波束角小波束角超聲測距儀的研制

超聲測距傳感器價格低廉，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，旨在擴(kuò)大探測范圍，但同時也產(chǎn)生了干擾信號，增加了虛警概率。隨著超聲測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距儀具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價值。

波束角總體設(shè)計

筆者研制的小波束角超聲測距儀由超聲傳感器，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)動傳感器向外發(fā)射超聲信號；接收電路部分對回波信號進(jìn)行放大、濾波，單片機(jī)處理電路則用于產(chǎn)生選通信號并對回波信號進(jìn)行處理，測量結(jié)果在PCIV界面中實(shí)時顯示。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

超聲傳感器一般采用波束寬度良

超聲測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。對于單一的超聲傳感器，波束寬度良

對于多元線陣傳感器，如圖3所示。N個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，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

遠(yuǎn)場區(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，相鄰陣元間距d=0.03 m。

為檢驗(yàn)設(shè)計效果。采用如下步驟對超聲傳感器諧振頻率進(jìn)行實(shí)際測試：連線方式如圖4所示，電位器初始值為1千歐，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器頻率，至信號幅值出現(xiàn)最小值時，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)，記錄信號幅值。重新將傳感器接到測試電路中，調(diào)節(jié)電位器阻值至信號幅值為開路時的一半。取出電位器．測量電位器阻值。傳感器的諧振阻抗值即為信號發(fā)生器內(nèi)阻與電位器阻值之和。測得3元線性陣的諧振頻為82.7 kHz，諧振阻抗為443 Ω。經(jīng)計算可知

波束角研究結(jié)論

小波束角超聲測距儀的研制，很好地改善了超聲波測距的指向性，而且提高了抗干擾能力。此裝置在實(shí)際測距中也滿足了自動倒車系統(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。

波束角是傳感器在發(fā)射超聲波時存在的概念。超聲波傳感器在發(fā)射超聲波時沿傳感器中軸線的延長線 (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。

多波束測深系統(tǒng)已經(jīng)成為海洋測量的主要設(shè)備之一。為了確保多波束測量的高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)，在測量過程中就必須嚴(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，對整個聲納系統(tǒng)的水深測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)測量精度的主要因素之一，嚴(yán)重時導(dǎo)致勘測數(shù)據(jù)出現(xiàn)沿測線方向的條帶狀偽地形，測量實(shí)時監(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^調(diào)節(jié)接收機(jī)放大電路的相位補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)物理相位誤差的校正，但直接測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)計波束角與實(shí)際形成波束角之間存在一個偏差，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號基元相對于第0號基元中心的距離為S(d_i)。

波束角波束角偏差對測量精度的影響

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，根據(jù)垂直參考系下的波束角和旅行時間計算測點(diǎn)的水深H和橫向中心距離X，可得到：

（1）波束角偏差對定位精度的影響

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，對多波束系統(tǒng)測量定位精度的影響是最直接的。

表1為水深100 m時，不同波束角在不同波束角偏差情況下對水深點(diǎn)橫向距離的影響；圖5為水深100 m，波束角偏差為0.2°時，不同波束角測量水深點(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，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量的水深數(shù)據(jù)，引起測量海底的偽地形。當(dāng)波束角存在偏差時，在海底平坦海區(qū)測量時，多波束系統(tǒng)的監(jiān)控窗口顯示的測量海底地形與聲速剖面存在誤差時顯示的測量地形相似，會出現(xiàn)凹或凸的偽地形，但波束角存在偏差時監(jiān)控窗口顯示的測量地形外側(cè)彎曲較嚴(yán)重，在波束角60°以內(nèi)測量的地形較平坦，變形很??；波束角60°以外測量的地形變形嚴(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，邊緣波束測量的水深值比中心波束測量的水深值大，出現(xiàn)凸的偽地形；波束角偏差值為正時，邊緣波束的測量的水深值比中心波束測量的水深值小，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°，與雙頻測深儀單通道測量的水深數(shù)據(jù)比較，見表2。從表中看出，多波束中心波束測量的水深值與雙頻測深儀測量的水深值相差不大，而與波束角75°附近的波束測量水深值差都大于2 m，邊緣波束測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)。可見波束角偏差對邊緣波束影響是很大的，而對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引起測量的海底地形發(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)測深要求選擇)，選擇在南北、東西方向上布兩條互相垂直的測線，線長不少于2 km，見圖6。首先在兩條測線交叉點(diǎn)附近用聲速儀測量海水的聲速剖面數(shù)據(jù)，并把測量的數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)工作站，然后勻速沿布設(shè)的兩條垂直測線測量至少兩次。圖7為測量的兩條垂直測線的立體圖，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號校正線放在圖6中①②③的位置來比較兩條測線的水深數(shù)據(jù)。圖4中藍(lán)色且水平的數(shù)據(jù)是1號校正線的數(shù)據(jù)(即測線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)是測線2在①②③處的幾個波束的數(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。這時可以調(diào)整校正窗口左側(cè)的滑動條，使兩組數(shù)據(jù)的中心波束數(shù)據(jù)重合在一起，見圖9，這時滑動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號校正線放在⑦⑧⑨，2號校正線放在①④⑦、③⑥⑨處，分別得到一個偏差值，取四個偏差值的平均數(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)際測量中就可實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)的改正。為了印證波束角偏差校正的效果，可以在十字測線上再重新測兩個來回，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)測量精度的主要因素之一，它不但影響測量水深數(shù)據(jù)的精度，還會影響水深點(diǎn)的定位精度，特別是對波束角60°以外的邊緣波束影響很大，嚴(yán)重時會導(dǎo)致測量的海底地形呈現(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)軟件對波束角偏差進(jìn)行校正，效果十分有效，大大提高了測量數(shù)據(jù)的精度。 2100433B