技术文章

多波束图像声呐

单频 & 双频 多波束图像声呐

由于它体积小,是应用在微小平台方面的理想设备,同时,它拥有坚固的结构,也是大型的工作级水下机器人和测量水下地形构造应用的优选

单频 & 双频 多波束图像声呐

由于它体积小,是应用在微小平台方面的理想设备,同时,它拥有坚固的结构,也是大型的工作级水下机器人和测量水下地形构造应用的优选



多波束图像声呐是新一代的小巧图像声呐，在水下具有广泛的应用。由于它们 体积小，是应用在微小平台方面的理想设备，同时它拥有坚固的外形结构，也是大型的工作级 水下机器人和测量水下地形构造等应用的选择。

       多波束图像声呐具有 500m, 1000m,4000m 不同耐压选择。

M 系列：标准型号，耐压 500m。

MT 系列:  拥有所有 M 系列优点，钛外壳，耐压 1000m。

MD 系列：钛外壳，耐压 4000m ，用于深水环境工作。

特点：

1 、频率范围 375kHz 到 3.0MHz ，单频、双频系统，适合于水下导航，水下态势感知和检 测工作。

2 、提供广阔视角范围，130 度水平，20 度垂直波束角。

3 、广泛的量程能力，从 0. 1m 到 200m。

4 、高清图像质量，角度分辨率最小 0.25 度。

5 、杰出的图像清晰度，量程分辨率可达 2mm。

6 、简单、直观的操作软件。

7 、输出实时图像的更新率高达 40Hz。

性能参数:

机械参数

M-Series                                      MT-Series                                                       MD-Series

尺寸    125mm (L) x 122mm (W) x 62mm (H)                  125mm (L) x 122mm (W) x 62mm (H)                          125mm (L) excluding connector x ø125mm

材质                     铝                                         钛                                                                钛

重量         980g (Air), 360g (Water)                           1350g (Air), 730g (Water)                                          2.5kg (Air), 1.45kg (Water)

耐压                500m                                          1000m                                                            4000m

温度范围(工作) -5°c up to +35°c                                 -5°c up to +35°c                                                    -5°c up to +35°c

温度范围 (存储) -20°c up to +50°c                               -20°c up to +50°c                                                  -20°c up to

M370s                             M750d                           M1200d                    M3000d

MT370s                           MT750d                          MT1200d                    MT3000d

MD370s                         MD750d                         MD1200d                    MD3000d

频率                        375kHz                       750kHz / 1.2MHz                  1.2MHz / 2.1MHz              1.2MHz / 3.0MHz

量程 (Maximum)            200m                            120m / 40m                      40m / 10m                    30m / 5m

量程 (Minimum)             0.2m                               0.1m                            0.1m                         0.1m

量程分辨率                  8mm                           4mm / 2.5mm                      2.5mm / 2.5mm              2.5mm / 2mm

最大更新率                  40Hz                               40Hz                            40Hz                          40Hz

水平探测角                   130°                            130° / 130°                        130° / 60°                     130° / 40°

垂直探测角                    20°                              20° / 20°                         20° / 12°                      20° / 20°

波束数量                      256                               512                              512                           512

角度分辨率                     2°                              1° / 0.6°                         0.6° / 0.4°                      0.6° / 0.4°

波束间隔                      0.5°                           0.25° / 0.25°                        0.25° / 0.16°                   0.25° / 0.1°

电器指标

M-Series

MT-Series                                                                   MD-Series

接口                               Impulse IE55 Series, 6-way                                   Impulse MC Series, 6-way (Schilling SeaNet / Burton option)

通讯                  4-wire 100-BaseT Ethernet, 2-wire DSL extender module                     4-wire 100-BaseT Ethernet, 2-wire DSL extender module

电压                               12V to 32V DC non-isolated                                                        18V to 32V DC isolated

功率                           10W to 35W (model and range dependent*)                                10W to 35W (model and range dependent*)

传感器                        温度和压力传感器，用于声速的计算                                               温度和压力传感器，用于声速的计算

