多波束原理安装及操作

1、整理ppt1普通声学和多波束声纳普通声学和多波束声纳原理原理 整理ppt2普通声学原理整理ppt3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整理ppt4表面声速Sound velocity (at surface)14001420144014601480150015201540156005101520253035Temperature (degrees C)Velocity (m/sec)0 ppt5 ppt10 ppt15 ppt20 ppt25

2、ppt30 ppt35 ppt整理ppt5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）整理ppt6传播损失扩展损失衰减吸收散射反射整理ppt7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. Volberg) 球面扩展 柱面扩展整理ppt8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T

3、VG 增益曲线的上升速度整理ppt9对应不同频率声波的吸收系数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/km240kHz(SeaBat 8101)20dB/km70dB/km455kHz(SeaBat 8125)70dB/km110dB/km整理ppt10散 射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。整理ppt11散 射一部分散射的能量作

4、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整理ppt12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 / 沉积物声波频率整理ppt13海底吸收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 随着频率和入射角的增加损失增加整理ppt14海底的吸收和反射整理ppt15背景噪音自身噪音声纳和船体电子和机械操作引起的噪音，一般可控制环境噪音其他声源引起，一般不可控制整理ppt16自身噪音的例子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

5、 - 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整理ppt17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整理ppt18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 interferenceLine of equidistant locationsd整理ppt34相长干涉位置相长干涉位置 2dS1S2AA = d x sin()相长干涉 : A/ = 0, 1, 2, 3. or

6、(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普通波动原理普通波动原理整理ppt35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普通波动原理普通波动原理整理ppt36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普通波动原理普通波动原理整理ppt37直线阵的波束指向图直线阵的波束指向图直线

7、阵的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普通波动原理普通波动原理整理ppt38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+90普通波动原理普通波动原理整理ppt39普通波动原理普通波动原理- 旁瓣旁瓣产生于特定的声源相长干涉点我们的目的是要使主波瓣最大化而所有旁瓣最小化旁瓣指向于不希望的方向，使主波瓣能量减少旁瓣造成的回波，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整理ppt40普通波动原理普通波动原理- 波束导向和束控技术振幅束控振幅束控: 发射波束旁瓣的能级可以通过给声源阵

8、中不同基元加以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。整理ppt41A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9电源电性上互相独立的基元普通波动原理普通波动原理- 束控(Shading)整理ppt42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普通波动原理普通波动原理- 束控-13dB第一旁瓣整理ppt43换能器阵越大

9、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， 衰减越大普通波动原理普通波动原理- 波束宽度整理ppt44波束形成 波束宽度整理ppt45波束导向（Steering） 整理ppt46波束导向（Steering） 整理ppt47普通波动原理普通波动原理- 束控换能器阵越大主波束越窄主波束的宽度在半功率点测量旁瓣是不受欢迎的但是不可避免的旁瓣可以利用束控技术以增加主波瓣宽度为代价而减少一个换能器阵的波束指向图对发射和接收都是相同的整理ppt48压电陶瓷导电涂层 电连接线波束形成 换能器基元 整理ppt49加强背板水密装置压力波束形成 换能器基元整理ppt50 导电涂层 连

10、接导线波束形成 换能器阵整理ppt51123阵基元 声波当 =0 时的声源距波束形成 水听器阵整理ppt52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整理ppt53时间振幅 x 3波束形成 水听器对垂直声源的响应和曲线整理ppt54123水听器阵基元声波在 角度下的距离波束形成 水听器阵整理ppt55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整理ppt56时间振幅波束形成 水听器对斜交声源的响应和曲线整理ppt57123dd123BA声源换能器阵轴波前A = d x cos (), B = 2d

11、x cos ()T2 (到水听器 2 的时间) = A/c = (d sin )/c ; c c 是当地声速（非常是当地声速（非常重要）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整理ppt58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（

12、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。整理ppt59波束形成 波束导向整理ppt60波束形成 - 波束导向弧形阵，对表面声速不敏感平面阵，表面声速非常重要整理ppt61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线折射，则需要 根据声速剖面数据用射线追踪的方法改正整理ppt62平面换能器阵的波束宽度n 用波束导向后波

13、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整理ppt63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&

