多波束声纳及声学原理1
多波束声纳技术
多波束声纳技术多波束声纳技术是一项用于海洋勘探、搜寻和监测的重要技术。
该技术利用多个发射机和接收机的组合来收集来自不同方向的声纳信号，从而提供更准确的海洋环境信息。
本文将详细介绍多波束声纳技术的原理、优势、应用及未来发展。
多波束声纳技术是一种声学成像技术，基于声纳的反射原理。
当声波撞击物体时，会产生回声或反射波，这些波通过传感器接收并转化为电信号。
传感器记录反射波的方向、强度和距离等信息，从而确定物体的位置、形状和构成等信息。
1. 提高声纳信号的分辨率：多波束声纳技术允许在不同方向上同时监测目标，从而提高信号的分辨率。
这种技术的优势在于可以同时捕捉多个角度的反射信号，通过计算并合成这些信号，产生一个更准确的图像。
2. 扩大监测区域：与传统声纳技术相比，多波束声纳技术可以扫描更广阔的水域，监测更大范围的目标。
多波束声纳技术的核心是发射器和接收器的设计。
通常，一个多波束声纳系统由多个发射器和多个接收器组成。
发射器会将声波向不同方向投射；而接收器则将同样的区域内的反射波信号收集回来。
这些发射器和接收器按照不同的排列方式被组装在一起，形成一个多波束声纳阵列。
接着，通过寻找各个接收器收到的反射波信号之间的相对时间延迟和强度变化，系统可以分析来自目标的不同方向的声波信号，最终形成一个具有高分辨率、高准确度的三维声纳图像。
1. 增强了信号处理能力：多波束声纳技术允许同时记录来自不同方向的反射波信号，这意味着系统可以处理更多、更丰富的数据，从而提高识别能力和准确性。
2. 提高了对目标的探测效率：多波束声纳技术可以在一次扫描中覆盖更多的区域，从而提高了探测效率。
多波束声纳技术还可以针对不同类型的目标，进行定向、精细的探测操作。
4. 降低了误报率：多波束声纳技术可以针对不同类型目标进行定向探测和识别，从而减少与非目标物体的误识别，提高探测的真实性。
1. 海洋科学：多波束声纳技术可以用于寻找海底热液喷口、沉船、遗迹以及地下隧道等目标。
多波束声纳原理
多波束声纳原理
多波束声纳原理是一种在水下进行声学探测和定位的技术。
这种
技术的应用领域非常广泛，可以用于石油勘探、海洋测量、水下探测
等方面。
下面我们来详细了解一下多波束声纳原理。
第一步是发射声波。
多波束声纳利用声波在水中的传播来进行探
测和定位。
首先需要对目标区域进行声波发射。
声波可以通过电磁加
速器或压电式换能器发射，通过控制发射器的振动来控制声波频率和
强度。
第二步是接收反射声波。
当发射的声波在水中遇到不同密度的物
体时，会产生反射。
多波束声纳通过多个接收器接收反射声波。
接收
器将反射声波转换成电信号，并传输到电子设备。
第三步是信号处理。
接收到反射声波后，需要进行信号处理来确
定目标的位置和深度等信息。
信号处理的过程中，会对声波的频率、
强度、相位等进行分析，从而确定目标的位置和深度。
第四步是成像。
在信号处理之后，多波束声纳可以生成水下目标
的三维图像。
这个过程中，需要将反射声波的信号数据转换成图像数据。
利用多个接收器接收声波，可以得到更加精确的水下目标图像。
总结起来，多波束声纳原理是一种应用广泛的声学技术，可以使
用声波在水下进行探测和定位。
通过发射和接收反射声波，进行信号
处理和成像，可以生成高精度的水下目标图像。
这种技术在海洋测量、水下探测等领域有着广泛的应用，为相关领域的研究和开发提供了重
要的技术支持。
多波束声纳波束形成算法
