多波束勘測系統(tǒng)工作原理和結構

1、第二章 多波束勘測系統(tǒng)工作原理及結構多波束系統(tǒng)是70年代興起、80年代中、末期又得到飛速發(fā)展的一項全新的海底地形精密勘測技術。它是當前興趣的焦點，因為它既有條帶測深數據，又同時可獲取反映底質屬性的回波強度數據(Laurent Hellequin et al.,2003)。該技術采取廣角度定向發(fā)射和多通道信息接收，獲得水下高密度具有上百個波束的條幅式海底地形數據，徹底改變了傳統(tǒng)測深技術概念，使測深原理、勘測方法、外圍設備和數據處理技術諸方面都發(fā)生了巨大變化，大大提高了海底地形勘測的精度、分辨率和工作效率，實現了測深技術史上的一次革命性突破（李家彪等，2000）。多波束系統(tǒng)的工作原理與傳統(tǒng)的單波束

2、回聲測深儀工作原理類似，都是根據聲波在水下往返傳播的時間與聲速的乘積得到距離，從而得到水深。不同的是單波束測深儀一般采用較寬的發(fā)射波束（8左右）向船底垂直發(fā)射，聲傳播路徑不會發(fā)生彎曲，來回的路徑最短，能量衰減很小，通過對回聲信號的幅度檢測確定信號往返傳播的時間，再根據聲波在水介質中的平均傳播速度計算測量水深。在多波束系統(tǒng)中，換能器配置有一個或者多個換能器單元的陣列，通過控制不同單元的相位，形成多個具有不同指向角的波束，通常只發(fā)射一個波束而在接收時形成多個波束。除換能器天底波束外，外緣波束隨著入射角的增加，波束在傾斜穿過水層時會發(fā)生折射，同時由于多波束沿航跡方向采用較窄的波束角而在垂直航跡方向采

3、用較寬的覆蓋角，要獲得整個測幅上精確的水深和位置，必須要精確地知道測量區(qū)域水柱的聲速剖面和波束在發(fā)射和接收時船的姿態(tài)和船艏向。因此，多波束測深在系統(tǒng)組成和測量時比單波束測深儀要復雜得多（周興華等，1999）。2.1 多波束勘測系統(tǒng)的工作原理2.1.1 單波束的形成2.1.1.1 發(fā)射陣和波束的形成一個單波束在水中發(fā)射后，是球形等幅度傳播，所以方向上的聲能相等。這種均勻傳播稱為各向同性傳播（isotropic expansion），發(fā)射陣也叫各向同性源（isotropic source）。例如，一個小石頭扔進池塘時就是這種情況，如圖2.7所示。圖2.7 波的各向同性傳播顯然，測深時是不能采用如此

4、的聲波的。采用發(fā)射基陣就可以產生各向異性的聲波。下面簡要敘述它形成的原理。如果兩個相鄰的發(fā)射器發(fā)射相同的各向同性的聲信號，聲波圖將互相重疊和干涉，如圖2.8所示。兩個波峰或者兩個波谷之間的疊加會增強波的能量，波峰與波谷的疊加正好互相抵消，能量為零。一般地，相長干涉發(fā)生在距離每個發(fā)射器相等的點或者整波長處，而相消干涉發(fā)生在相距發(fā)射器半波長或者整波長加半波長處。顯然，水聽器需要放置在相長干涉處。圖2.8 相長干涉和相消干涉（Constructive and Destructive Interference）一個典型的聲納，基陣的間距d（圖2.8中1、2點的距離）是/2（半波長）。在這種情況下，相長

5、和相消干涉發(fā)生時的點位處于最有利的角度（點位與基陣中心的連線與水平線的夾角），相長干涉：= 0, 180，相消干涉：= 90, 270，如圖2.9所示。圖2.9 兩個發(fā)射器相距/2時的相長和相消干涉圖2.10是兩個發(fā)射器間距/2時的波束能量圖（Beam Pattern），左邊為平面圖，右邊為三維圖，從圖上可以清楚地看到能量的分布，不同的角度有不同的能量，這就是能量的指向性（directivity）。如果一個發(fā)射陣的能量分布在狹窄的角度中，就稱該系統(tǒng)指向性高。真正的發(fā)射陣由多個發(fā)射器組成，有直線陣和圓形陣等。這里只討論離散直線陣，其它陣列類似可以推導出。如圖2.11所示，根據兩個發(fā)射器的基陣可以