14、amp; A/DRAM波束形成 接收器整理ppt64.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. 1Gen. 2Gen. 3Gen. 4Gen. 30Gen. 31Gen. 32触发脉冲发生器波束编号脉冲长度束控波束形成 波束形成器整理ppt65弧形换能器阵特点整理ppt66平面换能器阵特点整理ppt67波束形成 - 要点小结换能器由一系列互相独立的压电陶瓷材料基元组成与角度有关的指向图来自于定相的基元信号波束宽度 (- 3 dB 点) 与换能器阵长度成反比换能器阵的

15、发射和接收波束指向图是相同的发射方向是由是由一系列接到各基元的延迟触发器控制的波束形成器同时计算出所有回波波束整理ppt68波束形成 - Mills 交叉原理发射波束1.0 to 3.0形成的接收波束0.5 to 3.0合成的脚印整理ppt69波束形成 全向发射整理ppt70波束形成 - 接收波束整理ppt71波束形成 发射换能器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整理ppt72波束形成 发射波束整理ppt73SeaBat 弧形换能器阵特性 SeaBat 8101 或 811

16、1 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 Pulse unobstructed.这里波束100 要求42的阵元扇区整理ppt74SeaBat 接收换能器阵n8101 接收阵有160个接收基元n8125接收阵有254个接收基元整理ppt75SeaBat 声纳校正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

17、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整理ppt76SeaBat 接收电路校正 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整理ppt77SeaBat 声纳校正结果显示整理ppt78SeaBat 声纳处理器流程整理ppt79SeaBat 多波束海底检测

18、入射角 15度振幅相位整理ppt80SeaBat 多波束海底检测入射角 75度振幅相位整理ppt81SeaBat 多波束海底检测振幅相位整理ppt82多波束系统组成整理ppt83RESON SeaBat 8125整理ppt84RESON SeaBat 8125整理ppt85SeaBat 8101 多波束测深仪 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 整理ppt86 SeaBat 8101 技术指标整理ppt87SeaBat 8101 部件整理ppt88整理ppt89多波束系统安装要点安装一个多波束声呐将遇到的二个主要问题是

19、:噪音振动要尽力减小噪音和振动的影响整理ppt90自身噪音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多波束信号整理ppt91背景噪音船引起的噪音将极大地减少有用的条带宽度在船舷安装时，有时会发现靠船一侧比船外侧的覆盖宽度要窄噪音将降低数据质量，给后处理带来很多工作整理ppt92环境噪音水利的 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

20、他船生物的 海洋生物，一般 10kHz整理ppt93减少噪音对环境噪音一般没办法避免，但有很多办法减少自身噪音要仔细选择声纳头安装位置，远离船主机、副机和泵如果声纳头安装太靠后会受到螺旋桨的影响整理ppt94振动的原因船体噪音引起振动声纳杆固定不好声纳杆材料不好声纳杆太小声纳杆底端离最后一个支撑点太远甲板和舱壁挠曲整理ppt95安装杆振动的例子In this case the pole was not properly supported for its length and what appears as a roll artefact, is caused by the motion of

21、 the pole. A motion that can not be measured by the motion sensor.整理ppt96舷侧安装优势不用时声纳头可拿起来安装容易便携式劣势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易维持多波束校正结果整理ppt97舷侧安装要点必须装在船上牢固及不活动的部位安装位置远离噪音源安装杆要在尽量靠近水线的地方设置固定点声纳头要超出船底要做必要的试验以检查回收和放下声纳头后声纳头校准是否有改变整理ppt98安装例子Private survey company - USA整理ppt9981-P 声纳处理器通过信号和控制电缆给声纳头提供直流

22、电源发送控制信号到声纳头从声纳头接收和多路解编数字化水听器信号波束形成编码接收到的水听器信号通过串口输出水深数据整理ppt100Sonar processor整理ppt101设置多波束操作参数平衡发射功率和接收增益.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设置合适的增益类型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Absorption （吸收）Spreading loss （扩展损失）整理ppt102信 噪比整理ppt103TVGAbsorption 和 Spreading Loss 是确定TVG 曲线

