英國(guó)BP Oculus系列多波束圖像聲納

單頻 & 雙頻 多波束圖像聲吶

由于它體積小,是應(yīng)用在微小平臺(tái)方面的理想設(shè)備,同時(shí),它擁有堅(jiān)固的結(jié)構(gòu),也是大型的工作級(jí)水下機(jī)器人和測(cè)量水下地形構(gòu)造應(yīng)用的優(yōu)選

窗體底端

單頻 & 雙頻 多波束圖像聲吶

由于它體積小,是應(yīng)用在微小平臺(tái)方面的理想設(shè)備,同時(shí),它擁有堅(jiān)固的結(jié)構(gòu),也是大型的工作級(jí)水下機(jī)器人和測(cè)量水下地形構(gòu)造應(yīng)用的優(yōu)選

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多波束圖像聲吶是新一代的小巧圖像聲吶，在水下具有廣泛的應(yīng)用。由于它們 體積小，是應(yīng)用在微小平臺(tái)方面的理想設(shè)備，同時(shí)它擁有堅(jiān)固的外形結(jié)構(gòu)，也是大型的工作級(jí) 水下機(jī)器人和測(cè)量水下地形構(gòu)造等應(yīng)用的選擇。

       多波束圖像聲吶具有 500m, 1000m,4000m 不同耐壓選擇。

M 系列：標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)，耐壓 500m。

MT 系列:  擁有所有 M 系列優(yōu)點(diǎn)，鈦外殼，耐壓 1000m。

MD 系列：鈦外殼，耐壓 4000m ，用于深水環(huán)境工作。

特點(diǎn)：

1 、頻率范圍 375kHz 到 3.0MHz ，單頻、雙頻系統(tǒng)，適合于水下導(dǎo)航，水下態(tài)勢(shì)感知和檢 測(cè)工作。

2 、提供廣闊視角范圍，130 度水平，20 度垂直波束角。

3 、廣泛的量程能力，從 0. 1m 到 200m。

4 、高清圖像質(zhì)量，角度分辨率最小 0.25 度。

5 、杰出的圖像清晰度，量程分辨率可達(dá) 2mm。

6 、簡(jiǎn)單、直觀的操作軟件。

7 、輸出實(shí)時(shí)圖像的更新率高達(dá) 40Hz。

性能參數(shù):

機(jī)械參數(shù)

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 ?125mm

材質(zhì)                      鋁                                           鈦                                                                 鈦

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

耐壓                 500m                                           1000m                                                             4000m

溫度范圍(工作)  -5°c up to +35°c                                   -5°c up to +35°c                                                     -5°c up to +35°c

溫度范圍 (存儲(chǔ))  -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

頻率                         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

水平探測(cè)角                    130°                             130° / 130°                         130° / 60°                      130° / 40°

垂直探測(cè)角                     20°                               20° / 20°                          20° / 12°                       20° / 20°

波束數(shù)量                       256                                512                               512                            512

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

波束間隔                       0.5°                            0.25° / 0.25°                         0.25° / 0.16°                    0.25° / 0.1°

電器指標(biāo)

M-Series

MT-Series                                                                   MD-Series

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

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

電壓                                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*)

傳感器                         溫度和壓力傳感器，用于聲速的計(jì)算                                                溫度和壓力傳感器，用于聲速的計(jì)算

工作原理

      傳統(tǒng)上，聲納是一種機(jī)械裝置，通過(guò)旋轉(zhuǎn)傳感器（發(fā)射機(jī)和接收機(jī)）來(lái)掃描其前方或周?chē)纳葏^(qū)。在每個(gè)換能器位置，一個(gè)聲脈沖將被傳輸?shù)剿校邮掌魇占幕芈晫⒈焕L制到顯示器上。根據(jù)所需的分辨率，圖像可能需要幾十秒才能更新，在此期間聲納的任何移動(dòng)都可能會(huì)玷污和扭曲圖像。與機(jī)械聲納不同，Oculus是一種沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件的多波束聲納，它是一組接收器，從單個(gè)傳輸脈沖中收集回波，并使用稱(chēng)為“波束形成"的過(guò)程將數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)地組合成圖像。這允許每秒多次生成圖像，并像攝像機(jī)的輸出一樣實(shí)時(shí)查看。

       一些Oculus聲納（名稱(chēng)末尾帶有“d"后綴）為雙頻，具有低頻和高頻操作模式，允許操作員分別在更長(zhǎng)的聲學(xué)范圍或高分辨率圖像之間進(jìn)行選擇。

      聲納圖像需要經(jīng)過(guò)一些培訓(xùn)和練習(xí)才能解釋?zhuān)驗(yàn)樵诓僮鲉T看來(lái)，顯示為覆蓋其前方區(qū)域的自上而下視圖，根據(jù)所選頻率模式，聲納圖像可以在水平方向上照亮130°，垂直方向上照亮20°。顯示器上目標(biāo)和紋理的亮度表示它們反射了多少聲音（氣體或致密材料反射的聲音比泥漿、沙子和淤泥多），而聲音陰影可以根據(jù)物體或海底的幾何形狀投射。

