- 束控 n换能器阵越大主波束越窄 n主波束的宽度在半功率点测量 n旁瓣是不受欢迎的但是不可避免的 n旁瓣可以利用束控技术以增加主波瓣宽度为 代价而减少 n一个换能器阵的波束指向图对发 射
9、和接收都 是相同的 压电陶瓷 导电涂层 电连接线 波束形成 换能器基元 加强背板 水密装置 压力 波束形成 换能器基元 导电涂层 连接导线 波束形成 换能器阵 123 阵基元 声波 当 =0 时的声源距 波束形成 水听器阵 基元 1 时间 振幅 基元 2 时间 振幅 基元 3 时间 振幅 波束形成 水听器 对垂直声源的响应曲线 时间 振幅 x 3 波束形成 水听器 对垂直声源的响应和曲线 123 水听器阵基元 声波 在 角度下的距离 波束形成 水听器阵 基元 1 时间 振幅 基元 2 时间 振幅 基元 3 时间 振幅 输出信号的相位 波束形成 水听器 对斜交声源的响应曲线 时间 振幅 波束形成
10、 水听器 对斜交声源的响应和曲线 123 dd 123 B A 声源 换能器阵轴 波前 A = d x cos (), B = 2d x cos () T2 (到水听器 2 的时间) = A/c = (d sin )/c ; c 是当地声速（非常重要） T1 (到水听器 1 的时间) = B/c = (2d sin )/c 波束形成 入射波前以角度到 达水听器阵 波束形成 入射波前以角度到达 水听器阵(相位或时间 延迟-波束导向) 如已知时间差T1, T2 ，我们就可以先对个别水听器的 信号进行一定的时间偏移以获得波前相长干涉，然后 对各水听器输出求和，就可得到对于入射角为时的最 大水听器阵输
11、出。 如前一张幻灯的例子，我们可以将水 听器3 的信号加上水听器 2 延迟T2的 信号，再加上水听器1 延迟T1的信号 （这个过程叫做导入时间延迟），这 样可得到波束指向图主波瓣轴向转向 与垂直方向成角的方向。 波束形成 波束导向 波束形成 - 波束导向 弧形阵，对表面声速不敏感平面阵，表面声速非常重要 波束形成 - 表面声速 n 如果用于波束导向的声速大于真实声速，平坦 海 底就会表现为“笑脸形”； n 如果用于波束导向的声速小于真实声速，平坦 海 底就会表现为“哭脸形”； n 对弧形阵，因为每个波束都垂直于阵表面，对 表 面声速不敏感，大致声速就满足要求。 n 因为水体中声速变化而引起的声
12、线折射，则需 要 根据声速剖面数据用射线追踪的方法改正 平面换能器阵的波束宽度 n 用波束导向后波束宽度会随着导向角的增大而 增大 n 有效阵元孔径会随着导向角的增大而变小 n 有效孔径按函数 1/Cos A 减小，A 是导向角度 。从中央波束到60导向角范围内，波束宽度大 致呈线性增加 n例如： 波束导向角为 0, 波束宽度为 0.5 （中央波束） 波束导向角为 30,波束宽度为 = 1/cos30 x 0.5 = 1.15 x 0.5 = 0.575 波束导向角为 60,波束宽度为 = 1/cos60 x 0.5 = 2 x 0.5 = 1 波束输出 求和 基元 1 one at 2 kt
13、s, the other at 6 kts GPS延时 Null is the established latencySystematically applied latencies Error in Metres Roll Test Roll误差 Imagine vessel coming directly towards you. Roll误差 Minima Systematically applied corrections Error difference in surfaces Roll 误差 nRoll 校正的误差应达到 0.01的精度. nRoll误差将导致水深值误 差，因此它
14、是最重要的校正 Roll误差 An uncorrected roll error will result in erroneous depths for the outer beams Pitch误差 nPitch 误差造成延航线方向的位移，位 移值与水深成正比，水深越大位移越大 。 Pitch Test Pitch 误差 Profile of slope produced from reciprocal run Profile of slope from first run Twice the Pitch Error Line run in two opposite directions P
15、itch 误差校正 This is the data set for the Pitch test. As a large section is also flat, it could be used for the Roll test. One of these lines could have also been used for the Latency test. Pitch 校正 The entire dataset is not used to solve for the pitch test, just the area of the slope Pitch 误差 Pitch 误差
16、将导致水深点的位置误差 Yaw 误差 nYaw 误差引起边缘 波束水深点的位置 误差 Yaw 误差校正 n在斜坡上的二条平行测线 或者在一个 礁石二侧的二条测线 n测线 的间距应保证二测线间 有 10 50% 的波束覆盖率 n二测线 可以反向，也可以同向 Yaw 误差校正 Yaw 误差校正 Two parallel lines normal to a feature. As the results of the roll test are applied prior to the yaw test, the lines are run in the same direction. Yaw 误差校正 Yaw 误差 离中央波束越
