多波束原理安装及操作

小深度 小照射面积
面积= 立体角x 深度2
大深度 大照射面积
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
多波束
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
不正确的水深测量
第一回波量程
普通波动原理
间隔 /2 的二个声源
=0
相长 最大声
相消 无声
=270
S1 d = /2 S2
=90
相消 无声
=180
相长 最大声
普通波动原理
间距为 /2 的二个声源的波束指向图
=0
=270
S1 S2
=90
相消 无声
=180
普通波动原理
直线阵的波束指向图
主波瓣
旁波瓣
直线阵的轴线 半功率波束宽度
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
频率 淡水吸收系数 盐水吸收系数
12kHz (SeaBat 8150) 100kHz (SeaBat 8111) 240kHz (SeaBat 8101) 455kHz (SeaBat 8125)
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 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
<1dB/km 5dB/km 20dB/km 70dB/km
2 dB/km 30dB/km 70dB/km 110dB/km
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
P (w) / P (0) = 1/2 - 3 dB P (w)
指向轴 0
w
P (0)
普通波动原理
矩形孔径换能器的波束指向图
Fra Baidu bibliotek
-13 dB 第一旁瓣
A
N a w o r b m a e a h c r e t c a c i t s h t i w l e d i s s e b o
条带 宽度
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 波束形成
普通波动原理
基本换能器单元 球面波 （全向）
点源
普通波动原理
普通波动原理
普通波动原理
水听器 蓝色 = 高压力 白色 = 低压力
波长
测量的压力
距离
振幅
静态水压
1/频率
典型海洋声速剖面
声速（米/秒） 表面层 季节性温跃层 永久性温跃层 水深度 （ 米）
深部等温层
传播损失
扩展损失 衰减
•吸收 •散射 •反射
扩展损失
球面扩展
柱面扩展
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. Volberg)
1560 1540 Velocity (m/sec) 1520 1500 1480 1460 1440 1420 1400 0 5 10 15 20 25 30 35 Temperature (degrees C) 0 ppt 5 ppt 10 ppt 15 ppt 20 ppt 25 ppt 30 ppt 35 ppt
时间
各向同性展开的波
普通波动原理
波峰
波谷 (低压)
压力
距离
普通波动原理
相长相消干涉
相消干涉点 声源 相长干涉点
普通波动原理
相长干涉位置 1
Location equidistant from the two sources d1= d2 => Constructive interference
d1
不规则海底
深度量程
普通波动原理-单波束 测深仪的局限性
窄波束
该窄波束叫做未经稳定的波 束
来自有限面积的回波
普通波动原理-单波束 测深仪的局限性
纵摇角度
未经稳定的波束受船舶 运动影响
实际照射的区域
希望照射的区域
普通波动原理-单波束 测深仪的局限性
波束立体角的大小决定了 测深仪的分辨率
固定的波束 立体角
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 1ºC = 声速约变 3 m/s 压力 ：165米深度变化的影响相当于 温度变1ºC
表面声速
Sound velocity (at surface)
d2
S1
d
S2
Sound sources
Line of equidistant locations
普通波动原理
相长干涉位置 2
A S1 S2
d
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