1、整理ppt1普通聲學和多波束聲納普通聲學和多波束聲納原理原理 整理ppt2普通聲學原理整理ppt3水中的聲速海洋中各處的聲速都可能不一樣取決于三個參數 鹽度變 1ppt = 聲速約變 1.3 m/s 溫度變 1C = 聲速約變 3 m/s 壓力 ：165米深度變化的影響相當于溫度變1C整理ppt4表面聲速Sound velocity (at surface)14001420144014601480150015201540156005101520253035Temperature (degrees C)Velocity (m/sec)0 ppt5 ppt10 ppt15 ppt20 ppt25

2、ppt30 ppt35 ppt整理ppt5典型海洋聲速剖面表面層季節性溫躍層永久性溫躍層深部等溫層聲速（米/秒）水深度 （ 米）整理ppt6傳播損失擴展損失衰減吸收散射反射整理ppt7擴展損失注意并沒有真正的能量損失，只是隨著波前面的增大而能量密度變小。與聲波頻率無關。一般為30 log DB.(Figure from Sonar Technology, by Herman W. Volberg) 球面擴展 柱面擴展整理ppt8吸收水吸收聲能量后轉變成熱量，單位： dB/km與水中 MgSO4 和 MgCO3 含量有關與聲波頻率有關與溫度有關與鹽度有關與壓力有關擴展損失和吸收損失值將用于計算T

3、VG 增益曲線的上升速度整理ppt9對應不同頻率聲波的吸收系數頻率頻率淡水吸收系數淡水吸收系數鹽水吸收系數鹽水吸收系數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 射水中的聲波遇到下列物體后發生散射: 水面、水底和陸地 有機顆粒 海洋生物 氣泡 溫度變化被散射的能量大小是聲波傳播路徑上雜物的大小、密度和濃度，以及聲波頻率的函數。整理ppt11散 射一部分散射的能量作

4、為回波回到聲源處叫做后向散射。后向散射一般稱為反射。反射分為：水面反射水體反射水底反射整理ppt12反 射水體反射魚 / 水中生物懸浮固體，氣泡，溫度變化水面反射波浪 / 氣泡，與風速有關水底反射水底粗糙度 / 沉積物聲波頻率整理ppt13海底吸收n 變化幅度為 2 dB 30 dBn 隨聲波頻率、海底類型、入射角變化n 隨著頻率和入射角的增加損失增加整理ppt14海底的吸收和反射整理ppt15背景噪音自身噪音聲納和船體電子和機械操作引起的噪音，一般可控制環境噪音其他聲源引起，一般不可控制整理ppt16自身噪音的例子q機械噪音機械噪音 柴油機，齒輪箱，傳動軸，螺旋槳及其他輔助機械q流噪音流噪音

5、 - 與速度有關 - 層流和船體情況q電子噪音電子噪音 聲納中的噪音分量 q空化空化 與速度有關的由于極低壓引起的氣泡斷裂噪音通常由螺旋槳造成整理ppt17流噪音 氣泡n船體形狀和設計影響船體流體特性n改變聲納頭到船殼的高度可使影響最小化整理ppt18環境噪音水力的 波浪，潮汐，流速。與天氣有關地震 只有低頻系統受影響交通 其他船生物的 海洋生物，一般 Constructive interferenceLine of equidistant locationsd整理ppt34相長干涉位置相長干涉位置 2dS1S2AA = d x sin()相長干涉 : 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普通波動原理普通波動原理整理ppt35間隔間隔 /2 /2 的二個聲源的二個聲源相消相消無聲無聲d = /2S1S2相長相長最大聲最大聲 =0=90相長相長最大聲最大聲 相消相消無聲無聲 =180=270普通波動原理普通波動原理整理ppt36間距為間距為 /2 /2 的二個聲源的波束指向圖的二個聲源的波束指向圖相消相消無聲無聲S1S2=0=90=180=270普通波動原理普通波動原理整理ppt37直線陣的波束指向圖直線陣的波束指向圖直線