多波束声纳波束形成算法多波束声纳波束形成算法是现代声纳技术的一项核心技术，它基于信号处理和机器学习等多种技术手段，可以有效提高声纳探测的精度和准确度，是水下探测、海底勘探等领域不可或缺的关键技术之一。
下面我们将围绕多波束声纳波束形成算法展开详细介绍。
一、多波束声纳原理多波束声纳是指利用一组多个不同方向的声束，同时扫描某一区域，获取该区域内每一点的信号信息，再通过波束合成技术，将这些信号相加得到一幅具有更高精度和准确度的声纳图像。
多波束声纳的波束方向角度与信号相位和半波长有关，通常需通过解析复杂的三维声场来计算。
二、多波束声纳波束形成算法多波束声纳波束形成算法的核心是波束形成理论，波束形成是采用一组传感器（声呐阵列）接收到的多个信号，经过信号处理、脉冲压缩等方式，得到指向某个方向的波束信号的一个过程。
多波束声纳波束形成算法是通过改变波束的方向角和宽度，进而优化声纳探测效果和探测距离的一种技术。
下面是多波束声纳波束形成算法的几个重要步骤：1. 阵列设计：多波束声纳的性能与阵列形状、大小、排列方式等都有关系。
在阵列设计时需要考虑管道尺寸、声波频段、扫描范围等因素，选取合适的阵列设计方案。
2. 采集声纳数据：采集声纳数据时需要选择合适的信号源和散发机，通过声传感器采集回波信号。
可分为调制信号或无调制信号两种，需要根据具体场景进行选择。
3. 信号处理：处理采集到的回波信号，消除噪声干扰，压缩信号，得到多个波束信号。
4. 波束形成：将多个波束信号加权叠加，得到更准确和精细的目标信号。
通常采用哈达马变换、平均化处理、最大熵滤波算法等进行波束形成。
5. 显示结果：将波束形成后的结果以图形展示出来，帮助探测人员更直观的了解声纳探测结果。
三、多波束声纳波束形成算法的应用多波束声纳波束形成算法被广泛应用于水下探测、海底勘探、海洋资源调查等领域。
在水下探测方面，多波束声纳波束形成算法可以提高探测的精度和准确度，帮助探测人员更准确地判断和识别目标信号，从而更好的实现探测。
声纳是什么工作原理的应用
声纳是什么工作原理的应用什么是声纳声纳（Sonar）是一种利用声波在水中传播的原理来进行测距、探测和通信的技术。
通过发射声波脉冲并接收其回波，声纳可以获取目标物体的位置、形态等信息。
声纳在海洋探测、水下导航、捕鱼、测量水深等领域有着广泛的应用。
下面将详细介绍声纳的工作原理及其应用。
声纳的工作原理声纳系统主要由发射器、接收器和设备控制系统三部分组成。
工作过程如下：1.发射器发射声波脉冲：声纳系统中的发射器会产生一系列高频声波脉冲。
这些声波脉冲往往以固定的频率和振幅进行发送。
声波脉冲通过压电晶体或电磁换能器转换成机械能后，进一步转化为声能并发射出去。
2.声波脉冲在介质中传播：发射出的声波脉冲在水中以声速传播，直到遇到目标物体或水下地形。
声波在水中传播的速度取决于水的密度和温度等因素。
3.回波被接收器接收：当声波脉冲碰撞到目标物体或水下地形时，一部分声波会被反射回来，形成回波。
接收器接收并转化回波信号，将其转化为电信号。
4.回波信号的处理和分析：接收器将接收到的回波信号传输给设备控制系统进行分析、处理和解码。
设备控制系统可以根据回波信号的强度、时间和频率等信息，计算出目标物体的位置、形态、运动状态等。
声纳的应用声纳技术在海洋、水下探测、通信和测量等领域有着广泛的应用。
海洋探测声纳技术在海洋探测中起着关键的作用。
通过声纳系统可以对海底地形、海洋生物和海洋环境进行精确测量和探测，有助于地质勘探、海底管线敷设、海洋资源调查等工作的开展。
