声纳原理

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1.3m/s温度变1ºC=声速约变3m/s压力：165米深度变化的影响相当于温度变1ºC表面声速Soundvelocity(atsurface)14001420144014601480150015201540156005101520253035Temperature(degreesC)Velocity(m/sec)0ppt5ppt10ppt15ppt20ppt25ppt30ppt35ppt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30logdB.(FigurefromSonarTechnology,byHermanW.Volberg)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频率淡水吸收系数盐水吸收系数12kHz(SeaBat8150)1dB/km2dB/km100kHz(SeaBat8111)5dB/km30dB/km240kHz(SeaBat8101)20dB/km70dB/km455kHz(SeaBat8125)70dB/km110dB/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2dB–30dB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点源球面波（全向）基本换能器单元普通波动原理普通波动原理普通波动原理蓝色=高压力白色=低压力水听器距离波长1/频率振幅静态水压时间测量的压力普通波动原理-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：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普通波动原理-为什么多波束深度量程第一回波量程不正确的水深测量不规则海底普通波动原理-单波束测深仪的局限性窄波束来自有限面积的回波该窄波束叫做未经稳定的波束普通波动原理-单波束测深仪的局限性纵摇角度希望照射的区域实际照射的区域未经稳定的波束受船舶运动影响普通波动原理-单波束测深仪的局限性固定的波束立体角小深度小照射面积大深度大照射面积面积=立体角x深度2波束立体角的大小决定了测深仪的分辨率普通波动原理-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-多波束多波束普通波动原理各向同性展开的波压力距离波峰波谷(低压)普通波动原理相长相消干涉相消干涉点相长干涉点声源普通波动原理相长干涉位置1SoundsourcesS1S2Locationequidistantfromthetwosourcesd1d2d1=d2=ConstructiveinterferenceLineofequidistantlocationsd相长干涉位置2dS1S2AA=dxsin()相长干涉:A/=0,1,2,3......or(d/)xsin()=0,1,2,3,4,....etc相消干涉:(d/)xsin()=0.5,1.5,2.5,3.5,....etc普通波动原理间隔/2的二个声源相消无声d=/2S1S2相长最大声=0=90相长最大声相消无声=180=270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S1S2=0=90=180=270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半功率波束宽度P(w)P(0)P(w)/P(0)=1/2-3dB普通波动原理矩形孔径换能器的波束指向图Narrowbeamcharacteristicwithsidelobes-13dB第一旁瓣AAL-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: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。NarrowbeamcharacteristicwithsidelobesA1A2A3A4A5A6A7A8A9电源电性上互相独立的基元普通波动原理-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Narrowbeamcharacteristicwithsidelobes-27dB第一旁瓣AA-90-90+90+90普通波动原理-束控-13dB第一旁瓣•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（Steering）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连接导线波束形成–换能器阵123阵基元声波当=0时的声源距波束形成–水听器阵基元1时间振幅基元2时间振幅基元3时间振幅波束形成–水听器对垂直声源的响应曲线时间振幅x3波束形成–水听器对垂直声源的响应和曲线123水听器阵基元声波在角度下的距离波束形成–水听器阵基元1时间振幅基元2时间振幅基元3时间振幅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振幅波束形成–水听器对斜交声源的响应和曲线123dd123BA声源换能器阵轴波前A=dxcos(),B=2dxcos()T2(到水听器2的时间)=A/c=(dsin)/c;c是当地声速（非常重要）T1(到水听器1的时间)=B/c=(2dsin)/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/CosA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°x0.5°=1.15x0.5°=0.575°波束导向角为±60°,波束宽度为=1/cos60°x0.5°=2x0.5°=1°波束输出求和基元1&A/DRAM基元2&A/DRAM基元3&A/DRAM基元...&A/DRAM基元N&A/DRAM波束形成–接收器......基元1基元2基元3基元4基元N-2基元N-1基元N......Amp.1Amp.2Amp.3Amp.4Amp.30Amp.31Amp.32......Gen.1Gen.2Gen.3Gen.4Gen.30Gen.31Gen.32触发脉冲发生器波束编号脉冲长度束控波束形成–波束形成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）在所有波束方向上波束宽度一样（主要优点）安装较麻烦平面换能器阵特点优点缺点加工制作容易需要表面声速做波束导向（必需的）可以有很高的制作精度（增进压制旁瓣能力）随着导向角增加，波速变宽（主要缺点）安装容易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(-3dB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°to3.0°形成的接收波束0.5°to3.0°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波束形成–发射波束SeaBat弧形换能器阵特性•SeaBat8101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56x1.5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TransmitPulseunobstructed.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