7、陣的軸線主波瓣旁波瓣指向軸0w半功率波束寬度 P(w)P(0)P(w)/P(0)=1/2-3dB普通波動原理普通波動原理整理ppt38矩形孔徑換能器的波束指向圖矩形孔徑換能器的波束指向圖-13dB第一旁瓣AAL-90-90+90+90普通波動原理普通波動原理整理ppt39普通波動原理普通波動原理- 旁瓣旁瓣產生于特定的聲源相長干涉點我們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，使主波瓣能量減少旁瓣造成的回波，如旁瓣路徑上的魚的回波，會被認為是主瓣路徑上的目標物整理ppt40普通波動原理普通波動原理- 波束導向和束控技術振幅束控振幅束控: 發射波束旁瓣的能級可以通過給聲源陣

8、中不同基元加以不同的電壓值而減少，這樣同時會增加主波瓣的寬度。相位束控相位束控:對聲源陣中不同基元接收到的信號進行適當的相位或時間延遲叫做相位束控。用此技術可將主波瓣導向特定的方向（波束導向）。這時，每個聲源基元的信號是分別輸出的。整理ppt41A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9電源電性上互相獨立的基元普通波動原理普通波動原理- 束控(Shading)整理ppt42采用束控技術前、后的矩形孔徑換能器的波束指向圖采用束控技術前、后的矩形孔徑換能器的波束指向圖-27dB第一旁瓣AA-90-90+90+90普通波動原理普通波動原理- 束控-13dB第一旁瓣整理ppt43換能器陣越大

9、或基元越多主波束越窄換能器陣尺寸一定時，頻率越高，主瓣越窄。但頻率越高， 衰減越大普通波動原理普通波動原理- 波束寬度整理ppt44波束形成 波束寬度整理ppt45波束導向（Steering） 整理ppt46波束導向（Steering） 整理ppt47普通波動原理普通波動原理- 束控換能器陣越大主波束越窄主波束的寬度在半功率點測量旁瓣是不受歡迎的但是不可避免的旁瓣可以利用束控技術以增加主波瓣寬度為代價而減少一個換能器陣的波束指向圖對發射和接收都是相同的整理ppt48壓電陶瓷導電涂層 電連接線波束形成 換能器基元 整理ppt49加強背板水密裝置壓力波束形成 換能器基元整理ppt50 導電涂層 連

10、接導線波束形成 換能器陣整理ppt51123陣基元 聲波當 =0 時的聲源距波束形成 水聽器陣整理ppt52基元 1時間振幅基元 2時間振幅基元 3時間振幅波束形成 水聽器對垂直聲源的響應曲線整理ppt53時間振幅 x 3波束形成 水聽器對垂直聲源的響應和曲線整理ppt54123水聽器陣基元聲波在 角度下的距離波束形成 水聽器陣整理ppt55基元 1時間振幅基元 2時間振幅基元 3時間振幅輸出信號的相位波束形成 水聽器對斜交聲源的響應曲線整理ppt56時間振幅波束形成 水聽器對斜交聲源的響應和曲線整理ppt57123dd123BA聲源換能器陣軸波前A = d x cos (), B = 2d

11、x cos ()T2 (到水聽器 2 的時間) = A/c = (d sin )/c ; c c 是當地聲速（非常是當地聲速（非常重要）重要） T1 (到水聽器 1 的時間) = B/c = (2d sin )/c波束形成 入射波前以角度到達水聽器陣整理ppt58波束形成 入射波前以角度到達水聽器陣(相位或時間延遲-波束導向)如已知時間差T1, T2 ，我們就可以先對個別水聽器的信號進行一定的時間偏移以獲得波前相長干涉，然后對各水聽器輸出求和，就可得到對于入射角為時的最大水聽器陣輸出。如前一張幻燈的例子，我們可以將水聽器3 的信號加上水聽器 2 延遲T2的信號，再加上水聽器1 延遲T1的信號（