此外，在海洋科学研究中，声纳技术也被广泛应用于鱼群数量估计、海底植被调查等方面。
水下导航声纳技术在水下导航及海底遥感中也发挥着重要作用。
通过声纳技术，可以实时获取水下地形、水下物体及水下障碍物的信息，为水下机器人、潜水员等提供准确的导航和障碍物避难的能力。
在水下勘探、水下考古、海底机器人等领域，声纳技术为相关研究和工作提供了有效的技术支持。
捕鱼声纳技术在捕鱼业中有着广泛的应用。
多波束和声纳在大面积水域中探测水下目标物的组合方法
多波束和声纳在大面积水域中探测水下目标物的组合方法摘要：侧扫声纳是目前水下探测的一种重要探测工具，有很高的探测效率和分辨率，但是定位精度差；而多波束则以高效率、高精度、高分辨率证明了它的优越性。
通过工程实例说明了侧扫声纳和多波束在大面积水域中探测水下目标物的方法，并对两者的扫测结果进行了对比分析。
充分利用多波束和声纳的扫测数据结果，可有效增强观测数据的互补性，如此既可以提高工程质量，又可以使扫测结果达到最优。
关键词：侧扫声纳；多波束；水下目标物；精度；分辨率1 引言多波束测深系统主要用于水下地形测量，应用这种高新技术，不仅可以获得高精度的水下地形数据，还可以为人们提供直观的水下三维图和类似侧扫声纳的声像图。
侧扫声纳的出现为水下目标物探测提供了完整的水下声学图像，用于获得水下地形形态[1]。
侧扫声纳和多波束测深系统都是能够实现全覆盖扫测得探测设备，能够获得几倍于水深的探测范围。
在水深测量精度、定位精度、声像图分辨率等方面两者又各有优点。
所以在多次的工程实践中，我们发现利用声纳和多波束同时来完成探测工作，可有效增强不同观测数据的互补性，将扫测结果达到最优化，提高工程质量。
本文就声纳和多波束探测时的实际效果进行对比分析。
在工作实践中，侧扫声纳采用由美国EdgeTech公司生产的EdgeTech 4200MP 型双频侧扫声纳，该系统将EdgeTech的全频谱和多脉冲技术集成与一体，是高科技数字双模式高分辨率侧扫声纳系统；多波束采用Sionc 2024型测深仪，工作频率为300kHZ，最大量程为500米。
波束个数为256个，垂直航迹方向的波束大小为0.5°，沿着航迹方向的波束大小为1.0°。
2 侧扫声纳和多波束的工作原理这两种设备均是采用向水底发射声波脉冲，并接收声波传至水底目标物后反射和散射的回波，从反射和散射的回波信息中提取我们所需要的几何信息。
（a）多波束设备连接图（b）侧扫声纳设备连接图图1 多波束和侧扫声纳设备连接示意图由于它们接收波束的形式不同以及对回波的处理方式的不同，多波束测深仪通过接收回波信号能够实现空间精确定向，利用声波在传播途中所消耗的时间来确定斜距，而每一束波束都有一个固有的波束角，从而确定斜距可以得到精确地水深信息，绘制水下地形图[2]。
多波束测深声呐技术原理与应用读书笔记
《多波束测深声呐技术原理与应用》读书笔记一、声呐技术基本原理声呐（Sound Navigation and Ranging，SONAR）技术，是一种利用声波进行探测、导航和测距的技术。
在多波束测深领域中，声呐技术发挥着至关重要的作用。
其基本原理主要包括声波的发射、传播、接收和处理。
声呐设备通过换能器将电能转换为声波，这些声波在一定频率范围内具有特定的传播特性。
通过控制发射的声波类型和功率，声呐可以实现对不同深度和水下物体的探测。
声波在水下的传播受到多种因素的影响，包括水温、盐度、水深、水流速度和方向等。
这些因素会影响声波的传播速度和路径，声呐技术需要考虑到这些环境因素，以确保探测的准确性。
