波束角概念

波束角是傳感器在發(fā)射超聲波時(shí)存在的概念。超聲波傳感器在發(fā)射超聲波時(shí)沿傳感器中軸線的延長(zhǎng)線 (垂直于傳感器表面)方向上的超聲射線能量最大。由此向外其他方向上的聲波能量逐漸減弱。

超聲測(cè)距傳感器價(jià)格低廉，性能幾乎不受光線、粉塵、煙霧、電磁干擾和有毒氣體的影響，且使用方便，故在倒車?yán)走_(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。倒車?yán)走_(dá)所采用的超聲傳感器一般采用大波束角設(shè)計(jì)，旨在擴(kuò)大探測(cè)范圍，但同時(shí)也產(chǎn)生了干擾信號(hào)，增加了虛警概率。隨著超聲測(cè)距傳感器波束角的減小，超聲波的定向傳播能力增強(qiáng)，系統(tǒng)探測(cè)準(zhǔn)確度和抗干擾能力也隨之大大提高。因此，研制小波束角超聲測(cè)距儀具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

波束角總體設(shè)計(jì)

筆者研制的小波束角超聲測(cè)距儀由超聲傳感器，發(fā)射/接收電路、單片機(jī)處理電路及PC構(gòu)成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。超聲傳感器用來(lái)實(shí)現(xiàn)電能與聲能的相互轉(zhuǎn)換；發(fā)射電路用于產(chǎn)生一定頻率的交變電壓作為傳感器工作電源，驅(qū)動(dòng)傳感器向外發(fā)射超聲信號(hào)；接收電路部分對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，單片機(jī)處理電路則用于產(chǎn)生選通信號(hào)并對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理，測(cè)量結(jié)果在PCIV界面中實(shí)時(shí)顯示。本系統(tǒng)的核心是小波束角超聲傳感器的研制。

波束角功能單元設(shè)計(jì)

超聲傳感器一般采用波束寬度良

超聲測(cè)距的指向性與超聲傳感器的諧振頻率及傳感器的輻射面積有直接關(guān)系。對(duì)于單一的超聲傳感器，波束寬度良

對(duì)于多元線陣傳感器，如圖3所示。N個(gè)陣元均勻線陣的波束寬度

其中：N為陣元數(shù)，d為陣元之間的間距。

由上式知，當(dāng)傳感器諧振頻率一定時(shí)，采用多元線陣的組合形式可得到較小的波束寬度。文獻(xiàn)提出傳感器輻射面積越小，換能器的諧振頻率就越高。文獻(xiàn)指出換能器陣列指向性的形成是由于其各部分發(fā)射的聲波在自由場(chǎng)

遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)中干涉疊加的結(jié)果。綜合考慮制造工藝及實(shí)際應(yīng)用等因素。小波束角超聲測(cè)距儀采用的傳感器陣列為3陣元線陣，陣元采用小尺寸設(shè)計(jì)，相鄰陣元間距d=0.03 m。

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果。采用如下步驟對(duì)超聲傳感器諧振頻率進(jìn)行實(shí)際測(cè)試：連線方式如圖4所示，電位器初始值為1千歐，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器頻率，至信號(hào)幅值出現(xiàn)最小值時(shí)，該頻率即接近于傳感器的工作頻率。隨后斷開傳感器接線端，將電位器的阻值調(diào)到0(短路)，記錄信號(hào)幅值。重新將傳感器接到測(cè)試電路中，調(diào)節(jié)電位器阻值至信號(hào)幅值為開路時(shí)的一半。取出電位器．測(cè)量電位器阻值。傳感器的諧振阻抗值即為信號(hào)發(fā)生器內(nèi)阻與電位器阻值之和。測(cè)得3元線性陣的諧振頻為82.7 kHz，諧振阻抗為443 Ω。經(jīng)計(jì)算可知

波束角研究結(jié)論

小波束角超聲測(cè)距儀的研制，很好地改善了超聲波測(cè)距的指向性，而且提高了抗干擾能力。此裝置在實(shí)際測(cè)距中也滿足了自動(dòng)倒車系統(tǒng)的性能指標(biāo)。且該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝，抗干擾性強(qiáng)。具有重要的應(yīng)用前景。

