多波束原理安装及操作

1、普通声学和多波束声纳原理,普通声学原理,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,表面声速,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）,传播损失,扩展损失 衰减 吸收 散射 反射,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. Vol

2、berg),球面扩展 柱面扩展,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TVG 增益曲线的上升速度,对应不同频率声波的吸收系数,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。,散 射,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,反 射,水体反射 鱼 / 水中生物

3、 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,海底吸收,变化幅度为 2 dB 30 dB 随声波频率、海底类型、入射角变化 随着频率和入射角的增加损失增加,海底的吸收和反射,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,自身噪音的例子,机械噪音 柴油机，齿轮箱，传动轴，螺旋桨及其他辅助机械 流噪音 - 与速度有关 - 层流和船体情况 电子噪音 声纳中的噪音分量 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,流噪音 气泡,船体形状和设计影响船体流体特性 改

4、变声纳头到船壳的高度可使影响最小化 ,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 10kHz,普通波动原理- 为什么多波束,普通波动原理-单波束测深仪的局限性,普通波动原理-单波束测深仪的局限性,普通波动原理-单波束测深仪的局限性,普通波动原理-单波束测深仪的局限性,只有未经稳定补偿的单波束 要想得到更窄的波束只能靠加大换能器面积。这将显著增加费用 要想得到海底的 3 维图非常困难，且精度较差 对海底填图来说，效率太低.,普通波动原理-多波束,普通声纳原理,普通波动原理,点源 声纳方程 单波束测深仪的局限性 波束导向 束控技术

5、 波束形成,普通波动原理,普通波动原理,普通波动原理,普通波动原理,普通波动原理,普通波动原理,相长相消干涉,普通波动原理,相长干涉位置 2,d,S1,S2,A,A = 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,普通波动原理,间隔 /2 的二个声源,普通波动原理,间距为 /2 的二个声源的波束指向图,相消 无声,普通波动原理,直线阵的波束指向图,直线阵的轴线,主波瓣,旁波瓣,指向轴 0,w,半功率波束

6、宽度,P (w),P (0),P (w) / P (0) = 1/2 - 3 dB,普通波动原理,矩形孔径换能器的波束指向图,A,A,L,-90,-90,+90,+90,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,普通波动原理- 波束导向和束控技术,振幅束控: 发射波束旁瓣的能级可以通过给声源阵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:对声源阵中不同基元接收到的信号进行适当的相位或时

7、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。,电源,普通波动原理- 束控(Shading),采用束控技术前、后的矩形孔径换能器的波束指向图,A,A,-90,-90,+90,+90,普通波动原理- 束控,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,普通波动原理- 波束宽度,波束形成 波束宽度,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可实现波束导向,波束导向（Steering）,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可实现波束导向,波束导向（Steerin

8、g）,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,压电陶瓷,导电涂层,电连接线,波束形成 换能器基元,加强背板,水密装置,压力,波束形成 换能器基元,导电涂层,波束形成 换能器阵,1,2,3,阵基元,波束形成 水听器阵,波束形成 水听器对垂直声源的响应曲线,时间,振幅 x 3,波束形成 水听器对垂直声源的响应和曲线,1,2,3,水听器阵基元,在 角度下的距离,波束形成 水听器阵,输出信号的相位,波束形成 水听器对斜交声源的响应曲线,时间

9、,振幅,波束形成 水听器对斜交声源的响应和曲线,A = d x cos (), B = 2d x cos () T2 (到水听器 2 的时间) = A/c = (d sin )/c ; c 是当地声速（非常重要） 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,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

10、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。,波束形成 波束导向,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,波束形成 - 表面声速,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”； 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”； 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。 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,平面换能器阵的波束宽度,用波

11、束导向后波束宽度会随着导向角的增大而增大 有效阵元孔径会随着导向角的增大而变小 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 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,波束形成 接收器,波束形成 波束形成器,弧形换能器阵特点,平面换能器阵特点,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

12、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,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,波束形成 全向发射,波束形成 - 接收波束,波束形成 发射换能器,发射换能器发射出固定频率的声波 采用束控技术以使主瓣最大旁瓣最小 有的系统还对发射脉冲应用导向技术做实时运动补偿 一般用1060个基元形成所希望的波束形状,波束形成 发射波束,SeaBa

13、t 弧形换能器阵特性,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 Pulse unobstructed.,这里波束100 要求 42的阵元扇区,SeaBat 接收换能器阵,8101 接收阵有160个接收基元 8125接收阵有254个接收基元,SeaBat 声纳校正,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 要想生产出具有完全同样相位和增益特性的放大器也

14、是不可能的。 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 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,SeaBat 接收电路校正,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 该信号经过放大转换成数字信号值 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 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,SeaBat 声纳校正结果显示,SeaBat 声纳处理器流程,SeaBat 多波束海底检测,入射角 15度,振幅,相位