声波在遇到障碍物（如海底、水下物体等）时会发生反射，反射回来的声波被声呐设备的接收器捕获。
接收器将接收到的声波转换为电信号，为后续的信号处理提供数据。
接收到的信号需要经过处理以提取有用的信息，这包括噪声过滤、信号增强、波形分析等步骤。
通过信号处理，声呐可以将接收到的数据转化为图像或数字信息，以供研究人员分析和使用。
1. 声呐定义及作用声呐（Sound Navigation and Ranging，SONAR）是一种利用声波在水下进行探测的装置。
它是通过发射声波并接收水底的回声来确定水深和水下物体的位置的。
声波在水中传播速度快，传播距离远，受到水体环境的影响相对较小，因此声呐成为了水下探测的主要工具之一。
探测水深：通过发射声波并接收回声，声呐可以精确地测量出水深，这对于航海、渔业、海洋科学研究等领域具有重要意义。
识别水下物体：声呐能够识别出水下的礁石、沉船、鱼群等物体，这对于航行安全、渔业捕捞等方面具有重要的作用。
海洋环境监测：声呐可以用于监测海洋环境，例如水流速度、水温分布等，这对于海洋科学研究具有重要意义。
水下导航：声呐还可以用于水下导航，帮助潜艇等水下航行器进行定位和导航。
在多波束测深领域，声呐技术发挥着不可替代的作用。
多波束测深技术的原理与操作
多波束测深技术的原理与操作导语：随着现代科技的不断发展，我们对海洋的探索日益深入。
而海洋测深作为海洋调查的基础环节，也得到了越来越多的关注。
其中，多波束测深技术作为一种高精度的测深手段，正逐渐成为海洋测量领域的主流技术。
一、多波束测深技术的原理多波束测深技术采用了一种被称为“宽带多波束”（Wideband Multibeams）处理的方法。
通过在水下发射多个声波束，然后接收其反射回来的信号，利用声波传播的特性，计算出水下的距离信息。
1.1 声波传播原理声波是通过震动传递能量的机械波，其在水中传播的速度约为1500米/秒。
当声波遇到不同介质的界面时，会发生折射和反射。
根据声波传输的原理，我们可以利用声波在水下的传播速度、传播路径与反射信号的特点，来推测和计算海底的深度。
1.2 多波束测深仪器多波束测深仪器由发射机和接收机组成。
发射机通过一系列的振动器发射多个声波束，而接收机则接收因反射而返回的声波信号。
经过复杂的算法处理，多波束测深仪器可以提供高精度的水深数据。
二、多波束测深技术的操作2.1 选择适当的仪器在进行多波束测深操作之前，首先需要根据实际需求选择适当的多波束测深仪器。
不同的仪器型号和品牌在测深精度、测量范围以及数据处理能力上可能存在差异。
因此，根据实际需求选择合适的多波束测深仪器对于操作的成功至关重要。
2.2 部署装置在进行多波束测深操作时，需要将多波束测深装置部署在合适的位置。
装置可根据需求选择安装在船体上、悬挂在船边或通过浮标悬挂。
合理的部署方式能够提高多波束测深仪器的稳定性和准确性。
2.3 设置参数在进行多波束测深操作之前，需要对测深仪器进行适当的参数设置。
包括调整声波发射的频率、波束的数量与角度、接收的增益和滤波等。
通过合适的参数设置，能够提高多波束测深技术的测量精度和效果。
2.4 数据采集与处理在部署装置和设置参数的基础上，进行多波束测深的实际操作。
多波束测深仪器会在整个测量过程中连续发射和接收声波信号，并记录下每一次接收到的反射信号。
声呐(纳)技术 ：第四章 声纳波束形成技术1
七
7
波束形成技术的应用
七
8
波束形成技术的应用
Klein Associates Inc.