6、推導出多個發(fā)射器組成的直線陣的波束圖。圖2.10 兩個發(fā)射器間距/2時的波束能量圖（Beam Pattern）圖2.11 多基元線性基陣的波束圖（Beam Pattern）圖2.11中，能量最大的波束叫主瓣，側邊的一些小瓣是旁瓣,也是相長干涉的地方，引起了能量的泄漏。旁瓣還可能引起回波，對主瓣的回波產生干擾。旁瓣是不可避免的，可以通過加權的方法降低旁瓣的水平，但是加權后旁瓣水平值降低了，波束卻展寬了。主瓣的中心軸叫最大響應軸（maximum response axisMRA），主瓣半功率處（相對于主瓣能量的-3db）角度的兩倍就是波束角。發(fā)射器越多，基陣越長，則波束角越小，指向性就越高。設基陣

7、的長度為D，則波束角= 50.6/D（2.36）可以看出，減小波長或者增大基陣的長度都可以提高波束的指向性。但是，基陣的長度不可能無限增大，而波長越小，在水中衰減得越快，所以指向性不可能無限提高。2.1.1.2 波束的指向（Beam Steering）換能器怎樣在指定的方向上發(fā)射或者接收聲波，稱為波束的指向。以水聽器接收回波為例。如圖2.12，當回波以方向到達接收基陣時，首先在點3到達，其次為點2和點1，則在圖2.12 夾角為的回波點2的回波比點3多旅行了距離Ad sin q，點1比點3的回波多旅行了距離B2d sin q，相應的增加的時間為T2=A/c =(d sin)/c （2.37）T1

8、=B/c =(2d sin)/c （2.38）計算出偏移時間后，在基陣中作相應的調整，引入延時，使回波在基陣上正好構成相長干涉，這樣就可以使主瓣在指定的方向上，如圖2.13所示。 圖2.13 引入延時后主瓣方向的偏移 圖2.14 多波束的幾何構成2.1.2 多波束的形成當接收波束發(fā)射出扇形波束后，接收波束按一定的間距（等距離或者等角度）與之相交，就形成了一個個在縱橫向的窄波束腳印，如圖2.14所示。設水聽器共有N個基元，每個基元i記錄的回波Si(t)的振幅為A(t),且S(t) = A(t)cos(2pft) （2.39）寫成相位的形式為S(t) = A(t)cos(f(t) （2.40）或

9、（2.41）其中，f(t) = 2pft。多波束系統(tǒng)需測量回波S(t)和相位(t)，然后將模擬接收信號轉換為數字信號，采用率一般在13ms之間。所有基元在采樣點上的回波和相位值稱為時間片（time slice）。在上節(jié)中，討論了基元i相對于第一個基元的距離差，轉換為相位差為 （2.42）由（2.41）和（2.42）得 （2.43）其中為第i個基元在角方向接收時的回波，則基陣接收的回波為 （2.44）其中為加權系數。如果要求在一個時間片(time slice)里，由N個基元形成M個指定方向的波束，用矩陣表示為 （2.45）其中，為接收角的波束時的第i個基元的相位差，為。為了在如此短的時間（ms級

10、）完成計算，必須采用一些快速算法。這里，引入快速傅立葉變換(FFT)。式（2.44）類似于傅立葉變換，設 （2.46）得 （2.47）由于k必須為整數，所以的取值受到一定的限制，如d、N在一定值時，同k的關系表2.1所示。表2.1 k和的對應值K012345()02.44.87.29.612.02.1.3 多波束腳印的歸位波束腳印的歸位是多波束數據處理的關鍵問題之一。多波束測量的最終成果是得到地理坐標系（或地方系）下的海底地形或者地物，由于多波束采用廣角度定向發(fā)射、多陣列信號接收和多個波束形成處理等技術，為了更好的確定波束的空間關系和波束腳印的空間位置，必須首先定義多波束船體參考坐標系VFS，

