多波束原理安装及操作

1、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1CSound velocity (at surface)14001420144014601480150015201540156005101520253035Temperature (degrees C)Velocity (m/sec)0 ppt5 ppt10 ppt15 ppt20 ppt25 ppt30 ppt35 ppt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）扩展损失衰减吸收散射反射注意

2、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. Volberg) 球面扩展 柱面扩展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频率频率淡水吸收系数淡水吸收系数盐水吸收系数盐水吸收系数12kHz(SeaBat 8150)1dB/km2 dB/km100kHz(SeaBat 8111)5dB/km30dB/km240

3、kHz(SeaBat 8101)20dB/km70dB/km455kHz(SeaBat 8125)70dB/km110dB/km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。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n 变化幅度为 2 dB 30 dBn 随声波频率、海底类型、入射角变化n 随着频率

4、和入射角的增加损失增加 声纳和船体电子和机械操作引起的噪音，一般可控制 其他声源引起，一般不可控制q机械噪音机械噪音 柴油机，齿轮箱，传动轴，螺旋桨及其他辅助机械q流噪音流噪音 - 与速度有关 - 层流和船体情况q电子噪音电子噪音 声纳中的噪音分量 q空化空化 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 interferenceLine of equidistant locationsd相长干

5、涉位置相长干涉位置 2dS1S2AA = 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间隔间隔 /2/2 的二个声源的二个声源相消相消无声无声d = /2S1S2相长相长最大声最大声 =0=90相长相长最大声最大声 相消相消无声无声 =180=270间距为间距为 /2/2 的二个声源的波束指向图的二个声源的波束指向图相消相消无声无声S1S2=0=90=180=270直线阵的波束指向图直线阵的波束指向图直线阵的

6、轴线主波瓣旁波瓣指向轴0w半功率波束宽度 P(w)P(0)P(w)/P(0)=1/2-3dB矩形孔径换能器的波束指向图矩形孔径换能器的波束指向图-13dB第一旁瓣AAL-90-90+90+90A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9电源电性上互相独立的基元采用束控技术前、后的矩形孔径换能器的波束指向图采用束控技术前、后的矩形孔径换能器的波束指向图-27dB第一旁瓣AA-90-90+90+90-13dB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， 衰减越大压电陶瓷导电涂层 电连接线加强背板水密装置压力 导电涂层 连接导线123阵基元 声

7、波当 =0 时的声源距基元 1时间振幅基元 2时间振幅基元 3时间振幅时间振幅 x 3123水听器阵基元声波在 角度下的距离基元 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时间振幅123dd123BA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 c 是当地声速（非是当地声速（非常重要）常重要） T1 (到水听器 1 的时间) = B/c = (2d sin )/c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

8、（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。弧形阵，对表面声速不敏感平面阵，表面声速非常重要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线折射，则需要 根据声速剖面数据用射线追踪的方法改正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

9、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& A/DRAM基元 2& A/DRAM基元 3& A/DRAM基元 .& A/DRAM基元 N& A/DRAM.基元 1基元 2基元 3基元 4基元 N-2 基元 N-1 基元 N.Amp. 1Amp. 2Amp. 3Amp. 4Amp. 30Amp. 31Amp. 32.Gen

10、. 1Gen. 2Gen. 3Gen. 4Gen. 30Gen. 31Gen. 32触发脉冲发生器波束编号脉冲长度束控发射波束1.0 to 3.0形成的接收波束0.5 to 3.0合成的脚印u发射换能器发射出固定频率的声波u采用束控技术以使主瓣最大旁瓣最小u有的系统还对发射脉冲应用导向技术做实时运动补偿u一般用1060个基元形成所希望的波束形状 SeaBat 8101 或 8111 条带扇区150度 它的发射脉冲宽 170 度 每个波束用28个基元形成 (要求 56 x 1.5 度 = 84 度附加扇区）因此在安装时要留有 234 环形阵空间，以及170 的发射脉冲空间Transmit Pul