七
9
波束形成技术的应用
七
10
波束形成技术的应用
Klein Associates Inc. System 5000 multiple beam sonar
七
11
波束形成技术的实现与分类
一、波束形成器可以用模拟电路实现也可以用数字电路实现。
工作频率为1.5kHz时
DI 10lg n 10lg f / f0 dB DI 10lg64 10lg1.5/1 18 10lg1.5 18 10lg15 10 19.77dB
七
25
基阵的自然指向性
将所有阵元的信号直接相加得到的输出，就形成基阵的自然指向性
七
26
任意阵的自然指向性举例
七
27
N元等间隔线阵自然指向性（即波束图）
R1 R2
因此，阵总的指向性为
R R1 R2 cos2 / 2
七
44
阵元的幅度加权
改变阵元的接收灵敏度的方法来实现加权 例，如下图所示的等间距五元阵。
1
2
2
d
1
23
d
21
第二级4元等间隔线阵的指向性 函数为
4
5 4元子阵（第二级）
R2
sin N N sin
/ 2 / 2
七
23
阵的指向性指数
改善的程度可以通过阵增益（Array Gain，AG ）来衡量，其定义为
AG 10 lg S / N 基阵 S / N 基元
如果信号以平面波入射并且是相干的，噪声是 各向同性且互不相干（对于特定的信号与噪声 的情况）。在此情形下，可将基阵增益AG简化 为比较易于处理且易于观察的量，称之为指向 性指数（Directivity Index, DI）：
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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 θ=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
水听器阵基元
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θ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θ角的方向。
SeaBat 声纳校正结果显示
SeaBat 声纳处理器流程
SeaBat 多波束海底检测
振幅
相位
入射角 15度
SeaBat 多波束海底检测
振幅
相位
入射角 75度
SeaBat 多波束海底检测
振幅
相位
SeaBat 侧扫声呐图像
一般多波束系统都可经过固件升级而具有侧扫 功能 侧扫图像是用与水深数据同样的声波数据经特 别的波束形成步骤生成的 一般有二种侧扫技术 标准宽波束技术 多波束小片技术（Snippets)
1 2 3
声波
θ
⇓
在 θ 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
波形成 – 入射波前以角度θ到 达水听器阵
1 d θ 2 θ B d θ A 3 1 2 3
换能器阵轴 波前
SeaBat 声纳校正步骤
控制板生成较准正弦信号直接通过接收 阵注入到各接收通道 该信号经过放大转换成数字信号值 对所有信号值平均，每个通道的值与平 均值比较，以决定对该通道应放大或衰减 多少，以保证各通道对信号的处理一致。 该处理包括相位和振幅二方面 对所有通道的调节值成为一个归一化调 节数表保存并显示出来
波束形成 – 发射波束
SeaBat 弧形换能器阵特性
• SeaBat 8101 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 56 x 1.5 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Transmit Pulse unobstructed.
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°
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个接收基元
SeaBat 声纳校正
要想生产出具有完全同样特性的水听器 是不可能的。它们在灵敏度和谐振频率上 都少有些不同 要想生产出具有完全同样相位和增益特 性的放大器也是不可能的。 如果每个接收单元对信号的处理都不一 样，那么束控和导向函数就会畸变，导致 不可预测的主波瓣并加大旁瓣 由模拟电路不可能使接受单元达到相同 的特性，可以另外方法归一化信号
在所有波束方向上波 安装较麻烦 束宽度一样（主要优 点）
平面换能器阵特点
优点
加工制作容易 可以有很高的制作精 度（增进压制旁瓣能 力） 安装容易
缺点
需要表面声速做波束 导向（必需的） 随着导向角增加，波 速变宽（主要缺点） 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 (- 3 dB 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
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
压力 水密装置
加强背板
波束形成 - Mills 交叉原理
发射波束 1.0° to 3.0° 形成的接收波束 0.5° to 3.0°
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
θ
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
θ
声源
A = d x cos (θ), B = 2d x cos (θ) T2 (到水听器 2 的时间) = A/c = (d sin θ)/c ; c 是当地声速（非常重要） T1 (到水听器 1 的时间) = B/c = (2d sin θ)/c
波束形成 – 入射波前以角度θ到达 水听器阵(相位或时间延迟-波束导向)
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 & A/D & A/D RAM RAM RAM 求和 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
束控
Amp. 1
Amp. 2
Amp. 3
Amp. 4
..... . ..... . ..... .
基元 N-2 基元 N-1 基元 N
Amp. 30 Amp. 31 Amp. 32
脉冲长度 波束编号
Gen. 1
Gen. 2
Gen. 3
Gen. 4
Gen. 30 Gen. 31 Gen. 32
触发脉冲发生器
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）