多波束勘测系统工作原理及结构

1、第二章多波束勘测系统的工作原理和结构多波束系统是70年代兴起、80年代中期、末期迅速发展的新海底地形精密测量技术。既有条带测深数据，又有反映基座特性的回显强度数据(Laurent Hellequin et al .2003)，因此目前关注集中。通过广角方向发射和多通道信息接收，获取了具有数百个梁的水下高密度条幅海底地形数据，彻底改变了现有测深技术的概念，大大改变了测深原理、测量方法、外围设备和数据处理技术等，大大提高了海底地形测量的准确性、分辨率和生产率，在测深技术的历史上取得了重大突破(李彪等，2000)。多波束系统的工作方式类似于传统的单梁回声测深器工作方式，通过将水下往复传播时间与声速的

2、乘积相乘得到水深。但是，单光束声音通常使用宽发射光束(约8)垂直发射到船底，声音传播路径不弯曲，来回的路径最短，能量衰减很小，通过回波信号的幅度检测确定信号的往返传播时间，并根据声波在水下介质中的平均传播速度计算测量水深。在多波束系统中，转换器由一个或多个转换器单元的阵列组成，控制不同单元的相位，形成具有不同指向角度的多个光束，通常只发射一个光束，接收时形成多个光束。除了换能器天底梁外，外部边缘梁在通过含水层时随着入射角的增加而折射，同时多个梁沿轨道方向使用窄光束角度，在垂直轨道方向使用宽覆盖角，因此，为了在整个瓷砖中获得准确的水深和位置，在发送和接收测量区域的水流的声速轮廓和光束时，必须准确

3、地知道船的姿势和方向。因此，多波束测深比系统配置和测量时单梁测深要复杂得多(周星华等，1999)。2.1多波束勘测系统工作原理2.1.1单梁形成2.1.1.1发射阵列和波束形成单光束从水中发射后，以球形等宽传播，方向性相同。这种均匀传播称为“各向同性传播”(isotropic expansion)，辐射阵列也称为“各向同性源”(isotropic source)。例如，如图2.7所示，小石头被扔进池塘的情况。图2.7波的各向同性传播很明显，测深不能使用这种声波。发射阵列能产生各向异性声波。让我简单解释一下它的形成原理。如果两个相邻的发射器发射相同的各向同性声波信号，则声波图相互叠加，相互干扰，

4、如图2.8所示。两个峰或两个山谷之间的叠加增加了海浪的能量，峰和谷的叠加相互抵消，能量为零。通常，相位长度干涉发生在与每个发射器相同的点或整个波长上，相位消除干涉发生在发射器的半波长或整个波长加上半波长的位置。显然，水听器必须放置在相位长度干涉中。图2.8相长干扰和消除干扰。典型的声纳，阵列的间隔d(图2.8中的1，2点的距离)为/2(半波长)。在这种情况下，当发生相位长度和相位去除干涉时，点处于最有利的角度(点与阵列中心的连接和水平线的角度)，相位长度干涉：=0，180，相位去除干涉：=90，270，如图2.9所示。图2.9两个发射器远离/2时的相位长度和相位去除干扰图2.10是两个发射器间

5、隔/2的光束能量图，左侧是平面图，右侧是三维图，可以清楚地看到图中的能量分布，不同角度有不同的能量，这就是能量的方向性。据说，如果一个发射阵列的能量以狭窄的角度分布，那么该系统的方向性很高。实际发射矩阵由直线阵列和环形阵列等多个发射器组成。这里只说明离散线数组，其他数组可以类似地推导。根据图2.11所示的两个发射器的排列，可以导出由多个发射器组成的直线阵列的波束图。图2.10两个发射器间隔/2的光束能量图图2.11多基元线性阵列的梁图在图2.11中，最节能的梁称为主襟翼，侧面的一些小襟翼为侧滚，并且在相位长度干涉的地方引起了能量泄漏。侧皮瓣还会引起回声，干扰主皮瓣的回声。侧瓣不可避免，可以通过

