多波束原理安装及操作课件

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

3、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 随着频率和入射角的增加损失增加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

4、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

5、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-90-9

6、0+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

7、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（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

8、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 .&

9、 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. 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

10、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

11、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 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

12、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 mot

13、ion that can not be measured by the motion sensor.Private survey company - USA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TimeGainFixed 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

14、 ahigh sediment load and/or a softmuddy bottom155155155ABC Good BrightnessPoor ColinearityGood Brightness Poor ColinearityPoor BrightnessGood ColinearityPoor BrightnessGood Colinearity1212Quality Brightness Colinerarity 1 GOOD POOR 2 POOR GOOD 3GOODGOODCross Section AreaSlow RunFast RunTwo lines wer

15、e run normal 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

16、depths for 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

17、 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 direction.离中央波束越远，位置误差越大。海

18、底海底航线航线船速船速航向航向测线号测线号延时延时斜坡相同不同相同1 和 3 (低速）ROLL 平坦相同相同相反1 和 2Pitch斜坡相同相同 相反1 和 2Yaw斜坡不同相同相同1 和4下列原因及其组合可造成数据质量问题：下列原因及其组合可造成数据质量问题：l ROLL 误差l Heave 误差l Yaw （Heading 误差）l Pitch 误差l 位置误差 （GPS 延时）l 设备安装位置l 深度位移l 声速误差l 船吃水变化特点：整个条带沿航线波浪起伏典型原因：运动传感器升沉带宽设置；时间同步不对特点：边缘波束波浪起伏典型原因：系统时间同步不对；安装杆运动声纳旁瓣特性增加发射功率及接收增益可消除积减小其影响ROLL