多波束回声测深系统

5.2.2　多波束回声测深系统

多波束回声测深系统是在单波束回声测深仪的基础上发展起来的，该系统在与航迹垂直的平面内一次能够给出数十个乃至上百个测深点，获得一条具有一定宽度的全覆盖水深条带，能够精确快速地测出沿航线一定宽度范围内水下目标的大小、形状和高低变化，从而可精确地描绘出海底地形的精细特征。

与单波束回声测深仪相比，多波束测深系统具有测量范围大、速度快、精度和效率高、记录数字化和实时自动绘图等优点，将传统的测深技术从原来的点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深和自动成图，使海底地形测量作业完成得又快又好。

多波束系统由如下几个单元组成:

图5-2　Seabat8101多波束回声测深系统

(1)声学单元:以换能器为代表，用作波束的发射和接收。

(2)数据采集单元:完成波束的形成和将接收到的声波信号转换为数字信号，并反算其测量距离或记录其往返程时间。

(3)外围辅助单元:包括定位系统、姿态传感器MRU(motion reference unit)、电罗经和声速剖面仪SVP(sound velocity profiler)，主要用于载体瞬时位置、姿态、航向的测定及海水中声速的测定。

(4)数据处理单元:综合测深、定位、船姿、声速和潮位等信息，计算波束在海底投射点(footprint)的坐标和深度，并绘制海底平面或三维图。

图5-3　多波束波束的几何构成

波束形成是多波束测深系统测量的关键。波束形成引入了时延的概念。当线性阵列方向θ₀=0°时，由于各个方向基元接收到的声信号具有相同的相位，因而输出响应最大。但要在其他方向形成波束，则需要引入时延，确保各基元的输出仍能满足同向叠加要求，以获得最大的输出响应。

图5-4　单个波束信号的接收

多波束发射的不只是一个波束，而是形成一个具有一定扇面开角的多个波束，发射角由发射模式参数决定。姿态参数可通过姿态传感器和发射模式信号一起发送给信号处理器并计算出发射脉冲信号和波束数，然后传送到多通道变换器，形成多个波束发射信号，这些信号再经过前置放大器进行功率放大，分别形成多个发射声波脉冲信号。同时，前置放大器控制着收、发转换开关电路，这些声波脉冲信号再通过换能器阵列发送出去。返回波束打击压电陶瓷表面，产生高频振荡电压，由于电压比较弱，必须进行放大，担负这一工作的仍然是多通道前置放大器，该过程受控于TVG(时间增益补偿)。放大后的模拟信号被送到数据采集电路，为保证采集信号的可靠性，需进行两次数据采集，两次得到的相位应相同或正交，这个过程同波束形成及控制电路相结合，完成最终的波束形成。由于声波在水中的传播路径不但取决于入射角，还受控于波束在水中的传播速度，因而必须利用多通道信号处理电路进行声线改正，以获得波束在海底投射点的位置。