12、這個過程叫做導入時間延遲），這樣可得到波束指向圖主波瓣軸向轉向與垂直方向成角的方向。整理ppt59波束形成 波束導向整理ppt60波束形成 - 波束導向弧形陣，對表面聲速不敏感平面陣，表面聲速非常重要整理ppt61波束形成 - 表面聲速n 如果用于波束導向的聲速大于真實聲速，平坦海 底就會表現為“笑臉形”；n 如果用于波束導向的聲速小于真實聲速，平坦海 底就會表現為“哭臉形”；n 對弧形陣，因為每個波束都垂直于陣表面，對表 面聲速不敏感，大致聲速就滿足要求。n 因為水體中聲速變化而引起的聲線折射，則需要 根據聲速剖面數據用射線追蹤的方法改正整理ppt62平面換能器陣的波束寬度n 用波束導向后波

13、束寬度會隨著導向角的增大而增大n 有效陣元孔徑會隨著導向角的增大而變小n 有效孔徑按函數 1/Cos A 減小，A 是導向角度。從中央波束到60導向角范圍內，波束寬度大致呈線性增加n例如：波束導向角為 0, 波束寬度為 0.5 （中央波束）波束導向角為 30,波束寬度為 = 1/cos30 x 0.5 = 1.15 x 0.5 = 0.575波束導向角為 60,波束寬度為 = 1/cos60 x 0.5 = 2 x 0.5 = 1整理ppt63波束輸出 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觸發脈沖發生器波束編號脈沖長度束控波束形成 波束形成器整理ppt65弧形換能器陣特點整理ppt66平面換能器陣特點整理ppt67波束形成 - 要點小結換能器由一系列互相獨立的壓電陶瓷材料基元組成與角度有關的指向圖來自于定相的基元信號波束寬度 (- 3 dB 點) 與換能器陣長度成反比換能器陣的

15、發射和接收波束指向圖是相同的發射方向是由是由一系列接到各基元的延遲觸發器控制的波束形成器同時計算出所有回波波束整理ppt68波束形成 - Mills 交叉原理發射波束1.0 to 3.0形成的接收波束0.5 to 3.0合成的腳印整理ppt69波束形成 全向發射整理ppt70波束形成 - 接收波束整理ppt71波束形成 發射換能器u發射換能器發射出固定頻率的聲波u采用束控技術以使主瓣最大旁瓣最小u有的系統還對發射脈沖應用導向技術做實時運動補償u一般用1060個基元形成所希望的波束形狀整理ppt72波束形成 發射波束整理ppt73SeaBat 弧形換能器陣特性 SeaBat 8101 或 811

16、1 條帶扇區150度 它的發射脈沖寬 170 度 每個波束用28個基元形成 (要求 56 x 1.5 度 = 84 度附加扇區）因此在安裝時要留有 234 環形陣空間，以及170 的發射脈沖空間Transmit Pulse unobstructed.這里波束100 要求42的陣元扇區整理ppt74SeaBat 接收換能器陣n8101 接收陣有160個接收基元n8125接收陣有254個接收基元整理ppt75SeaBat 聲納校正n 要想生產出具有完全同樣特性的水聽器是不可能的。它們在靈敏度和諧振頻率上都少有些不同n 要想生產出具有完全同樣相位和增益特性的放大器也是不可能的。n 如果每個接收單元對

17、信號的處理都不一樣，那么束控和導向函數就會畸變，導致不可預測的主波瓣并加大旁瓣n 由模擬電路不可能使接受單元達到相同的特性，可以另外方法歸一化信號整理ppt76SeaBat 接收電路校正 n 控制板生成較準正弦信號直接通過接收陣注入到各接收通道n 該信號經過放大轉換成數字信號值n 對所有信號值平均，每個通道的值與平均值比較，以決定對該通道應放大或衰減多少，以保證各通道對信號的處理一致。該處理包括相位和振幅二方面n 對所有通道的調節值成為一個歸一化調節數表保存并顯示出來整理ppt77SeaBat 聲納校正結果顯示整理ppt78SeaBat 聲納處理器流程整理ppt79SeaBat 多波束海底檢測