工作原理

      传统上，声纳是一种机械装置，通过旋转传感器（发射机和接收机）来扫描其前方或周围的扇区。在每个换能器位置，一个声脉冲将被传输到水中，接收器收集的回声将被绘制到显示器上。根据所需的分辨率，图像可能需要几十秒才能更新，在此期间声纳的任何移动都可能会玷污和扭曲图像。与机械声纳不同，Oculus是一种没有运动部件的多波束声纳，它是一组接收器，从单个传输脉冲中收集回波，并使用称为“波束形成”的过程将数据数学地组合成图像。这允许每秒多次生成图像，并像摄像机的输出一样实时查看。

       一些Oculus声纳（名称末尾带有“d”后缀）为双频，具有低频和高频操作模式，允许操作员分别在更长的声学范围或高分辨率图像之间进行选择。

      声纳图像需要经过一些培训和练习才能解释，因为在操作员看来，显示为覆盖其前方区域的自上而下视图，根据所选频率模式，声纳图像可以在水平方向上照亮130°，垂直方向上照亮20°。显示器上目标和纹理的亮度表示它们反射了多少声音（气体或致密材料反射的声音比泥浆、沙子和淤泥多），而声音阴影可以根据物体或海底的几何形状投射。

通过将已知的水中声速（VOS–“c”）与接收回声的时间（“t”）相结合，声纳可以计算声音传播的距离（“d”）。

由于声音必须从声纳传到目标物体，然后再传回，所以声纳和目标之间的距离（‘r’）是总距离的一半。

在现实世界中，声纳将在前方看到多个目标。发射的声音脉冲将在不同的时间反射出每个目标，但接收器将在相当于最大工作范围两倍的时间段内记录所有回波（对于往返于目标的声音）。

接收到的回波被组合成单个接收信号，其时间位置直接与距离相关，而每个回波的强度取决于目标的反射程度。

密度与水非常不同的目标（如气体/空气或岩石/混凝土）将具有很强的反射性和回波，而来自泥浆、淤泥、沙子和植物等材料的回波将具有较弱的回波

声束模式

当考虑声纳如何工作时，把声纳想象成在黑暗的房间里使用的手电筒可能会有所帮助。使用者只能看到火炬照亮的房间部分，如果火炬的光束较窄，则其视野会减小。

类似地，声纳对声音“照亮”的区域具有固定的宽度和高度，这些被称为水平和垂直波束模式。

名称后缀为“d”的Oculus声纳（例如M750d和M1200d）是支持两种工作模式的双频设备，即低频和高频。单频Oculus声纳（名称后缀为's'，如M370s）仅支持低频工作模式。E

每个模式都有自己的光束模式，如下图所示：

目标可见性

位于声纳波束内的物体（或目标）将被声学“照亮”，并可以接收其回波（目标‚), 而位于此之外的对象（目标 和ƒ) 可能不会出现在声纳显示器上：

应该注意的是，尽管上面的图表显示了声纳波束的边界，但这实际上代表了声波的“半功率”水平。该区域外的垂直目标可能仍然可以在显示器上看到，但随着它们远离波束模式，其回波水平将迅速降低。

在水平方向上，由于“自顶向下”显示的宽度固定，因此不会显示光束模式之外的图像。

声纳无法确定回波的垂直到达角，因此，如果两个目标位于声纳前方，彼此垂直距离相同，声纳会将这两个目标显示为它们的回波组合的单一结果。

查看海底

如前几节所讨论的，声纳可以被认为是一个手持式手电筒，具有水平宽、垂直窄的照明光束——继续这个类比，操作员显示器上显示的声纳图像可以被看作是被照明区域的“自上而下”视图。对于希望执行搜索和定位活动或海底调查的用户，Oculus可以安装在显示屏上，以便能够照亮和看到不同数量的海底：

如果声纳靠近海床并向下倾斜 然后只显示它前面的一个小条。通过从海底获取高度，操作员可以照亮更宽的线束，从而更好地利用显示器‚.

对于需要声纳搜索前方海床的情况，显示的最佳用途是平衡海床上方的高度和声纳向下的角度，以便zui大程度地照亮海床ƒ.

