多波束声纳及声学原理1
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波束形成 – 换能器阵
导电涂层 连接导线
波束形成 – 水听器阵
阵基元
1 2 3
声波
⇓
当 θ=0 时的声源距
波束形成 – 水听器 对垂直声源的响应曲线
振幅
基元 1 时间
振幅
基元 2
时间
振幅
基元 3
时间
波束形成 – 水听器 对垂直声源的响应和曲线
振幅 x 3
时间
波束形成 – 水听器阵
水听器阵基元
1 2 3
声波
θ
⇓
在 θ 角度下的距离
波束形成 – 水听器 对斜交声源的响应曲线
振幅 基元 1
时间
振幅 基元 2
时间
振幅
基元 3
时间
输出信号的相位
波束形成 – 水听器 对斜交声源的响应和曲线
振幅
时间
波束形成 – 入射波前以角度θ到 达水听器阵
1 d θ 2 θ B d θ A 3 1 2 3
换能器阵轴 波前
θ
波束形成 – 波束导向
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
SeaBat 声纳校正步骤
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
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θ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 (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θ角的方向。
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10~60个基元形成所希望的波束 形状
平面换能器阵的波束宽度
用波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°
θ
声源
A = d x cos (θ), B = 2d x cos (θ) T2 (到水听器 2 的时间) = A/c = (d sin θ)/c ; c 是当地声速(非常重要) T1 (到水听器 1 的时间) = B/c = (2d sin θ)/c
波束形成 – 入射波前以角度θ到达 水听器阵(相位或时间延迟-波束导向)
在所有波束方向上波 安装较麻烦 束宽度一样(主要优 点)
平面换能器阵特点
优点
加工制作容易 可以有很高的制作精 度(增进压制旁瓣能 力) 安装容易
缺点
需要表面声速做波束 导向(必需的) 随着导向角增加,波 速变宽(主要缺点) 波束形成较麻烦
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
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
振幅
相位
入射角 15度
SeaBat 多波束海底检测
振幅பைடு நூலகம்
相位
入射角 75度
SeaBat 多波束海底检测
振幅
相位
SeaBat 侧扫声呐图像
一般多波束系统都可经过固件升级而具有侧扫 功能 侧扫图像是用与水深数据同样的声波数据经特 别的波束形成步骤生成的 一般有二种侧扫技术 标准宽波束技术 多波束小片技术(Snippets)
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
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
波束形成 – 换能器基元
压电陶瓷 导电涂层 电连接线
波束形成 – 换能器基元
压力 水密装置
加强背板
基元 N-2 基元 N-1 基元 N
Amp. 30 Amp. 31 Amp. 32
脉冲长度 波束编号
Gen. 1
Gen. 2
Gen. 3
Gen. 4
Gen. 30 Gen. 31 Gen. 32
触发脉冲发生器
弧形换能器阵特点
优点 缺点
对表面声速的容差大 机械结构上更复杂( 成本更高) 波束形成简单 对各基元位置容差小 (压制旁瓣更困难)
波束形成 –接收器
基元 1 基元 2 基元 3 基元 ... 基元 N & A/D & A/D & A/D & A/D & A/D RAM RAM RAM 求和 RAM RAM
波束输出
波束形成 – 波束形成器
基元 1
基元 2
基元 3
基元 4
束控
Amp. 1
Amp. 2
Amp. 3
Amp. 4
..... . ..... . ..... .
波束形成 – 发射波束
SeaBat 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 234º 环形阵空间,以及170º 的发射脉冲空间Transmit Pulse unobstructed.