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超声波换能器:什么频率的多波束适合您使用[安布雷拉]

[点击量:561][来源:安布雷拉超声波 · 中国已服务中小企业8千家]

2019-05-28

    
      超声波换能器:什么频率的多波束适合您使用?多波束测深系统本质上属于探测类声纳系统,工作频率直接影响着其他工作参数,是声纳系统最为重要的技术指标,所以,选择什么频率的多波束,是产品选型工作的一个重要环节。
 
      小卓删繁就简,从使用环境、测深范围、测量精度以及便携性等四个主要方面来整理阐述频率的选择问题。毕竟多波束是一套复杂高端的系统,如果您以前了解的不多,邀请您一定要看一遍啊~
 
      正文之前先明确两个水声学基本常识:
      ①在相同发射功率下,声纳工作频率越低则能够探测的距离越远;
      ②在同等波束角度的情况下,声纳工作频率越低,换能器的尺寸越大。
 
 
一、频率VS使用环境
 
      水文环境是首要考虑的问题,一般情况下,如果您大部分时间是在疏浚过程中进行测量或者所测量水域的浑浊度较高,那么选择相对较低的工作频率比较适合,例如200kHz的工作频率;在水质清澈度很高的情况,为了得到更高的分辨率,也能够使用600kHz~700kHz的工作频率;除此之外,在国内的大部分水域的水质情况下,选择使用200kHz~400kHz左右的工作频率更为合适。
 
 
 
 
二、频率VS测深范围
 
      多波束测深系统的主要目的就是高精度的水深测量,因此测深范围是一个重要参数,按照国际上的通用定义,浅水多波束测深系统主要用于500米以浅的水深范围。
 
      通常情况下,技术成熟的多波束测深系统在200kHz工作主频下,最大测深应能达到500米或更深;400kHz工作主频下应能达到150米或更深;700kHz主频下应能达到50米或更深。而实际测深深度将会受到水文环境的影响。
 
      同时,能否解决浅水测量也是需要考虑的一个方面。通常情况下,由于近场效应的影响,频率越高的声纳测浅的能力越强,200kHz的多波束测浅应能达到0.5米、400kHz的多波束测浅应能达到0.2米、700kHz的多波束应能达到0.1米,以保证多波束测深系统在浅水环境下的使用效果。
 
 
 
三、频率VS测量精度
 
      多波束系统的测量精度除了先进的信号处理算法保证外,更重要的是由发射波束角、接收波束角和信号脉宽三个因素影响。其中,发射波束角和接收波束角可以统称为波束角,波束角决定多波束的角度分辨率,信号脉宽决定着多波束的距离分辨率,两者综合决定了多波束测深系统的测量精度。
 
      对于直线阵而言,波束角与工作频率、换能器尺寸存在着固定的关系,如下表给出三个典型频率下的波束角与换能器尺寸的对应关系:
 
 
      从现有的多波束测量精度要求看,如果需要对水下三维地形进行精细扫测,接收波束角不应大于1°,发射波束角不应大于1.5°,否则只能用于相对粗略的水下地形扫测。因此在确定的换能器尺寸情况下,频率越高,角度的分辨率越高。
 
      在CW信号体制下信号脉宽越窄距离分辨率越高,而频率越高能够实现越窄的脉宽,距离分辨率越高;在LFM信号体制下,距离分辨率取决于信号的带宽,而频率越高可用的带宽相对越宽,距离分辨率越高。因此,从测量精度考虑,频率越高测量精度会越高。
 
 
MS200 VS MS400 
 
 
T50-P VS T20-P 
 
 
 
四、频率VS便携性
 
      对用户而言,单纯追求性能指标并不合理,随着多波束测深系统的应用越来越广泛,在满足一定性能指标的前提下,设备的便携性很多时候是非常重要的。
 
      影响设备便携性的因素很多,包括电子系统体积、处理系统体积、辅助传感器的集成度等,但一个主要因素是换能器的尺寸。上一节中我们通过表格对比可以看到,在确保不大于1°接收波束角的前提下,400kHz主频以上的多波束测深系统具有更小的换能器尺寸(小于20cm),如果配合先进的电路和结构设计,整体换能器尺寸可以控制在35cm以内或更小,更具备便携式特点。
 
 
 
      通过上述分析,小卓为针对用户的使用场景不同,整理了三种主要的多波束指标配置,供大家参考。
 
      通用型浅水多波束配置:工作频率400kHz左右,测深范围0.2~150米,发射、接收波束角不大于1°,接收换能器尺寸不大于330cm,发射换能器尺寸不大于250cm。该配置既能保障性能指标先进,又具备良好的便携性要求,适合我国90%以上内陆水域和近海水下三维地形精细测量使用。 
 
      恶劣环境浅水多波束配置工作频率200kHz左右,测深范围0.5~500米,发射波束角不大于1.5°,接收波束角不大于1°,接收换能器尺寸不大于450cm,发射换能器尺寸不大于300cm。该配置指标先进,牺牲便携性,能够解决大部分水域和恶劣环境使用使用,例如疏浚施工测量、河流入海口测量、黄河下游测量以及大深度测量等。
 
      精细检测浅水多波束配置工作频率400kHz~700kHz左右,测深范围0.2~100米,发射、接收波束角0.5~1°或更小,接收换能器尺寸不大于330cm,发射换能器尺寸不大于250cm。该配置具有更高的分辨率和便携性,适合水质清澈条件下的精细水下三维地形量。
 
      由于多波束测深系统各参数的计算涉及到相对复杂的公式,同时各参数的确定也是相互平衡的结果,因此本文更多是结论性内容,有不妥之处请大家批评指正。
    (本篇文章转自海卓同创)
 
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