作为一个非常普遍的规则，如果向下角度为15°，高度高于工作范围的10%，声纳可以在显示屏上实现最佳的70%海底覆盖率，即对于20m范围，声纳应安装在海床上方约2m处，而对于80m范围，高度应增加至约8m。

声学阴影

声纳和火炬之间的相似性继续存在，因为声纳的“照明”可用于产生声阴影，这对操作员确定声纳前方目标的高度、形状和方向非常有帮助。

如前所述，可以将显示器视为Oculus前方的自顶向下（或卫星）视图：

1.1. 了解回声

尽管有人提到声纳显示器可以被视为其前方区域的自上而下的图像，但这种类比有一些局限性。

当声纳从侧面照亮图像时，只有距离声纳最近的目标边缘或表面才会被照亮。

如果目标面呈一定角度，则一些传入声波将反射到声纳，而其他声波将分散到不同的方向，目标的整体亮度将降低。

下图说明了这一点，用红色突出显示了三个简单目标上在显示屏上最亮的区域，以及这些区域在真实目标中的显示方式：

根据声纳与目标的距离，也可以对图像产生显著影响。

由于声波从发射机中传播的方式，远处目标投射的阴影将在其后面变窄, 但当声纳靠近它们时，阴影宽度会增加。在这些情况下，操作员应意识到这些阴影可能会隐藏其他目标，因为没有声音来照亮它们‚

当操作员的能见度因附近目标的阴影而受到限制时，他们应致力于提高海底上方的声纳高度（以及造成阴影的目标），并可能使声纳向下倾斜以进行补偿。

了解回声

尽管有人提到声纳显示器可以被视为其前方区域的自上而下的图像，但这种类比有一些局限性。当声纳从侧面照亮图像时，只有距离声纳最近的目标边缘或表面才会被照亮。

如果目标面呈一定角度，则一些传入声波将反射到声纳，而其他声波将分散到不同的方向，目标的整体亮度将降低。下图说明了这一点，用红色突出显示了三个简单目标上在显示屏上最亮的区域，以及这些区域在真实目标中的显示方式：

范围与频率和图像质量

如前所述，一些Oculus声纳有两种工作模式：

· 低频，允许以宽视角进行远距离操作–这对于搜索和测量任务很有用。

· 高频，在较短范围内产生更多细节，视角较窄–

这对于近距离目标的详细研究很有用。

下图显示了两种操作模式下相同试验场地的比较：

声纳操作总结

一般来说，以下几点总结了声纳的操作：

· 声纳图像显示了从目标前缘接收到的回波的“自上而下”式显示。

· 只能看到声纳波束照亮的目标：

o 水平面130°/80°，取决于频率模式

o 20°/12°垂直方向，虽然这是半功率点，但在这之外可能会出现较暗的目标。

· 由于没有垂直信息可用，声纳波束中垂直对齐或重叠的目标将合并为单个回波。

· 致密或气态目标在显示屏上显得最亮，而泥和淤泥则显得非常暗淡。

· 目标投射声阴影，这可能会遮挡其背后的所有或部分目标，尤其是当声纳靠近目标时。

· 改变海床上方的高度，以改变目标的照明角度，以及它们投射的阴影长度，这有助于解释声纳图像上的特征。

· 在高杂波（岩石/巨石）环境中，使用增益控制增强微弱目标或减少背景噪声反射。

· 如果可能，根据要求的范围和详细程度使用不同的频率模式：

o 低频模式可实现宽视角（130°），声纳支持的范围最长。

o 高频模式可提供详细的高分辨率图像，但视角（80°）和更短的范围设置有所减少。

· 在海床导航或测量时，水平安装声纳，指向前方，略微向下倾斜（10-15°）。

· 在获得使用声纳的经验的同时，显示器上最佳海底覆盖的一个很好的经验法则是将海底高度保持在选定声纳范围的大约10%。

· 为了准确校准量程，请检查是否已将正确的水矿化度输入到操作现场的软件中。