最新海洋测绘——1常用声学探测设备.doc

最新海洋测绘——1常用声学探测设备.doc

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1、海洋测绘——1常用声学探测设备精品好资料-如有侵权请联系网站删除声学探测设备:声学方法是现代海底地形测量的基本方法,早在19世纪人类就已经认识到通过测定海底反射声波的传播时间可得到水深值,但直到20世纪20年代,在电子传感器技术高速发展的基础上,声学测量才取代了传统的铅垂测深法。近年来,各种声学探测设备发展迅速,为我们揭示了小到数米大到几千米的海底形态。基本原理篇:古语有云“工欲善其事必先利其器”,在使用这些“器”之前,首先要了解原理和性能,但是让所有技术人员都先学“水声原理”显然是不现实的,去听从本科开始到硕士阶段总计

2、近150学时的“海底探测与数字化技术”的课程更是有些惨无人道了,所以在这部分,我们可以通过几个经典公式来系统了解一下声学探测设备的基础原理。1.声学方程:这是一个以能量平衡为基础建立的公式,各参量以分贝为单位,以1微帕的声强为参数基础。下面让我们认识一下各个参量。仪器参量:SL——发射器声源级,发射能量大小,通常可调;NL1——发射器自噪声级,和换能器元件、电子电路有关,通常是一个定值,且随着设备使用时间增长而增大;DI——接收指向性指数,在声轴上接收器灵敏度最大;DT——检测阀值,接收器所能识别的信号强度下限;介质参量

3、:TL——信号传播损失,声波振动在介质中传递的能量损失;RL——混响级,介质的共振所产生的假波;NL2——环境噪声级,介质中存在的声阻抗界面产生的反射等;目标参量:TS——目标反射强度,与目标物外表面的材料有关,主要涉及与外部介质的声阻抗差异;SL*——目标声源级(被动声纳、水下定位系统)我们所使用的声学探测设备都是在声轴方向上主动发射声信号的,声源(换能器)即发射器,将声轴上1m处的信号强度作为基准,信号到达目标时强度为:SL-TL,返回时为:SL-2TL+TS,在考虑环境背景的情况下,噪声的声强为:NL1+NL2-D

4、I,为了表述简便,将发射器自噪声和环境噪声合为NL。分析可知,如果想要使接受器检测到回声信号,则有:DT≦SL-2TL+TS-NL+DI所有声学探测设备的指标、参数都与上面这个等式有关,在接受器所能识别的信号强度下限固定时,不同的环境条件下通过调节设备参数获得最优声学图像就是改变等式右侧各个与仪器相关系数的过程。2.仪器分辨率(目标物的可识别尺寸):精品好资料-如有侵权请联系网站删除精品好资料-如有侵权请联系网站删除从声学方程中我们知道了声信号在换能器——目标物之间传递的过程,但是对于目标物的探测而言,仅仅有信号返回是远

5、远不够的,那么,如何才能实现信号对物体的识别呢,或者说,信号的物理特性和目标物之间应满足什么条件时,我们才能得到清晰、准确的反射图像呢?在理想状态下,声波在传播过程中遇到遮蔽物时,如果声波波长远大于遮蔽物特征尺寸,会发生透射,即直接穿过遮蔽物,当波长接近遮蔽物特征尺寸时,会发生衍射或绕射,只有当声波波长小于遮蔽物特征尺寸时才会发生反射。但是,由于水体自身存在声阻抗,信号在传播过程中会不可避免地发生衰减,这一现象在深水条件下尤为突出,因此简单地将声信号波长当做仪器分辨率是不合理的,通常我们会使用一个经过简化的计算参量——第

6、一菲涅尔带半径作为衡量仪器可识别尺寸的指标:式中,为声信号波长,h为水深,只有当远小于目标物特征尺寸时,声信号才能对其进行识别。3.时深转换:发射器产生的声信号,到达目标物后发生反射回到接收器,从发射到接受的时间差与声速相乘再除以2,即为发射器到目标物的距离。D=Vt/21.多普勒频移:当声源和目标物存在相对位移时,回波信号的频率会发生改变,这就是著名的多普勒效应,具体表现为反射信号的频率在声源接近目标物时会升高,当声源远离时则会降低。这一现象对很多探测设备都会产生影响,尤其是需要记录回波信号振幅、相位的设备,当然,可以

7、通过计算程序予以减弱,而有的设备则是利用这一物理现象来工作的,比如ADCP、电磁式海流计等,通过记录信号频率的变化,反算目标物的移动速率。2.声波的折射偏移:由于温度、盐度的差异,海洋中存在一系列声速界面,即上下层声速不等的水体,当声信号通过这些界面时,传播方向会发生改变。式中V1,V2分别为上下两层水体的声速,,为声信号的入射角和折射角,可以看出,首先,垂直入射的信号是不会发生折射偏移的,其次,入射角越大,偏移量就越大,这一现象对条带测深系统的影响非常明显,在没有水体声速改正的情况下,条带测深系统获得的数据反演出的海底

8、是呈“V”精品好资料-如有侵权请联系网站删除精品好资料-如有侵权请联系网站删除形的,也就是说测线两侧越接近边缘部分测得的水深越浅,海底图像发生了极具规律的变形。常用设备:通过上文,我们了解了最基本的水声学原理,下面就来看看利用这些原理结合现代传感器技术开发生产出来的各种声学探测设备吧。需要明确几点,首先,所有设备都是

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