声纳原理

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
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
时间
普通波动原理- 声纳方程
普通波动原理- 声纳方程

主动声纳方程 (有限噪音): SL + TSL - 2TL - (NL - DI) = S/N （信噪比） 主动声纳方程(有限反射): SL + TSL - 2TL - RL = S/N 其中：
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
普通波动原理-多波束
多波束
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
多波束声纳和声学原理
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 1º C = 声速约变 3 m/s 压力 ：165米深度变化的影响相当于 温度变1º C
表面声速
Sound velocity (at surface)
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 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
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
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
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
-13 dB 第一旁瓣
A
Narrow beam characteristic with side lobes
L
-90
+90 -90
+90
A
普通波动原理- 旁瓣
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)
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。
<1dB/km 5dB/km 20dB/km
2 dB/km 30dB/km 70dB/km
455kHz (SeaBat 8125)
70dB/km
110dB/km
散射
来自百度文库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。
换能器阵轴
波前

声源
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(相位或时间延迟-波束导向)
•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
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（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
水听器阵基元
1 2 3
声波

在 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 – 入射波前以角度到 达水听器阵
1 d 2 B d A 3 1 2 3
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 RAM RAM RAM
求和 & A/D & A/D
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
...... ...... ......
基元 N-2 基元 N-1 基元 N
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。
普通波动原理- 束控(Shading)
电性上互相 独立的基元
Narrow beam characteristic with side lobes
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
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.
—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距离可使影响最小化
������
环境噪音
水力的 – 波浪，潮汐，流速。与天气有关 地 交 震 – 只有低频系统受影响 通 – 其他船
生物的 – 海洋生物，一般 <10kHz
普通声纳原理
普通波动原理
点源 声纳方程

SL = 主动声纳声源级
TSL = 目标声源级 TL = 传播损失 (吸收和扩散) NL = 环境噪声和自身噪声
DI = 声纳横贯截面 (传感器指向性指数)
RL = 反射能级 (受传播距离和传播损失影响)

环境噪音有多种来源，如波浪、下雨 、船只等 接收的入射信号来自海面、海底和水体的反射. 通常，或者噪音或者反射信号会占优势



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°

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
束控
Amp. 1
Amp. 2
Amp. 3
Amp. 4
Amp. 30
Amp. 31
Amp. 32
脉冲长度
波束编号
压力 水密装置
加强背板
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 =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
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9
电源
普通波动原理- 束控
采用束控技术前、后的矩形孔径换能器的波束指向图
-13 dB 第一旁瓣
Narrow beam characteristic with side lobes
-27 dB 第一旁瓣
-90
+90
-90
A
+90
A
普通波动原理- 波束宽度
1560 1540 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
Velocity (m/sec)
d1
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
d
S2
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
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)
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
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: 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。