多波束勘测系统工作原理及结构

第二章多波束勘测系统工作原理及结构

多波束系统是70年代兴起、80年代中、末期又得到飞速发展的一项全新的海底地形精密勘测技术。它是当前兴趣的焦点，因为它既有条带测深数据，又同时可获取反映底质属性的回波强度数据(Laurent Hellequin et al.,2003)。该技术采取广角度定向发射和多通道信息接收，获得水下高密度具有上百个波束的条幅式海底地形数据，彻底改变了传统测深技术概念，使测深原理、勘测方法、外围设备和数据处理技术诸方面都发生了巨大变化，大大提高了海底地形勘测的精度、分辨率和工作效率，实现了测深技术史上的一次革命性突破（李家彪等，2000）。多波束系统的工作原理与传统的单波束回声测深仪工作原理类似，都是根据声波在水下往返传播的时间与声速的乘积得到距离，从而得到水深。不同的是单波束测深仪一般采用较宽的发射波束（8°左右）向船底垂直发射，声传播路径不会发生弯曲，来回的路径最短，能量衰减很小，通过对回声信号的幅度检测确定信号往返传播的时间，再根据声波在水介质中的平均传播速度计算测量水深。在多波束系统中，换能器配置有一个或者多个换能器单元的阵列，通过控制不同单元的相位，形成多个具有不同指向角的波束，通常只发射一个波束而在接收时形成多个波束。除换能器天底波束外，外缘波束随着入射角的增加，波束在倾斜穿过水层时会发生折射，同时由于多波束沿航迹方向采用较窄的波束角而在垂直航迹方向采用较宽的覆盖角，要获得整个测幅上精确的水深和位置，必须要精确地知道测量区域水柱的声速剖面和波束在发射和接收时船的姿态和船艏向。因此，多波束测深在系统组成和测量时比单波束测深仪要复杂得多（周兴华等，1999）。

§多波束勘测系统的工作原理

2.1.1 单波束的形成

2.1.1.1 发射阵和波束的形成

一个单波束在水中发射后，是球形等幅度传播，所以方向上的声能相等。这种均匀传播称为各向同性传播（isotropic expansion），发射阵也叫各向同性源（isotropic source）。例如，一个小石头扔进池塘时就是这种情况，如图所示。

图波的各向同性传播

显然，测深时是不能采用如此的声波的。采用发射基阵就可以产生各向异性的声波。下面简要叙述它形成的原理。

如果两个相邻的发射器发射相同的各向同性的声信号，声波图将互相重叠和干涉，如图所示。两个波峰或者两个波谷之间的叠加会增强波的能量，波峰与波谷的叠加正好互相抵消，能量为零。一般地，相长干涉发生在距离每个发射器相等的点或者整波长处，而相消干涉发生在相距发射器半波长或者整波长加半波长处。显然，水听器需要放置在相长干涉处。

图相长干涉和相消干涉（Constructive and Destructive Interference）

一个典型的声纳，基阵的间距d（图中1、2点的距离）是λ/2（半波长）。在这种情况下，相长和相消干涉发生时的点位处于最有利的角度（点位与基阵中心的连线与水平线的夹角），相长干涉：θ= 0, 180，相消干涉：θ= 90, 270，如图所示。

图两个发射器相距λ/2时的相长和相消干涉

图是两个发射器间距λ/2时的波束能量图（Beam Pattern），左边为平面图，右边为三维图，从图上可以清楚地看到能量的分布，不同的角度有不同的能量，这就是能量的指向性（directivity）。如果一个发射阵的能量分布在狭窄的角度中，就称该系统指向性高。真正的发射阵由多个发射器组成，有直线阵和圆形阵等。这里只讨论离散直线阵，其它阵列类似可以推导出。如图所示，根据两个发射器的基阵可以推导出多个发射器组成的直线阵的波束图。

图两个发射器间距λ/2时的波束能量图（Beam Pattern）

图多基元线性基阵的波束图（Beam Pattern）

图中，能量最大的波束叫主瓣，侧边的一些小瓣是旁瓣,也是相长干涉的地方，引起了能量的泄漏。旁瓣还可能引起回波，对主瓣的回波产生干扰。旁瓣是不可避免的，可以通过加权的方法降低旁瓣的水平，但是加权后旁瓣水平值降低了，波束却展宽了。主瓣的中心轴叫最大响应轴（maximum response axis－MRA），主瓣半功率处（相对于主瓣能量的-3db）角度的两倍就是波束角。发射器越多，基阵越长，则波束角越小，指向性就越高。设基阵的长度为D，则波束角

θ= ×λ/D （）可以看出，减小波长或者增大基阵的长度都可以提高波束的指向性。但是，基阵的长度不可能无限增大，而波长越小，在水中衰减得越快，所以指向性不可能无限提高。

2.1.1.2 波束的指向（Beam Steering）

换能器怎样在指定的方向上发射或者接收声波，称为波束的指向。以水听器接收回波为例。如图，当回波以θ方向到达接收基阵时，首先在点3到达，其次为点2和点1，则在

图 夹角为θ的回波

点2的回波比点3多旅行了距离A ＝d ´ sin q ，点1比点3的回波多旅行了距离B ＝2d ´ sin q ，相应的增加的时间为

T 2=A /c =(d sin θ)/c （） T 1=B /c =(2d sin θ)/c （）

计算出偏移时间后，在基阵中作相应的调整，引入延时，使回波在基阵上正好构成相长干涉，这样就可以使主瓣在指定的方向上，如图所示。

图 引入延时后主瓣方向的偏移 图 多波束的几何构成 2.1.2 多波束的形成

当接收波束发射出扇形波束后，接收波束按一定的间距（等距离或者等角度）与之相交，就形成了一个个在纵横向的窄波束脚印，如图所示。

设水听器共有N 个基元，每个基元i 记录的回波S i (t)的振幅为A(t),且

S (t ) = A (t )cos(2p ft ) （） 写成相位的形式为

S (t ) = A (t )cos(f(t )) （） 或 )()()(t j e t A t S Φ= （） 其中，f(t ) = 2p ft 。

多波束系统需测量回波S(t)和相位φ(t)，然后将模拟接收信号转换为数字信号，采用率一般在1～3ms 之间。所有基元在采样点上的回波和相位值称为时间片（time slice ）。

在上节中，讨论了基元i 相对于第一个基元的距离差，转换为相位差为

θλπsin 2id （）

由（）和（）得