通過(guò)將已知的水中聲速（VOS–“c"）與接收回聲的時(shí)間（“t"）相結(jié)合，聲納可以計(jì)算聲音傳播的距離（“d"）。

由于聲音必須從聲納傳到目標(biāo)物體，然后再傳回，所以聲納和目標(biāo)之間的距離（‘r’）是總距離的一半。

在現(xiàn)實(shí)世界中，聲納將在前方看到多個(gè)目標(biāo)。發(fā)射的聲音脈沖將在不同的時(shí)間反射出每個(gè)目標(biāo)，但接收器將在相當(dāng)于最大工作范圍兩倍的時(shí)間段內(nèi)記錄所有回波（對(duì)于往返于目標(biāo)的聲音）。

接收到的回波被組合成單個(gè)接收信號(hào)，其時(shí)間位置直接與距離相關(guān)，而每個(gè)回波的強(qiáng)度取決于目標(biāo)的反射程度。

密度與水非常不同的目標(biāo)（如氣體/空氣或巖石/混凝土）將具有很強(qiáng)的反射性和回波，而來(lái)自泥漿、淤泥、沙子和植物等材料的回波將具有較弱的回波

聲束模式

當(dāng)考慮聲納如何工作時(shí)，把聲納想象成在黑暗的房間里使用的手電筒可能會(huì)有所幫助。使用者只能看到火炬照亮的房間部分，如果火炬的光束較窄，則其視野會(huì)減小。

類(lèi)似地，聲納對(duì)聲音“照亮"的區(qū)域具有固定的寬度和高度，這些被稱(chēng)為水平和垂直波束模式。

名稱(chēng)后綴為“d"的Oculus聲納（例如M750d和M1200d）是支持兩種工作模式的雙頻設(shè)備，即低頻和高頻。單頻Oculus聲納（名稱(chēng)后綴為's'，如M370s）僅支持低頻工作模式。E

每個(gè)模式都有自己的光束模式，如下圖所示：

目標(biāo)可見(jiàn)性

位于聲納波束內(nèi)的物體（或目標(biāo)）將被聲學(xué)“照亮"，并可以接收其回波（目標(biāo)?), 而位于此之外的對(duì)象（目標(biāo)? 和?) 可能不會(huì)出現(xiàn)在聲納顯示器上：

應(yīng)該注意的是，盡管上面的圖表顯示了聲納波束的邊界，但這實(shí)際上代表了聲波的“半功率"水平。該區(qū)域外的垂直目標(biāo)可能仍然可以在顯示器上看到，但隨著它們遠(yuǎn)離波束模式，其回波水平將迅速降低。

在水平方向上，由于“自頂向下"顯示的寬度固定，因此不會(huì)顯示光束模式之外的圖像。

聲納無(wú)法確定回波的垂直到達(dá)角，因此，如果兩個(gè)目標(biāo)位于聲納前方，彼此垂直距離相同，聲納會(huì)將這兩個(gè)目標(biāo)顯示為它們的回波組合的單一結(jié)果。

查看海底

如前幾節(jié)所討論的，聲納可以被認(rèn)為是一個(gè)手持式手電筒，具有水平寬、垂直窄的照明光束——繼續(xù)這個(gè)類(lèi)比，操作員顯示器上顯示的聲納圖像可以被看作是被照明區(qū)域的“自上而下"視圖。對(duì)于希望執(zhí)行搜索和定位活動(dòng)或海底調(diào)查的用戶(hù)，Oculus可以安裝在顯示屏上，以便能夠照亮和看到不同數(shù)量的海底：

如果聲納靠近海床并向下傾斜? 然后只顯示它前面的一個(gè)小條。通過(guò)從海底獲取高度，操作員可以照亮更寬的線束，從而更好地利用顯示器?.

對(duì)于需要聲納搜索前方海床的情況，顯示的最佳用途是平衡海床上方的高度和聲納向下的角度，以便zui大程度地照亮海床?.

作為一個(gè)非常普遍的規(guī)則，如果向下角度為15°，高度高于工作范圍的10%，聲納可以在顯示屏上實(shí)現(xiàn)最佳的70%海底覆蓋率，即對(duì)于20m范圍，聲納應(yīng)安裝在海床上方約2m處，而對(duì)于80m范圍，高度應(yīng)增加至約8m。

聲學(xué)陰影

聲納和火炬之間的相似性繼續(xù)存在，因?yàn)槁暭{的“照明"可用于產(chǎn)生聲陰影，這對(duì)操作員確定聲納前方目標(biāo)的高度、形狀和方向非常有幫助。