15、,SeaBat 多波束海底检测,入射角 75度,振幅,相位,SeaBat 多波束海底检测,振幅,相位,多波束系统组成,RESON SeaBat 8125,RESON SeaBat 8125,频率:455 kHz 测深分辨率:6 mm 覆盖角度:120 最大测深范围:120 m 波束数:240 沿航线波束角:1， 垂直航线波束角:0.5 最大船速:12 节 最大发射速率:40 次/秒,SeaBat 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,SeaBat 8101 技术指标,频率:240 kHz 波束个数

16、: 101 波束角: 1.5 x 1.5 覆盖宽度:7.4x 水深 (150) 测深范围: 0.5 to 300 metres 条带宽度:7.4 倍 - 0.5 70m 4.2 倍- 100m 2.7 倍- 150m 2.0 倍- 200m 1.6 倍 - 250m 1.3 倍- 300m 测深分辨率:1.25cm 最大发射速率:40 次/每秒 最大船速： 15节 重量:26.8 kg (空气中), 4.8 kg (海水中) 尺寸: 直径: 320mm, 长度： 266mm,SeaBat 8101 部件,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: 噪音 振动 要尽力减小噪音

17、和振动的影响,自身噪音,机械噪音 柴油机，齿轮箱，传动轴，螺旋桨及其他辅助机械 流噪音 - 与速度有关的层流 电子噪音 声纳中的噪音分量 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 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,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,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 其他船,生物的 海洋生物，一般 10kHz,减少噪音,对环境噪音一般没办法避免，但有很多

18、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,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,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 the pole. A motion that can not be measured by th

19、e motion sensor.,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,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,安装例子,Small vessel over-the-side mounts,Private survey company - USA,81-P 声纳处理器,通过信号和控制电缆给声纳头提供直流电源 发送控制信号到声纳头 从声纳头接收和多路解编

20、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,Sonar processor,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）,信 噪比,TVG,Absorption 和 Spreading Loss 是确定TVG 曲线的二个主要参数 在干净的淡水中，或者在海底具有很好的反射体的水中，absorpt

21、ion 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,TVG 增益,增益按照下列公式随时间（深度）变化,接收增益 = (2 R) + Sp logR + G 其中: = 吸收损耗 dB/km R = 深度范围 米 Sp = 扩展损失系数,TVG 曲线,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,固定增益,当水深小于等于5米时 可使用固定增益,TVG 曲线,Spread Loss 可用值等范围为 060，缺省的初始值为30。 Abs

22、orb 可用值等范围为 0120 dB/km ，缺省的值对海水为70 dB/km ，对淡水为20 dB/km,Taken from the RESON SeaBat Manual,TVG曲线,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,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,81-P 范围设置,海底探测数据质量标志,Good Brightness Poor Colinearity,Good Brightness Po

23、or Colinearity,Poor Brightness Good Colinearity,Poor Brightness Good Colinearity,1,2,1,2,81-P 滤波器,如果在声纳处理器中剔除数据，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。,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

24、离,Range,Depth,斜距过滤,The Range filter results in a constant minimum and maximum range, any data outside of the minimum or maximum is ignored by the sonar processor.,深度滤波器,The depth filter creates parallel lines of minimum and maximum depths, any data outside of the limits is ignored.,校正,多波束校正包括: GPS 延

25、时 横摇偏差（Roll） (about the Y axis) 纵摇偏差（Pitch） (about the X axis) 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,The 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,The Patch Test,GPS 延时,GPS 定位的时间将不同于其输出数据给采

26、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 通常GPS 延时从 200 毫秒 到 1200 毫秒.,GPS Latency Test,GPS延时,Cross Section Area,Slow Run,Fast Run,Two lines were run normal to the slope; one at 2 kts, the other at 6 kts,GPS延时,Null is the established latency,Systematically applied latencies,Error in Metres,Roll Tes

27、t,Roll误差,Imagine vessel coming directly towards you.,Roll误差,Minima,Systematically applied corrections,Error difference in surfaces,Roll 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,Roll误差,An uncorrected roll error will result in erroneous depths for the outer beams,Pitch误差,Pitch 误差造成延航线方向的位移，

28、位移值与水深成正比，水深越大位移越大。,Pitch Test,Pitch 误差,Profile of slope produced from reciprocal run,Profile of slope from first run,Twice the,Pitch,Error,Line run in two opposite directions,Pitch 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 the Roll test. One

29、 of these lines could have also been used for the Latency test.,Pitch 校正,The entire dataset is not used to solve for the pitch test, just the area of the slope,Pitch 误差,Pitch 误差将导致水深点的位置误差,Yaw 误差,Yaw 误差引起边缘波束水深点的位置误差,Yaw 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,Yaw 误差校正,Yaw 误差校正,T