6、加权来降低侧瓣的水平，但加权后侧瓣水平值减少，但光束变宽。主襟翼的中心轴称为最大响应轴(maximum response axis-MRA)，光束角度是主襟翼的一半功率(主襟翼的能量比-3db)角度的两倍。发射器越多，阵列越长，光束角度越小，方向性越高。如果将阵列长度设定为d，则梁角度=50.6/D(2.36)可以看出，减小波长或增加阵列长度可以提高光束的方向性。但是阵列的长度不能无限增加，波长越小，在水中衰减得越快，所以方向性不可能无限提高。2.1.1.2梁指点转换器在指定方向发射或接收声波的方法称为波束指向。以水听器接收回声为例。在图2.12中，当回声在方向到达接收阵列时，首先从点3到达，

7、然后是点2和点1包含图2.12 的eco点2的回声比点3更远地旅行，a=d sin q，点1比点3的回声更远地旅行，b=2d sin q，因此增加的时间为T2=A/c=(d sin)/c (2.37)T1=B/c=(2d sin)/c (2.38)计算出偏移时间后，在阵列中进行了适当的调整，引入了延迟，以便将主襟翼放置在指定方向，如图2.13所示。图2.13引入延迟后主瓣方向的偏移图2.14多波束的几何配置2.1.2多波束形成当接收梁发射扇形梁时，接收梁以一定间隔(等距或等距)相交，从而在纵横方向形成窄的梁足迹，如图2.14所示。将水听器设置为n个基本元素，每个基本I记录的eco Si(t)的

8、振幅为A(t)S(t)=A(t)cos(2pft) (2.39)拓扑的形式是S(t)=A(t)cos(f(t) (2.40)或(2.41)其中f(t)=2pft。多波束系统必须测量回波S(t)和相位(t)，然后将模拟接收信号转换为通常在1到3毫秒之间的数字信号。采样点处所有原语的混响和相位值称为时间切片。在上一节中，我们讨论了与第一个原语相关的基元I的距离差异，并将其转换为相位差(2.42)(2.41)和(2.42)(2.43)其中是在角度方向接收到第一个原语的情况下的回波(2.44)其中是权重系数。如果需要在一个时间切片上形成m个指定方向的梁作为n个基本体，则它将显示为矩阵(2.45)其中，

9、接收角度的梁的第I个原语的相位差为。要在这么短的时间(ms级别)内完成计算，必须应用一些快速算法。引入了快速傅立叶变换(FFT)。样式(2.44)类似于傅立叶变换。(2.46)路得(2.47)k必须是整数，因此，当d，n是特定值时，将限制中的值，如同k的关系表2.1中所示。表2.1 k和的对应值k012345.濑田()02.44.87.29.612.0.2.1.3多波束足迹的回归梁足迹的回归是多波束数据处理的关键问题之一。多波束测量的最终结果是获得地理坐标系(或本地系统)下的海底地形或地物。多光束使用广角方向发射、多阵列信号接收和多光束整形处理等技术，因此，为了更好地确定光束之间的空间关系和光

10、束足迹的空间位置，必须首先定义多光束船体基准坐标系VFS，将光束足迹的船体坐标转换为地理坐标系(或局部坐标系)和恒定高程基准下的平面坐标和高程。此过程是梁足迹的返回。船体坐标系原点位于转换器中心，x轴指向路线，z轴指向垂直向下，y轴指向侧面，构成x、z轴和右侧正交坐标系。地理坐标系原点是转换器的中心，x轴指向地北子午线，y垂直于x指向东，z构成x、y轴和正交坐标系。回乡所需的参数包括船舷、船位、声速剖面、光束到达角度和往返时间。贵委流程包括四个步骤：(1)姿势校正。(2)船体坐标系中梁足迹位置的计算。(3)梁足迹的地理坐标计算。(4)海底点高程计算。为了便于在船体坐标系中计算梁足迹的坐标(声音

11、跟踪)，我们做了以下假设：(1)转换器处于平均深度，静态和手动拖动器仅影响深度，而不影响平面坐标。(2)梁的方向，返回路径被认为匹配。(3)对于高频发射系统，可以忽略转换器航向变化的影响。计算梁足迹船体坐标需要三个参数：垂直参考平面下的梁到达角度、传播时间和声速剖面。由于海水的作用，声音达发在海水中没有沿直线传播，而是在不同介质层的界面折射，因此声音达发在海水中传播为一条折线。为了获得梁足迹的实际位置，必须沿着梁的实际传播路径跟踪梁。换句话说，通过声音线跟踪计算梁足迹船体坐标的过程称为声音线弯曲校正。为了便于计算，声速剖面假定如下：(1)声速剖面准确，没有代表性误差。(2)声速在波束形成的垂直