23、的二个主要参数在干净的淡水中，或者在海底具有很好的反射体的水中，absorption 和 spreading loss 设置通常较低在海水中，或者在海底具有较差的反射体的水中， absorption 和 spreading loss 设置通常较高TVG 设置影响 TVG 曲线的形状整理ppt104TVG 增益增益按照下列公式随时间（深度）变化接收增益接收增益 = (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整理ppt105TVG 曲线TimeGainTimeGain增益设置只是整体向上或下移

24、动增益曲线而不改变曲线形态整理ppt106固定增益 TimeGainFixed gain当水深小于等于5米时 可使用固定增益整理ppt107TVG 曲线 整理ppt108TVG曲线T0TRT0TRGainGainTypical TVG CurveTVG Curve for waters with ahigh sediment load and/or a softmuddy bottom整理ppt109脉冲长度高频、高分辨率系统具有较短的脉冲长度脉冲越短，分辨率越高；脉冲越长，测深范围越大整理ppt110脉冲长度的选择长度应足够长以保证足够的量程，但是太长的脉冲将给水深测量带来更多噪声用最短的脉

25、冲可获得最佳的分辨率当在大水深满功率工作时，要增加脉冲长度以获得大量程整理ppt11181-P 范围设置155155155ABC整理ppt112 海底探测数据质量标志Good BrightnessPoor ColinearityGood Brightness Poor ColinearityPoor BrightnessGood ColinearityPoor BrightnessGood Colinearity1212Quality Brightness Colinerarity 1 GOOD POOR 2 POOR GOOD 3GOODGOOD整理ppt11381-P 滤波器如果在声纳处理

26、器中剔除数据，被剔除的数据不再保存在数据采集软件中被剔除的数据，并不会丢失为什么要在声纳处理器中过滤数据?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。整理ppt114斜距过滤在多波束中，斜距和深度（Range and Depth）有很大的不同斜距是从声纳头到海底某一点的距离水深是从水面到海底的距离整理ppt115斜距过滤整理ppt116深度滤波器整理ppt117校正多波束校正包括:sGPS 延时s横摇偏差（Roll） (about the Y axis)s纵摇偏差（Pitch） (about the

27、X axis)s艏摇偏差（Yaw） (about the Z axis)要进行多波束校正，首先要在特定的海底地形上采集数据安装一次就要校正一次。当更换设备或改变传感器位置都要做校正整理ppt118The Patch Test校正用的测线数据的测量顺序不重要计算各校正的先后顺序非常重要Latency 第一，然后是 Roll, Pitch, 和 Yaw.潮位将引起结果误差，因此做校正计算时要注意潮位改正问题整理ppt119The Patch Test整理ppt120GPS 延时GPS 定位的时间将不同于其输出数据给采集计算机的时间。原因如下:GPS 接收机要花时间计算位置GPS接收机还输出其他数据

28、通常GPS 延时从 200 毫秒 到 1200 毫秒.整理ppt121GPS Latency Test整理ppt122GPS延时Cross Section AreaSlow RunFast RunTwo lines were run normal to the slope; one at 2 kts, the other at 6 kts整理ppt123GPS延时Null is the established latencySystematically applied latenciesError in Metres 整理ppt124Roll Test整理ppt125Roll误差Imagine

29、 vessel coming directly towards you.整理ppt126Roll误差MinimaSystematically applied correctionsError difference in surfaces整理ppt127Roll 误差Roll 校正的误差应达到 0.01的精度.Roll误差将导致水深值误差，因此它是最重要的校正整理ppt128Roll误差An uncorrected roll error will result in erroneous depths for the outer beams整理ppt129Pitch误差Pitch 误差造成延航线方

30、向的位移，位移值与水深成正比，水深越大位移越大。整理ppt130Pitch Test整理ppt131Pitch 误差Profile of slope produced from reciprocal runProfile of slope from first runTwice thePitchErrorLine run in two opposite directions整理ppt132Pitch 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

31、 the Roll test. One of these lines could have also been used for the Latency test.整理ppt133Pitch 校正The entire dataset is not used to solve for the pitch test, just the area of the slope整理ppt134Pitch 误差Pitch 误差将导致水深点的位置误差整理ppt135Yaw 误差Yaw 误差引起边缘波束水深点的位置误差整理ppt136Yaw 误差校正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测线的间距应保证二测线间有 10 50% 的波束覆盖率二测线可以反向，也可以同向整理ppt137Yaw 误差校正整理ppt1