多波束測(cè)深系統(tǒng)已經(jīng)成為海洋測(cè)量的主要設(shè)備之一。為了確保多波束測(cè)量的高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量過(guò)程中就必須嚴(yán)格消除系統(tǒng)內(nèi)部誤差和各項(xiàng)外部影響因素。多波束系統(tǒng)的參數(shù)校正就是為消除系統(tǒng)內(nèi)部誤差而引入的誤差改正的基本方法。波束角偏差是多波束系統(tǒng)內(nèi)部誤差，它是由于換能器基陣基元之間的物理相位與間距誤差綜合導(dǎo)致的，對(duì)整個(gè)聲納系統(tǒng)的水深測(cè)量與定位精度都有著重要的影響。但在通常的參數(shù)校正中，作業(yè)人員一般只進(jìn)行多波束系統(tǒng)換能器橫向偏差、縱向偏差以及定位系統(tǒng)的時(shí)間延遲、羅經(jīng)艏向偏差的校正，很少關(guān)注波束角偏差的校正。然而波束角偏差是影響多波束系統(tǒng)測(cè)量精度的主要因素之一，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致勘測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)沿測(cè)線方向的條帶狀偽地形，測(cè)量實(shí)時(shí)監(jiān)控窗上出現(xiàn)很明顯的凸凹偽地形。SIMRAD公司為EM系列多波束系統(tǒng)配置的Calibrate多參數(shù)校準(zhǔn)軟件對(duì)波束角偏差的校正十分有效。

波束角波束角偏差產(chǎn)生的原因

多波束系統(tǒng)聲基陣誤差主要包括基元物理相位誤差和基元之間的間隔誤差?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)接收機(jī)放大電路的相位補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)物理相位誤差的校正，但直接測(cè)量基元間隔誤差就比較困難。物理相位誤差和基元間隔誤差使多波束系統(tǒng)設(shè)計(jì)波束角與實(shí)際形成波束角之間存在一個(gè)偏差，即波束角偏差。

多波束系統(tǒng)的換能器接收基陣由多個(gè)并列的接收水聽器基元組成。一般情況下，設(shè)換能器接收基陣是由x個(gè)基元組成，相鄰之間的距離為d_i，誤差為Δd_i，換能器上第i號(hào)基元相對(duì)于第0號(hào)基元中心的距離為S(d_i)。

波束角波束角偏差對(duì)測(cè)量精度的影響

在多波束聲學(xué)投射平面內(nèi)，當(dāng)接收聲波的波束角存在偏差Δθ時(shí)，根據(jù)垂直參考系下的波束角和旅行時(shí)間計(jì)算測(cè)點(diǎn)的水深H和橫向中心距離X，可得到：

（1）波束角偏差對(duì)定位精度的影響

由式可以看出，多波束系統(tǒng)波束角偏差直接影響著波束形成的實(shí)際位置，對(duì)多波束系統(tǒng)測(cè)量定位精度的影響是最直接的。

表1為水深100 m時(shí)，不同波束角在不同波束角偏差情況下對(duì)水深點(diǎn)橫向距離的影響；圖5為水深100 m，波束角偏差為0.2°時(shí)，不同波束角測(cè)量水深點(diǎn)橫向距離的影響。由表1和圖5看出，如果多波束系統(tǒng)波束角偏差為0.2°，在波束角60°時(shí)，引起的波束橫向距離誤差為1.4 m，只這一項(xiàng)就占IHOS－44標(biāo)準(zhǔn)中一級(jí)精度指標(biāo)的70%，而波束角60°以外的波束引起的橫向偏移就更大。

（2）波束角偏差對(duì)水深數(shù)據(jù)精度的影響

由式可以看出，多波束系統(tǒng)波束角偏差直接影響著測(cè)量的水深數(shù)據(jù)，引起測(cè)量海底的偽地形。當(dāng)波束角存在偏差時(shí)，在海底平坦海區(qū)測(cè)量時(shí)，多波束系統(tǒng)的監(jiān)控窗口顯示的測(cè)量海底地形與聲速剖面存在誤差時(shí)顯示的測(cè)量地形相似，會(huì)出現(xiàn)凹或凸的偽地形，但波束角存在偏差時(shí)監(jiān)控窗口顯示的測(cè)量地形外側(cè)彎曲較嚴(yán)重，在波束角60°以內(nèi)測(cè)量的地形較平坦，變形很?。徊ㄊ?0°以外測(cè)量的地形變形嚴(yán)重，出現(xiàn)向下彎或向上翹的偽地形。當(dāng)波束角偏差為負(fù)值時(shí)，邊緣波束測(cè)量的水深值比中心波束測(cè)量的水深值大，出現(xiàn)凸的偽地形；波束角偏差值為正時(shí)，邊緣波束的測(cè)量的水深值比中心波束測(cè)量的水深值小，出現(xiàn)凹的偽地形。在水深約為42 m的平坦海區(qū)，使用波束角偏差為0.72°的多波束系統(tǒng)，覆蓋角150°，與雙頻測(cè)深儀單通道測(cè)量的水深數(shù)據(jù)比較，見表2。從表中看出，多波束中心波束測(cè)量的水深值與雙頻測(cè)深儀測(cè)量的水深值相差不大，而與波束角75°附近的波束測(cè)量水深值差都大于2 m，邊緣波束測(cè)量的水深誤差都大于IHOS－44規(guī)定的1%水深的精度標(biāo)準(zhǔn)?？梢姴ㄊ瞧顚?duì)邊緣波束影響是很大的，而對(duì)中心波束附近的波束影響較小。