12、面内变化，没有横向变化。(3)海水中声速的传播特性遵循Snell定律。(4)换能器动态脱落引起的声速剖面变化可以忽略深度计算。根据上述讨论和假设，梁足迹的计算模型可以表示为：Snell定律可以解释为：(2.48)区分梁的实际传播路径时，在船体坐标系中，梁足迹上的点(x、y、z)可以表示为：(2.49)zZ:深度R:距离q:光束角C:声速t:脉冲长度Ln:中央梁足迹长度Ls:边缘梁足迹长度Q0rrLnLgCt/2图2.15单梁足迹坐标计算x转换器(x0，z0)一次近似为：(2.50)更精确的公式见2.1.3。确定梁足迹的船体坐标系后，下一步可以转换为地理坐标。兑换关系如下：(2.51)表达式中的

13、脚g，gG是梁足迹的地理坐标，使用GPS确定的船体地理坐标，R(h，R，p)是船体坐标系和地理坐标系之间的旋转关系，课程、滚动和垂直摆动是三个欧拉角度。由类型(2.49)确定的深度z只是转换器面到达海底的垂直距离，测量点的实际深度需要考虑转换器的静态草稿HSS、动态草稿HDS、船体姿势对深度的影响ha，并且如果潮汐置换htide相对于深度基准或高程基准，则光束足迹的高程为：(2.52)换能器的静态拖动器在测量前或转换器安装后作为常数输入到多光束的数据处理设备中。襟翼是通过船体的运动生成的，可以通过姿态传感器的Heaven参数确定。船体姿势对梁足迹的地理坐标也有一定的影响，可以通过姿势传感器的滚

14、动r和俯仰p参数确定。上述参数确定和梁足迹平面位置和深度的补偿是纯几何问题，对武汉大学赵建虎博士的详细研究，本文不再详细说明。2.2多波束勘测系统的组成结构2.2.1多波束配置多波束系统主要由三部分组成。第一部分是多波束的主系统，主要包括转换器阵列、收发机和数据处理、显示和记录设备等。第二部分是包括定位系统、船舶姿态(滚动、摇晃、起伏和船方向)测量传感器和用于测量水声速剖面的声速测量计的辅助系统。第三部分是数据存储和后处理系统，包括数据处理计算机、数据存储设备和绘图仪(周星华等，1999年)。数据网络GPS声速剖面罗经姿态传感器转换器Transceiver操作和检查测量结果显示器导航监视器后处

15、理实时数据处理站数据存储绘图仪打印机声纳图像记录数据存储图2.1: Simrad EM950/1000多波束声纳系统组件2.2.2转换器的物理配置转换器是电声能量转换中使用的重要设备。通常，将电能转换为声能的装置称为发射转换器，将水声能量转换为电能的装置称为接收转换器(或水听器)，在许多活动声呐中，将同一转换器用作发射和接收(qinzhen，1984)。水声换能器技术由水声换能器材料三类组成。二是水声换能器设计；第三，水声换能器的制作。水声换能器材料包括材料组成、生成和成型三种技术。水声换能器设计涉及性能设计和结构设计等两个领域的技术。水声换能器的制作涉及加工、安装、测试等3种技术。这三种水声

16、转换器技术是确保高性能、高质量的水声转换器。这三种类型的水声换能器技术的发展直接促进了水声换能器的发展，影响了声纳的发展。水深转换器可以将使用的转换器材料分为两大类，一类是磁致伸缩转换器，另一类是电畸变转换器。磁致伸缩材料包含与晶格结合的水的长磁矩的原子，从而在添加磁场时改变晶格间距，并相应地改变宏观样品的大小。磁致伸缩力与晶格变化有关，因此可以与由机械变形引起的固体材料产生的弹力相比较。磁致伸缩转换器通过叠加大的恒定磁场和小的交变磁场来线性化，这种线性化工作方式通常称为压力磁，最适合在声音阻抗较高的介质(如水)上工作(扬普万等)。但是，由于高频率下高涡流损耗和磁损耗，这些材料降低了电声转换效率，工作时需要额外的偏振偏置部分。因此，目前大多数声纳转换器都使用机电性能优良的电伸缩材料(金珍，1984年)。电伸缩材料是具有永久电动势的磁致伸缩材料的电学比喻。弯矩和晶格之