11、se unobstructed.这里波束100 要求42的阵元扇区n8101 接收阵有160个接收基元n8125接收阵有254个接收基元n 要想生产出具有完全同样特性的水听器是不可能的。它们在灵敏度和谐振频率上都少有些不同n 要想生产出具有完全同样相位和增益特性的放大器也是不可能的。n 如果每个接收单元对信号的处理都不一样，那么束控和导向函数就会畸变，导致不可预测的主波瓣并加大旁瓣n 由模拟电路不可能使接受单元达到相同的特性，可以另外方法归一化信号n 控制板生成较准正弦信号直接通过接收阵注入到各接收通道n 该信号经过放大转换成数字信号值n 对所有信号值平均，每个通道的值与平均值比较，以决定对该

12、通道应放大或衰减多少，以保证各通道对信号的处理一致。该处理包括相位和振幅二方面n 对所有通道的调节值成为一个归一化调节数表保存并显示出来入射角 15度振幅相位入射角 75度振幅相位振幅相位 101 个 1.5 x 1.5 度 波束 覆盖宽度 150 度 最大测深 300 m 最大发射速率 40次/秒 噪音 振动q机械噪音机械噪音 柴油机，齿轮箱，传动轴，螺旋桨及其他辅助机械q流噪音流噪音 - 与速度有关的层流q电子噪音电子噪音 声纳中的噪音分量 q空化空化 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q其他测深仪其他测深仪 安装位置靠近或频率及谐波接近多波束声纳头的其他测深仪将干扰

13、多波束信号水利的 波浪，潮汐，水流。及天气影响地震 只有低频速度有影响交通 其他船生物的 海洋生物，一般 10kHzIn this case the pole was not properly supported for its length and what appears as a roll artefact, is caused by the motion of the pole. A motion that can not be measured by the motion sensor. 不用时声纳头可拿起来 安装容易 便携式 非常容易受振动和噪音的影响 可能被其他船撞坏或触底 不容

14、易维持多波束校正结果Private survey company - USA 发射功率太大将导致中央波束区接收器饱和 当功率太小时不得不加大接收增益将导致接收器受到更多噪音 固定增益通常只用在很浅的水 可以调节确定 TVG 曲线的参数以优化外部条带的接收质量nAbsorption （吸收）nSpreading loss （扩展损失）接收增益接收增益 = (2 R) + Sp logR + G 其中其中: = 吸收损耗吸收损耗 dB/kmR = 深度范围深度范围 米米Sp = 扩展损失系数扩展损失系数TimeGainTimeGain增益设置只是整体向上或下移动增益曲线而不改变曲线形态TimeGa

15、inFixed gain当水深小于等于5米时 可使用固定增益 T0TRT0TRGainGainTypical TVG CurveTVG Curve for waters with ahigh sediment load and/or a softmuddy bottom155155155ABC Good BrightnessPoor ColinearityGood Brightness Poor ColinearityPoor BrightnessGood ColinearityPoor BrightnessGood Colinearity1212Quality Brightness Coli

16、nerarity 1 GOOD POOR 2 POOR GOOD 3GOODGOOD 滤除噪音使接收器更有效 在某些海底类型中，二次甚至三次回波可能影响接收器, 滤除这些回波可保证真正的海底被跟踪得更好。特别对中央波束最常见。s GPS 延时s 横摇偏差（Roll） (about the Y axis)s 纵摇偏差（Pitch） (about the X axis)s 艏摇偏差（Yaw） (about the Z axis) GPS 接收机要花时间计算位置 GPS接收机还输出其他数据Cross Section AreaSlow RunFast RunTwo lines were run nor

17、mal to the slope; one at 2 kts, the other at 6 ktsNull is the established latencySystematically applied latenciesError in Metres Imagine vessel coming directly towards you.MinimaSystematically applied correctionsError difference in surfacesAn uncorrected roll error will result in erroneous depths fo

18、r the outer beamsProfile of slope produced from reciprocal runProfile of slope from first runTwice thePitchErrorLine run in two opposite directionsThis 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.The entire dataset is not used to solve for the pitch test, just the area of the slopePitch 误差将导致水深点的位置误差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