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          英國BP Oculus系列多波束圖像聲納

          發布時間:2023-03-16   點擊次數:476次

          多波束圖像聲吶

          單頻 & 雙頻 多波束圖像聲吶

          由于它體積小,是應用在微小平臺方面的理想設備,同時,它擁有堅固的結構,也是大型的工作級水下機器人和測量水下地形構造應用的優選

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          單頻 & 雙頻 多波束圖像聲吶

          由于它體積小,是應用在微小平臺方面的理想設備,同時,它擁有堅固的結構,也是大型的工作級水下機器人和測量水下地形構造應用的優選

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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用。由于它們 體積小,是應用在微小平臺方面的理想設備,同時它擁有堅固的外形結構,也是大型的工作級 水下機器人和測量水下地形構造等應用的選擇。

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

          M 系列:標準型號,耐壓 500m。

          MT 系列:  擁有所有 M 系列優點,鈦外殼,耐壓 1000m。

          MD 系列:鈦外殼,耐壓 4000m ,用于深水環境工作。

          特點:

          1 、頻率范圍 375kHz 3.0MHz ,單頻、雙頻系統,適合于水下導航,水下態勢感知和檢 測工作。

          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 200m。

          4 、高清圖像質量,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 2mm。

          6 、簡單、直觀的操作軟件。

          7 、輸出實時圖像的更新率高達 40Hz。


          性能參數:

          機械參數

          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                                                                                                                            

          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) -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

          水平探測角                   130°                            130° / 130°                        130° / 60°                     130° / 40°

          垂直探測角                    20°                              20° / 20°                         20° / 12°                      20° / 20°

          波束數量                      256                               512                              512                           512

          角度分辨率                                                  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

          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,用于聲速的計算                                               溫度和壓力傳感器,用于聲速的計算

          工作原理

                傳統上,聲納是一種機械裝置,通過旋轉傳感器(發射機和接收機)來掃描其前方或周圍的扇區。在每個換能器位置,一個聲脈沖將被傳輸到水中,接收器收集的回聲將被繪制到顯示器上。根據所需的分辨率,圖像可能需要幾十秒才能更新,在此期間聲納的任何移動都可能會玷污和扭曲圖像。與機械聲納不同,Oculus是一種沒有運動部件的多波束聲納,它是一組接收器,從單個傳輸脈沖中收集回波,并使用稱為“波束形成"的過程將數據數學地組合成圖像。這允許每秒多次生成圖像,并像攝像機的輸出一樣實時查看。

                 一些Oculus聲納(名稱末尾帶有“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的聲學范圍或高分辨率圖像之間進行選擇。

                聲納圖像需要經過一些培訓和練習才能解釋,因為在操作員看來,顯示為覆蓋其前方區域的自上而下視圖,根據所選頻率模式,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物體或海底的幾何形狀投射。



          通過將已知的水中聲速(VOS–“c")與接收回聲的時間(“t")相結合,聲納可以計算聲音傳播的距離(“d")。

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

          在現實世界中,聲納將在前方看到多個目標。發射的聲音脈沖將在不同的時間反射出每個目標,但接收器將在相當于最大工作范圍兩倍的時間段內記錄所有回波(對于往返于目標的聲音)。






          接收到的回波被組合成單個接收信號,其時間位置直接與距離相關,而每個回波的強度取決于目標的反射程度。

          密度與水非常不同的目標(如氣體/空氣或巖石/混凝土)將具有很強的反射性和回波,而來自泥漿、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

          當考慮聲納如何工作時,把聲納想象成在黑暗的房間里使用的手電筒可能會有所幫助。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,則其視野會減小。

          類似地,聲納對聲音照亮"的區域具有固定的寬度和高度,這些被稱為水平和垂直波束模式。

          名稱后綴為“d"Oculus聲納(例如M750dM1200d)是支持兩種工作模式的雙頻設備,即低頻和高頻。單頻Oculus聲納(名稱后綴為's',如M370s)僅支持低頻工作模式。E

          每個模式都有自己的光束模式,如下圖所示:







          目標可見性

          位于聲納波束內的物體(或目標)將被聲學照亮",并可以接收其回波(目標?), 而位于此之外的對象(目標? ?) 可能不會出現在聲納顯示器上:

          圖片1.png


          應該注意的是,盡管上面的圖表顯示了聲納波束的邊界,但這實際上代表了聲波的半功率"水平。該區域外的垂直目標可能仍然可以在顯示器上看到,但隨著它們遠離波束模式,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,因此不會顯示光束模式之外的圖像。

          聲納無法確定回波的垂直到達角,因此,如果兩個目標位于聲納前方,彼此垂直距離相同,聲納會將這兩個目標顯示為它們的回波組合的單一結果。





          查看海底

          如前幾節所討論的,聲納可以被認為是一個手持式手電筒,具有水平寬、垂直窄的照明光束——繼續這個類比,操作員顯示器上顯示的聲納圖像可以被看作是被照明區域的自上而下"視圖。對于希望執行搜索和定位活動或海底調查的用戶,Oculus可以安裝在顯示屏上,以便能夠照亮和看到不同數量的海底:


          如果聲納靠近海床并向下傾斜? 然后只顯示它前面的一個小條。通過從海底獲取高度,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?.




          作為一個非常普遍的規則,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現最佳的70%海底覆蓋率,即對于20m范圍,聲納應安裝在海床上方約2m處,而對于80m范圍,高度應增加至約8m。


          聲學陰影

          聲納和火炬之間的相似性繼續存在,因為聲納的照明"可用于產生聲陰影,這對操作員確定聲納前方目標的高度、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域的自上而下的圖像,但這種類比有一些局限性。

          當聲納從側面照亮圖像時,只有距離聲納最近的目標邊緣或表面才會被照亮。

          如果目標面呈一定角度,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,目標的整體亮度將降低。

          下圖說明了這一點,用紅色突出顯示了三個簡單目標上在顯示屏上最亮的區域,以及這些區域在真實目標中的顯示方式:

          根據聲納與目標的距離,也可以對圖像產生顯著影響。

          由于聲波從發射機中傳播的方式,遠處目標投射的陰影將在其后面變窄?, 但當聲納靠近它們時,陰影寬度會增加。在這些情況下,操作員應意識到這些陰影可能會隱藏其他目標,因為沒有聲音來照亮它們?

          圖片13.png


          當操作員的能見度因附近目標的陰影而受到限制時,他們應致力于提高海底上方的聲納高度(以及造成陰影的目標),并可能使聲納向下傾斜以進行補償。

          圖片14.png








          了解回聲

          盡管有人提到聲納顯示器可以被視為其前方區域的自上而下的圖像,但這種類比有一些局限性。當聲納從側面照亮圖像時,只有距離聲納最近的目標邊緣或表面才會被照亮。

          如果目標面呈一定角度,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,目標的整體亮度將降低。下圖說明了這一點,用紅色突出顯示了三個簡單目標上在顯示屏上最亮的區域,以及這些區域在真實目標中的顯示方式:

          圖片15.png


          圖片16.png


          范圍與頻率和圖像質量

          如前所述,一些Oculus聲納有兩種工作模式:

          · 低頻,允許以寬視角進行遠距離操作這對于搜索和測量任務很有用。

          · 高頻,在較短范圍內產生更多細節,視角較窄

          這對于近距離目標的詳細研究很有用。

          下圖顯示了兩種操作模式下相同試驗場地的比較:

          圖片17.png




          聲納操作總結

          一般來說,以下幾點總結了聲納的操作:

          · 聲納圖像顯示了從目標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:

          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,但在這之外可能會出現較暗的目標。

          · 由于沒有垂直信息可用,聲納波束中垂直對齊或重疊的目標將合并為單個回波。

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

          · 目標投射聲陰影,這可能會遮擋其背后的所有或部分目標,尤其是當聲納靠近目標時。

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

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

          · 如果可能,根據要求的范圍和詳細程度使用不同的頻率模式:

          o 低頻模式可實現寬視角(130°),聲納支持的范圍最長。

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

          · 在海床導航或測量時,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驗的同時,顯示器上最佳海底覆蓋的一個很好的經驗法則是將海底高度保持在選定聲納范圍的大約10%。

          · 為了準確校準量程,請檢查是否已將正確的水礦化度輸入到操作現場的軟件中。






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