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多波束声纳和声学原理多波束声纳和声学原理普通声学原理普通声学原理水中的声速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表面声速表面声速Soundvelocity(atsurface)14001420144014601480150015201540156005101520253035Temperature(degreesC)Velocity(m/sec)0ppt5ppt10ppt15ppt20ppt25ppt30ppt35ppt典型海洋声速剖面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）传播损失传播损失扩展损失衰减•吸收•散射•反射扩展损失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/km5dB/km20dB/km70dB/km2dB/km100kHz(SeaBat8111)30dB/km240kHz(SeaBat8101)70dB/km455kHz(SeaBat8125)110dB/km散散射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。散散射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反射射水体反射鱼/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海底的吸收和反射背景噪音背景噪音自身噪音自身噪音–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环境噪音–其他声源引起，一般不可控制自身噪音的例子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流噪音––气泡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普通声纳原理普通声纳原理普通波动原理普通波动原理点源点源声纳方程声纳方程单波束测深仪的局限性单波束测深仪的局限性波束导向波束导向束控技术束控技术波束形成波束形成普通波动原理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普通波动原理--声纳方程声纳方程普通波动原理普通波动原理--声纳方程声纳方程主动声纳方程主动声纳方程((有限噪音有限噪音):):SL+TSL-2TL-(NL-DI)=S/N（信噪比）主动声纳方程主动声纳方程((有限反射有限反射):):SL+TSL-2TL-RL=S/N其中：SLSL==主动声纳声源级主动声纳声源级TSTSLL==目标声源级目标声源级TLTL==传播损失传播损失((吸收和扩散吸收和扩散))NLNL==环境噪声和自身噪声环境噪声和自身噪声DIDI==声纳横贯截面声纳横贯截面((传感器指向性指数传感器指向性指数))RLRL==反射能级反射能级((受传播距离和传播损失影响受传播距离和传播损失影响))环境噪音有多种来源，如波浪、下雨环境噪音有多种来源，如波浪、下雨、船只等、船只等接收的入射信号来自海面、海底和水体的反射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通常，或者噪音或者反射信号会占优势普通波动原理普通波动原理--为什么多波束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普通波动原理--单波束单波束测深仪的局限性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普通波动原理--单波束单波束测深仪的局限性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普通波动原理--单波束单波束测深仪的局限性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普通波动原理--单波束单波束测深仪的局限性测深仪的局限性只有未经稳定补偿的单波束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。这将显著增加费用面积。这将显著增加费用要想得到海底的要想得到海底的33维图非常困难，且维图非常困难，且精度较差精度较差对海底填图来说，效率太低对海底填图来说，效率太低..普通波动原理普通波动原理--多波束多波束条带宽度多波束普通波动原理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普通波动原理相长干涉位置1SoundsourcesS1S2Locationequidistantfromthetwosourcesd1d2d1=d2=ConstructiveinterferenceLineofequidistantlocationsd相长干涉位置2dS1S2AθθθA=dxsin(θ)相长干涉:A/λ=0,1,2,3......or(d/λ)xsin(θ)=0,1,2,3,4,....etc相消干涉:(d/λ)xsin(θ)=0.5,1.5,2.5,3.5,....etc普通波动原理普通波动原理间隔λ/2的二个声源相消无声d=λ/2S1S2相长最大声θ=0θ=90相长最大声相消无声θ=180θ=270普通波动原理普通波动原理间距为λ/2的二个声源的波束指向图相消无声S1S2θ=0θ=90θ=180θ=270普通波动原理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θ0θw半功率波束宽度P(θw)P(θ0)P(θw)/P(θ0)=1/2≅-3dB普通波动原理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普通波动原理普通波动原理--旁瓣旁瓣旁瓣产生于特定的声源相长干涉点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我们的目的是要使主波瓣最大化而所有旁瓣最小化旁瓣最小化旁瓣指向于不希望的方向，使主波瓣能旁瓣指向于不希望的方向，使主波瓣能量减少量减少 旁瓣造成的回波，如旁瓣路径上的鱼的旁瓣造成的回波，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回波，会被认为是主瓣路径上的目标物普通波动原理普通波动原理--波束导向波束导向和束控技术和束控技术振幅束控振幅束控::旁瓣的能级可以通过给声源阵中不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。会增加主波瓣的宽度。相位束控相位束控::对声源阵中不同基元接收到的信号进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向）。这时，每个声源基元的信号是分别输出的。出的。NarrowbeamcharacteristicwithsidelobesA1A2A3A4A5A6A7A8A9电源电性上互相独立的基元普通波动原理普通波动原理--束控束控(Shading)(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普通波动原理普通波动原理--束控束控-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普通波动原理--波束宽度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导向波束导向（波束导向（SteeringSteering））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导向波束导向（波束导向（SteeringSteering））普通波动原理普通波动原理--束控束控换能器阵越大主波束越窄换能器阵越大主波束越窄主波束的宽度在半功率点测量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旁瓣可以利用束控技术以增加主波瓣宽度为代价而减少代价而减少一个换能器阵的波束指向图对发射和接收都一个换能器阵的波束指向图对发射和接收都是相同的是相同的压电陶瓷导电涂层电连接线波束形成波束形成––换能器基元换能器基元加强背板水密装置压力波束形成波束形成––换能器基元换能器基元导电涂层连接导线波束形成波束形成––换能器阵换能器阵123阵基元声波⇓当θ=0时的声源距波束形成波束形成––水听器阵水听器阵基元1时间振幅基元2时间振幅基元3时间振幅波束形成波束形成––水听器水听器对垂直声源的响应曲线对垂直声源的响应曲线时间振幅x3波束形成波束形成––水听器水听器对垂直声源的响应和曲线对垂直声源的响应和曲线123水听器阵基元声波⇓在θ角度下的距离θ波束形成波束形成––水听器阵水听器阵基元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波束形成––水听器水听器对斜交声源的响应曲线对斜交声源的响应曲线时间振幅波束形成波束形成––水听器水听器对斜交声源的响应和曲线对斜交声源的响应和曲线123ddθθθ123BA声源换能器阵轴波前θA=dxcos(θ),B=2dxcos(θ)T2(到水听器2的时间)=A/c=(dsinθ)/c;c是当地声速（非常重要）T1(到水听器1的时间)=B/c=(2dsinθ)/c波束形成波束形成––入射波前以角度入射波前以角度θθ到到达水听器阵达水听器阵θ波束形成波束形成––入射波前以角度入射波前以角度θθ到达到达水听器阵水听器阵((相位或时间延迟相位或时间延迟--波束导向波束导向))如已知时间差如已知时间差TT11,T,T22，我们就可以先对个别水听器的信，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水听器输出求和，就可得到对于入射角为θθ时时的最大水的最大水听器阵输出。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