如前所述，可以將顯示器視為Oculus前方的自頂向下（或衛(wèi)星）視圖：

1.1. 了解回聲

盡管有人提到聲納顯示器可以被視為其前方區(qū)域的自上而下的圖像，但這種類(lèi)比有一些局限性。

當(dāng)聲納從側(cè)面照亮圖像時(shí)，只有距離聲納最近的目標(biāo)邊緣或表面才會(huì)被照亮。

如果目標(biāo)面呈一定角度，則一些傳入聲波將反射到聲納，而其他聲波將分散到不同的方向，目標(biāo)的整體亮度將降低。

下圖說(shuō)明了這一點(diǎn)，用紅色突出顯示了三個(gè)簡(jiǎn)單目標(biāo)上在顯示屏上最亮的區(qū)域，以及這些區(qū)域在真實(shí)目標(biāo)中的顯示方式：

根據(jù)聲納與目標(biāo)的距離，也可以對(duì)圖像產(chǎn)生顯著影響。

由于聲波從發(fā)射機(jī)中傳播的方式，遠(yuǎn)處目標(biāo)投射的陰影將在其后面變窄?, 但當(dāng)聲納靠近它們時(shí)，陰影寬度會(huì)增加。在這些情況下，操作員應(yīng)意識(shí)到這些陰影可能會(huì)隱藏其他目標(biāo)，因?yàn)闆](méi)有聲音來(lái)照亮它們?

當(dāng)操作員的能見(jiàn)度因附近目標(biāo)的陰影而受到限制時(shí)，他們應(yīng)致力于提高海底上方的聲納高度（以及造成陰影的目標(biāo)），并可能使聲納向下傾斜以進(jìn)行補(bǔ)償。

了解回聲

盡管有人提到聲納顯示器可以被視為其前方區(qū)域的自上而下的圖像，但這種類(lèi)比有一些局限性。當(dāng)聲納從側(cè)面照亮圖像時(shí)，只有距離聲納最近的目標(biāo)邊緣或表面才會(huì)被照亮。

如果目標(biāo)面呈一定角度，則一些傳入聲波將反射到聲納，而其他聲波將分散到不同的方向，目標(biāo)的整體亮度將降低。下圖說(shuō)明了這一點(diǎn)，用紅色突出顯示了三個(gè)簡(jiǎn)單目標(biāo)上在顯示屏上最亮的區(qū)域，以及這些區(qū)域在真實(shí)目標(biāo)中的顯示方式：

范圍與頻率和圖像質(zhì)量

如前所述，一些Oculus聲納有兩種工作模式：

· 低頻，允許以寬視角進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作–這對(duì)于搜索和測(cè)量任務(wù)很有用。

· 高頻，在較短范圍內(nèi)產(chǎn)生更多細(xì)節(jié)，視角較窄–

這對(duì)于近距離目標(biāo)的詳細(xì)研究很有用。

下圖顯示了兩種操作模式下相同試驗(yàn)場(chǎng)地的比較：

聲納操作總結(jié)

一般來(lái)說(shuō)，以下幾點(diǎn)總結(jié)了聲納的操作：

· 聲納圖像顯示了從目標(biāo)前緣接收到的回波的“自上而下"式顯示。

· 只能看到聲納波束照亮的目標(biāo)：

o 水平面130°/80°，取決于頻率模式

o 20°/12°垂直方向，雖然這是半功率點(diǎn)，但在這之外可能會(huì)出現(xiàn)較暗的目標(biāo)。

· 由于沒(méi)有垂直信息可用，聲納波束中垂直對(duì)齊或重疊的目標(biāo)將合并為單個(gè)回波。

· 致密或氣態(tài)目標(biāo)在顯示屏上顯得最亮，而泥和淤泥則顯得非常暗淡。

· 目標(biāo)投射聲陰影，這可能會(huì)遮擋其背后的所有或部分目標(biāo)，尤其是當(dāng)聲納靠近目標(biāo)時(shí)。

· 改變海床上方的高度，以改變目標(biāo)的照明角度，以及它們投射的陰影長(zhǎng)度，這有助于解釋聲納圖像上的特征。

· 在高雜波（巖石/巨石）環(huán)境中，使用增益控制增強(qiáng)微弱目標(biāo)或減少背景噪聲反射。

· 如果可能，根據(jù)要求的范圍和詳細(xì)程度使用不同的頻率模式：

o 低頻模式可實(shí)現(xiàn)寬視角（130°），聲納支持的范圍最長(zhǎng)。

o 高頻模式可提供詳細(xì)的高分辨率圖像，但視角（80°）和更短的范圍設(shè)置有所減少。

· 在海床導(dǎo)航或測(cè)量時(shí)，水平安裝聲納，指向前方，略微向下傾斜（10-15°）。

· 在獲得使用聲納的經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，顯示器上最佳海底覆蓋的一個(gè)很好的經(jīng)驗(yàn)法則是將海底高度保持在選定聲納范圍的大約10%。

· 為了準(zhǔn)確校準(zhǔn)量程，請(qǐng)檢查是否已將正確的水礦化度輸入到操作現(xiàn)場(chǎng)的軟件中。