11、并根據船體坐標系同地理坐標系LLS之間的關系，將波束腳印的船體坐標轉化到地理坐標系（或當地坐標系）和某一高程基準面下的平面坐標和高程。該過程即為波束腳印的歸位。船體坐標系原點位于換能器中心，x軸指向航向，z軸垂直向下，y軸指向側向，與x、z軸構成右手正交坐標系。地理坐標系原點為換能器中心，x軸指向地北子午線，y同x垂直指向東，z與x、y軸構成正交坐標系。歸位需要的參數包括船位、船姿、聲速斷面、波束到達角和往返程時間。歸位過程包括如下四個步驟：（1） 姿態(tài)改正。（2） 船體坐標系下波束腳印位置的計算。（3） 波束腳印地理坐標的計算。（4） 海底點高程的計算。為方便波束腳印在船體坐標系下坐標的計算

12、（聲線跟蹤），現作如下假設：（1） 換能器處于一個平均深度，靜、動吃水認為僅對深度有影響，而對平面坐標沒有影響。（2） 認為波束的往、返程路徑重合。（3） 對于高頻發(fā)射系統(tǒng)，換能器的航向變化影響可以忽略。波束腳印船體坐標的計算需要用到三個參量，即垂直參考面下的波束到達角、傳播時間和聲速剖面。由于海水的作用，聲束在海水中不是沿直線傳播，而是在不同介質層的界面處發(fā)生折射，因此聲束在海水中的傳播路徑為一折線。為了得到波束腳印的真實位置，就必須沿著波束的實際傳播路徑跟蹤波束，該過程即為聲線跟蹤，通過聲線跟蹤得到波束腳印船體坐標的計算過程被稱為聲線彎曲改正。為了計算方便，對聲速斷面作如下假設：(1) 聲

13、速斷面是精確的，無代表性誤差。(2) 聲速在波束形成的垂面內變化，不存在側向變化。(3) 聲速在海水中的傳播特性遵循Snell法則。(4) 換能器的動吃水引起的聲速剖面的變化對深度的計算可以忽略不計。根據上述討論和假設，波束腳印的計算模型可表達為：Snell法則可描述為： （2.48）將波束的實際傳播路徑進行微分，則波束腳印在船體坐標系下的點位(x，y，z)可表達為： （2.49）zz: 深度 R:距離 q:波束角c: 聲速 t:脈沖長度ln: 中心波束腳印長度ls: 邊緣波束腳印長度 q0RRlnlgct/2圖2.15 單個波束腳印坐標的計算x換能器(x0,z0)其一級近似式為： （2.50

14、）更精確的公式見2.1.3。波束腳印的船體坐標系確定后，下一步就可以轉化為地理坐標。轉換關系為： （2.51）式中，下腳g、gG別代表波束腳印的地理坐標、利用GPS確定的船體地理坐標，R(h,r,p)為船體坐標系與地理坐標系的旋轉關系，航向、橫搖和縱搖是三個歐拉角。式(2.49)確定的深度z僅為換能器面到達海底的垂直距離，測點的實際深度還應該考慮換能器的靜吃水hss、動吃水hds、船體姿態(tài)對深度的影響ha，若潮位的變化htide是相對于某一深度基準面或者高程基準面確定的，則波束腳印的高程為： （2.52）換能器的靜吃水在測量前或換能器安裝后被量定，作為一個常量輸入到多波束的數據處理單元中；動吃

15、水是由于船體的運動而產生的，它可通過姿態(tài)傳感器中的Heaven參數確定。船體姿態(tài)對波束腳印的地理坐標也有一定的影響，可通過姿態(tài)傳感器的橫搖r和縱搖p參數確定。上述參數的測定及其對波束腳印平面位置和深度的補償屬于純幾何問題，武漢大學的趙建虎博士對此有詳細的研究，本文不再贅述。2.2 多波束勘測系統(tǒng)的組成結構2.2.1 多波束的組成多波束系統(tǒng)主要由三個部分組成。第一部分是多波束的主系統(tǒng)，主要包括換能器陣列，收發(fā)器和數據處理、顯示和記錄單元等；第二部分是輔助系統(tǒng)，包括定位系統(tǒng)、船姿（橫搖、縱搖、起伏和船艏向）測量傳感器和測量水柱聲速剖面的聲速儀；第三部分是數據存貯和后處理系統(tǒng)，包括數據處理計算機、數