18、入射角 15度振幅相位整理ppt80SeaBat 多波束海底檢測入射角 75度振幅相位整理ppt81SeaBat 多波束海底檢測振幅相位整理ppt82多波束系統組成整理ppt83RESON SeaBat 8125整理ppt84RESON SeaBat 8125整理ppt85SeaBat 8101 多波束測深儀 101 個 1.5 x 1.5 度 波束 覆蓋寬度 150 度 最大測深 300 m 最大發射速率 40次/秒 整理ppt86 SeaBat 8101 技術指標整理ppt87SeaBat 8101 部件整理ppt88整理ppt89多波束系統安裝要點安裝一個多波束聲吶將遇到的二個主要問題是

19、:噪音振動要盡力減小噪音和振動的影響整理ppt90自身噪音q機械噪音機械噪音 柴油機，齒輪箱，傳動軸，螺旋槳及其他輔助機械q流噪音流噪音 - 與速度有關的層流q電子噪音電子噪音 聲納中的噪音分量 q空化空化 與速度有關的由于極低壓引起的氣泡斷裂噪音通常由螺旋槳造成q其他測深儀其他測深儀 安裝位置靠近或頻率及諧波接近多波束聲納頭的其他測深儀將干擾多波束信號整理ppt91背景噪音船引起的噪音將極大地減少有用的條帶寬度在船舷安裝時，有時會發現靠船一側比船外側的覆蓋寬度要窄噪音將降低數據質量，給后處理帶來很多工作整理ppt92環境噪音水利的 波浪，潮汐，水流。及天氣影響地震 只有低頻速度有影響交通 其

20、他船生物的 海洋生物，一般 10kHz整理ppt93減少噪音對環境噪音一般沒辦法避免，但有很多辦法減少自身噪音要仔細選擇聲納頭安裝位置，遠離船主機、副機和泵如果聲納頭安裝太靠后會受到螺旋槳的影響整理ppt94振動的原因船體噪音引起振動聲納桿固定不好聲納桿材料不好聲納桿太小聲納桿底端離最后一個支撐點太遠甲板和艙壁撓曲整理ppt95安裝桿振動的例子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舷側安裝優勢不用時聲納頭可拿起來安裝容易便攜式劣勢非常容易受振動和噪音的影響可能被其他船撞壞或觸底不容易維持多波束校正結果整理ppt97舷側安裝要點必須裝在船上牢固及不活動的部位安裝位置遠離噪音源安裝桿要在盡量靠近水線的地方設置固定點聲納頭要超出船底要做必要的試驗以檢查回收和放下聲納頭后聲納頭校準是否有改變整理ppt98安裝例子Private survey company - USA整理ppt9981-P 聲納處理器通過信號和控制電纜給聲納頭提供直流

22、電源發送控制信號到聲納頭從聲納頭接收和多路解編數字化水聽器信號波束形成編碼接收到的水聽器信號通過串口輸出水深數據整理ppt100Sonar processor整理ppt101設置多波束操作參數平衡發射功率和接收增益.發射功率太大將導致中央波束區接收器飽和當功率太小時不得不加大接收增益將導致接收器受到更多噪音設置合適的增益類型固定增益通常只用在很淺的水可以調節確定 TVG 曲線的參數以優化外部條帶的接收質量Absorption （吸收）Spreading loss （擴展損失）整理ppt102信 噪比整理ppt103TVGAbsorption 和 Spreading Loss 是確定TVG 曲線

23、的二個主要參數在干凈的淡水中，或者在海底具有很好的反射體的水中，absorption 和 spreading loss 設置通常較低在海水中，或者在海底具有較差的反射體的水中， absorption 和 spreading loss 設置通常較高TVG 設置影響 TVG 曲線的形狀整理ppt104TVG 增益增益按照下列公式隨時間（深度）變化接收增益接收增益 = (2 R) + Sp logR + G 其中其中: = 吸收損耗吸收損耗 dB/kmR = 深度范圍深度范圍 米米Sp = 擴展損失系數擴展損失系數整理ppt105TVG 曲線TimeGainTimeGain增益設置只是整體向上或下移