波束角借用橫向參數(shù)校準(zhǔn)軟件對(duì)波束角偏差進(jìn)行校正

波束角偏差可以借用換能器橫向參數(shù)校準(zhǔn)軟件進(jìn)行校正。但由于聲速剖面數(shù)據(jù)誤差、換能器橫向偏差及波束角偏差都會(huì)引起測(cè)量的海底地形發(fā)生凹或凸的偽地形，所以在進(jìn)行波束角偏差校正前，首先進(jìn)行橫向偏差校正。當(dāng)換能器橫向偏差校正好后，在一定水深的平坦海區(qū)(水深按照多波束系統(tǒng)測(cè)深要求選擇)，選擇在南北、東西方向上布兩條互相垂直的測(cè)線，線長(zhǎng)不少于2 km，見圖6。首先在兩條測(cè)線交叉點(diǎn)附近用聲速儀測(cè)量海水的聲速剖面數(shù)據(jù)，并把測(cè)量的數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)工作站，然后勻速沿布設(shè)的兩條垂直測(cè)線測(cè)量至少兩次。圖7為測(cè)量的兩條垂直測(cè)線的立體圖，從凹形偽地形看出該多波束系統(tǒng)存在較大的波束角偏差。

測(cè)量結(jié)束后，進(jìn)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理工作站，打開Calibrate參數(shù)校正軟件，在垂直的兩條測(cè)線上選擇兩條具有一定寬度的校正線，見圖6。在橫向偏差校正窗將1號(hào)校正線放在圖6中①②③的位置來(lái)比較兩條測(cè)線的水深數(shù)據(jù)。圖4中藍(lán)色且水平的數(shù)據(jù)是1號(hào)校正線的數(shù)據(jù)(即測(cè)線1中心波束附近的數(shù)據(jù)，受波束角偏差影響較小)；紅色且呈凹形形狀的數(shù)據(jù)是測(cè)線2在①②③處的幾個(gè)波束的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)受波束角偏差影響較大。由于受波束角偏差影響，兩組數(shù)據(jù)沒有重合在一起。這時(shí)可以調(diào)整校正窗口左側(cè)的滑動(dòng)條，使兩組數(shù)據(jù)的中心波束數(shù)據(jù)重合在一起，見圖9，這時(shí)滑動(dòng)條上面顯示的角度就是波束角偏差值。

重復(fù)上面的工作，再將1號(hào)校正線放在⑦⑧⑨，2號(hào)校正線放在①④⑦、③⑥⑨處，分別得到一個(gè)偏差值，取四個(gè)偏差值的平均數(shù)，就得到波束角的偏差值，把波束角偏差值輸入系統(tǒng)工作站，在實(shí)際測(cè)量中就可實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的改正。為了印證波束角偏差校正的效果，可以在十字測(cè)線上再重新測(cè)兩個(gè)來(lái)回，再按上面操作的步驟檢查，如果校正線上的數(shù)據(jù)與邊緣波束上的數(shù)據(jù)重合的比較好，說(shuō)明偏差得到了校正，否則需要再重新校正。

波束角研究結(jié)論

波束角偏差是影響多波束系統(tǒng)測(cè)量精度的主要因素之一，它不但影響測(cè)量水深數(shù)據(jù)的精度，還會(huì)影響水深點(diǎn)的定位精度，特別是對(duì)波束角60°以外的邊緣波束影響很大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的海底地形呈現(xiàn)凸或凹的偽地形。因此在多波束系統(tǒng)測(cè)量作業(yè)前，在進(jìn)行傳統(tǒng)參數(shù)校正項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，最好進(jìn)行波束角偏差的校正。波束角偏差校正方法很多，借用SIMRAD公司為EM系列多波束系統(tǒng)配置的Calibrate多參數(shù)校準(zhǔn)軟件對(duì)波束角偏差進(jìn)行校正，效果十分有效，大大提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。 2100433B