16、據存貯設備和繪圖儀等（周興華等，1999）。數據網GPS聲速斷面羅經姿態(tài)傳感器換能器Transceiver操作和檢測單元監(jiān)控器導航監(jiān)控器后處理實時數據處理工作站數據存儲繪圖儀打印機聲納影像記錄數據存儲圖 2.1: Simrad EM950/1000 多波束聲納系統(tǒng)組成單元2.2.2 換能器的物理構成換能器是用來作為電聲能量轉換的重要器件。通常把電能轉換成聲能的器件稱為發(fā)射換能器，把水下聲能轉換成電能的器件稱為接收換能器（或水聽器），許多主動聲納中采用同一的換能器兼作發(fā)射和接收（秦臻，1984）。水聲換能器技術由3類組成，一是水聲換能器材料；二是水聲換能器設計；三是水聲換能器制作。水聲換能器材料

17、方面涉及材料的配置、生成及成型等3方面的技術。水聲換能器設計方面涉及性能設計及結構設計等兩個方面的技術。水聲換能器制作涉及加工、安裝及檢測等3方面的技術。這3類水聲換能器技術，是獲取高性能、高質量水聲換能器的保障。這3類水聲換能器技術的發(fā)展，直接促進了水聲換能器的發(fā)展，影響著聲納的發(fā)展。水深換能器就其所采用的換能器材料大致可分為兩大類，一類是磁致伸縮換能器，一類是電致伸縮換能器。磁致伸縮材料包含著具有水久磁矩的原子，它們以這種方式被耦合到晶格上，使之在加磁場時能夠改變晶格的間距，從而相應地改變宏觀樣品的尺寸。由于磁致伸縮力與晶格變化有關，所以這個力可以和固體材料受機械變形所產生的彈性力相比較。

18、磁致伸縮換能器把大的恒定磁場和較小的交變磁場疊加起來使之線性化，這種線性化的工作方式常常稱為壓磁，它最適合在聲阻抗比較高的介質(如水)中工作（閻福旺等）。不過，這類材料在高頻工作時有著高的渦流損耗和磁致損耗，以致電聲轉換效率降低，而且工作時，還需外加極化偏置。因此，目前多數聲納換能器采用了具有良好機電性能的電致伸縮材料（秦臻，1984）。電致伸縮材料是磁致伸縮材料的電學類比，它有永久性的電矩。電矩與晶格之間這樣耦合，使之在外加電場時，尺寸發(fā)生變化。實際上這些極化了的材料，由于已經線性化，因而能夠用描述壓電材料的方法描述它。石英或許是最早實際用于換能器的材料，此后，被廣泛用于實驗工作、聲能學和超

19、聲學方面。大約在1950年前后，能夠實際應用的電致伸縮材料開始出現，這些材料能夠做成陶瓷，在極化后有極好的壓電性質。鈦酸鋇是這類材料中首先被廣泛使用的材料。鋯鈦酸鉛現在很多應用中取代了鈦酸鋇（閻福旺等）。換能器是一個將電能轉換成聲能及逆過程的裝置。不管使用的多波束是哪種類型，換能器是單個的或是一個陣列，都必須要在測量的海底形成一個聲照射區(qū)（ensonified area），換能器通過發(fā)射聲脈沖并接收產生的回波獲得水深測量值。換能器的大小是根據波束的寬度需要來設計的。波束的寬度被定義為從天底到擴展波面半功率點的角距離，半功率的量值是-3dB。如圖2-5所示Wells ,1996。主 瓣波束寬度旁

20、瓣旁瓣換能器圖2-5 波束寬度 每個多波束系統(tǒng)都有一個工作頻率，換能器是由多個陣元組成的陣列。整個換能器陣列的大小是根據這樣一個總的原則確定的，即波束寬度與橫跨孔徑的波長成反比。反之，如果已選擇了一個需要的波長，孔徑的大小就可以用這個原則來確定de Moustier, 1996。 如果： 需要的波束寬度 =2（=0.035rad ） 選擇的頻率為 F=100KHz， 聲速C=1500m/s 波長 =0.015m 由總的原則： 孔徑= 得到： 孔徑=0.43m很明顯波束寬度越窄，孔徑必定也越大。構成這個孔徑的陣元之間必須以某種方式隔開，以盡可能減少光柵瓣的產生，這可以通過陣元間相隔波長一半的距離