24、動增益曲線而不改變曲線形態整理ppt106固定增益 TimeGainFixed gain當水深小于等于5米時 可使用固定增益整理ppt107TVG 曲線 整理ppt108TVG曲線T0TRT0TRGainGainTypical TVG CurveTVG Curve for waters with ahigh sediment load and/or a softmuddy bottom整理ppt109脈沖長度高頻、高分辨率系統具有較短的脈沖長度脈沖越短，分辨率越高；脈沖越長，測深范圍越大整理ppt110脈沖長度的選擇長度應足夠長以保證足夠的量程，但是太長的脈沖將給水深測量帶來更多噪聲用最短的脈

25、沖可獲得最佳的分辨率當在大水深滿功率工作時，要增加脈沖長度以獲得大量程整理ppt11181-P 范圍設置155155155ABC整理ppt112 海底探測數據質量標志Good BrightnessPoor ColinearityGood Brightness Poor ColinearityPoor BrightnessGood ColinearityPoor BrightnessGood Colinearity1212Quality Brightness Colinerarity 1 GOOD POOR 2 POOR GOOD 3GOODGOOD整理ppt11381-P 濾波器如果在聲納處理

26、器中剔除數據，被剔除的數據不再保存在數據采集軟件中被剔除的數據，并不會丟失為什么要在聲納處理器中過濾數據?濾除噪音使接收器更有效在某些海底類型中，二次甚至三次回波可能影響接收器, 濾除這些回波可保證真正的海底被跟蹤得更好。特別對中央波束最常見。整理ppt114斜距過濾在多波束中，斜距和深度（Range and Depth）有很大的不同斜距是從聲納頭到海底某一點的距離水深是從水面到海底的距離整理ppt115斜距過濾整理ppt116深度濾波器整理ppt117校正多波束校正包括:sGPS 延時s橫搖偏差（Roll） (about the Y axis)s縱搖偏差（Pitch） (about the

27、X axis)s艏搖偏差（Yaw） (about the Z axis)要進行多波束校正，首先要在特定的海底地形上采集數據安裝一次就要校正一次。當更換設備或改變傳感器位置都要做校正整理ppt118The Patch Test校正用的測線數據的測量順序不重要計算各校正的先后順序非常重要Latency 第一，然后是 Roll, Pitch, 和 Yaw.潮位將引起結果誤差，因此做校正計算時要注意潮位改正問題整理ppt119The Patch Test整理ppt120GPS 延時GPS 定位的時間將不同于其輸出數據給采集計算機的時間。原因如下:GPS 接收機要花時間計算位置GPS接收機還輸出其他數據

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

29、 vessel coming directly towards you.整理ppt126Roll誤差MinimaSystematically applied correctionsError difference in surfaces整理ppt127Roll 誤差Roll 校正的誤差應達到 0.01的精度.Roll誤差將導致水深值誤差，因此它是最重要的校正整理ppt128Roll誤差An uncorrected roll error will result in erroneous depths for the outer beams整理ppt129Pitch誤差Pitch 誤差造成延航線方

30、向的位移，位移值與水深成正比，水深越大位移越大。整理ppt130Pitch Test整理ppt131Pitch 誤差Profile of slope produced from reciprocal runProfile of slope from first runTwice thePitchErrorLine run in two opposite directions整理ppt132Pitch 誤差校正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 誤差Pitch 誤差將導致水深點的位置誤差整理ppt135Yaw 誤差Yaw 誤差引起邊緣波束水深點的位置誤差整理ppt136Yaw 誤差校正在斜坡上的二條平行測線或者在一個礁石二側的二條測線測線的間距應保證二測線間有 10 50% 的波束覆蓋率二測線可以反向，也可以同向整理ppt137Yaw 誤差校正整理ppt1