21、來實現，如果陣元間隔小于這個距離就可能看到光柵瓣。由陣元組成的換能器，理想的是陣列看起來象是一個連續(xù)的陣元。對于高頻，要求陣元之間的間距要比陣元本身小，因此陣元在橫行上要交錯排列。旁瓣抑制通過單個陣元對整個陣列面作用的權重來實現。EM950的換能器（見圖2-6a）是一個直徑45cm，扇形角為160的扇形圓柱體，由一個換能器完成發(fā)射和接收，它由128個壓電陶瓷條組成，每個陶瓷條由5個陣元組成，這5個陣元在前后方向上有固定的權重，在左右方向上間隔為1.25，前后方向上的波束開角為3.3，波束中心與換能器面垂直。圖2-6a EM950換能器EM3000的換能器（圖2-6b）由不同的陣列來完成接收和發(fā)

22、射。發(fā)射陣列有56個環(huán)形陣元。接收陣陣列有80個柵條，每個柵條包含有3個圓柱形陣元。接收柵條以半隨機方式交錯排列，以使沿航跡方向的旁瓣級低于-20dB。圖2-6b EM3000換能器根據上面的討論，換能器陣列是設計發(fā)射一個沿航跡方向非常窄而垂直航跡方向寬的脈沖，垂直航跡方向的寬度取決于換能器和換能器陣元的波束圖的寬度。一個典型的多波束系統(tǒng)發(fā)射的波束寬度沿航跡方向小于3，而垂直航跡方向在天底兩側大于75。對沒有自動縱搖穩(wěn)定的系統(tǒng)發(fā)射的波束，接收波束的長度必須至少長于縱搖最大可能的變化才不致丟失數據（圖2-7），如EM3000沿航跡方向的接收波束寬度是25，Seabat8111換能器接收波束沿航跡

23、方向的波束寬度是15。在米氏交叉（Mills Cross）這樣結構的換能器，要求接收陣列垂直于發(fā)射陣列（圖2-8）。 最大向上縱搖時聲照射區(qū) 最大向下縱搖時聲照射區(qū)要求的最小接收波束長度圖2-7 接收波束的最小寬度發(fā)射陣列接收陣列沿航跡方向圖2-8 米氏交叉2.2.3 多波束的底部檢測單元一般，多波束測深系統(tǒng)的回波檢測方式有兩種，幅度檢測和相位檢測。當入射角小時，回波幅度高，持續(xù)時間短；當入射角變得十分大時，回波幅度低且持續(xù)時間長，但波束間的相位差變大，故振幅檢測對于中間波束傳播時間的檢測具有較高的精度，而對邊沿波束的檢測精度較差，而相位檢測正好相反。精密多波束測深系統(tǒng)利用相位檢測用于邊沿波束

24、檢測，振幅檢測用于中間波束檢測，由系統(tǒng)取舍。這樣，在可保證每個波束檢測精度的同時，又可保證整個波束的檢測精度一致，從而達到波束旅行時高精度測定的目的1 2。BDI（Bearing Direction Indicator方位指示）和WMT（Weighted Mean Time加權平均時間）是兩種不同的計算波束到達角和旅行時的方法。BDI試圖先定位每個波束回波的方向即到達角，然后再精確計算旅行時；而WMT先固定每個波束中心為到達角，然后再精確計算出每個回波的旅行時3 4 5。為方便后續(xù)問題的展開，下面簡要介紹它們的原理。1、BDI處理方法在一個發(fā)射接收周期（ping）內，波束形成采用的FFT處理方法中的數據可表示為矩陣的形式，設一個周期內包含M個時間片（time slice），每個時間片分別表示為t1，t2，tM，相對的時間周期起點為t0。設有N個波束，每個時間片則可觀測N個幅度值，1，2，N，如圖1所示。時間片波束角回波幅度一個發(fā)射接收周期圖1