声呐相关实验.docx

专业实验——声学部分实验指导实验 1 侧扫声呐实验 实验目的1. 掌握侧扫声呐的工作原理2. 学习侧扫声呐的使用方法3. 测量校区附近特定水域的地形地貌，并分析 实验原理1．侧扫声呐原理侧扫声呐的基本工作原理与侧视雷达类似，侧扫声呐左右各安装一条换 能器线阵，首先发射一个短促的声脉冲，声波按球面波方式向外传播，碰到 海底或水中物体会产生散射，其中的反向散射波（也叫回波）会按原传播路 线返回换能器被换能器接收，经换能器转换成一系列电脉冲一般情况下，硬的、粗糙的、凸起的海底，回波强；软的、平滑的、凹 陷的海底回波弱，被遮挡的海底不产生回波，距离越远回波越弱将每一发射周期的接收数据一线接一线地纵向排列，显示在显示器上， 就构成了二维海底地貌声图声图平面和海底平面成逐点映射关系，声图的 亮度包涵了海底的特征2 点位于声呐的正下方，回波是很强的正发射波；4、 5、6回波较强，6的回波先到换能器，然后是第5 点，第6 点6、7点没有 回波，产生阴影区侧扫声呐有三个突出的特点：一是分辨率高，二是能得到连续的二维海底图像，三是价格较低其应用主要有海洋测绘和海洋地质调查（1） 海洋测绘 侧扫声呐可以显示微地貌形态和分布，可以得到连续的有一定宽度的二 维海底声图，而且还可能做到全覆盖不漏测，这是测深仪和条带测深仪所不 能替代的，所以港口、重要航道、重要海区，都要经过侧扫声呐测量。

2）海洋地质调查 侧扫声呐的海底声图可以显示出地质形态构造和底质的大概分类，尤其 是巨型侧扫声呐，可以显示出洋脊和海底火山，是研究地球大地构造和板块 运动的有力手段2．侧扫声呐参数说明1）、工作频率侧扫声呐一般工作在50 kHz-1. 2 MHz较低的工作频率可以有较大的探 测距离，而较高的工作频率能在有限长度的传感器尺寸下得到高的角度分辨 力一般100 kHz左右的声呐作用距离可达600 m, 500 kHz左右的声呐工作 距离为150 m左右2） 、传播损失传播损失TL （dB>:水声传播损失主要计及球面拓展损失和吸收损失TL =201gr + 10ar -3（dB）,设最大探测距离150 m,当频率较高时，海水的吸收 衰减比较大，根据 Fisher-Simmons 吸收系数计算公式图表查得:频率为 455 kHz 时，a =120 dB/km，所以传播损失双程 2TL -120 dB （455 kHz）3） 、脉冲宽度一般设计为50-200PS4） 、指向性 DI: 换能阵列设计为一发多收，即用一个指向性较宽的发射波束照射目标，用多个平行窄指向性接收波束接受目标回波5） 、脉冲类型侧扫声呐发射脉冲形式主要有CW脉冲（单频矩形脉冲信号）和Chirp脉 冲（调频脉冲）两种。

CW信号波形为正弦波形，其频率⑴和脉冲持续时间（T） 固定（通常为0.1 ms-10ms，则相邻两信号可被区分开的最小距离为CT/2（C为 声速），即该信号类型决定了系统空间分辨率当前侧扫系统大多采用 Chirp 信号，该信号是一种频率随时间线性增加（线性调频）的余弦波二、 设备、仪器以及量具三、 实验步骤1、对实验系统进行电路连接，如图所示❹—OR—❺2、 连接GPS设备3、 确保 starfish 电路和通信接口连接无误，并用额外的绳子系在 starfish 上（确保设备不会脱落，同时保护设备自身的缆线）4、 用竹竿（避免河岸或栏杆对缆线和绳子的直接摩擦）把 starfish 放入水 中5、 打开电脑程序，完成相应设置获取 GPS 信号，平稳地拖动 starfish 在 水中滑行，同时电脑程序开始扫描，开始保存视频四、 实验数据处理实验 2数字成像声呐实验、 实验目的：1. 掌握数字成像声呐的工作原理2. 学习数字成像声呐的使用方法3. 测量校区附近特定水域的水体情况二、 实验原理1．数字成像声呐的简介本声呐为多频声呐，仅用这一个仪器就可以生成非常精细的全范围图像， 881A 是一个可编程的多频教字成像声呐，可以使用默认操作频率设置或根据自 己的情况自定义配置。

本声呐具有高性能，低成本、低功耗、安装简单等优点， 可以完美适用于不同尺寸和功能的ROV,也可以适用于AUV或UUV2. 数字成像声呐的功能数字成像声呐能够把水中的物体投影成像在地面上,根据图像的明暗可以判 断物体的位置及尺寸本声呐扫描频率可调,可以设置其扫描范围在1-200 米直接变化,根据需要(m)Fi'eqiifracyAb^oipii^nPulsf L*DgtbPolar XlndfVnl^ Length (屈 SfrtQi Sidesraii11GQ00曲却m21000■'I fl20in3ldOO■ !：■2010斗lowI !；idin5101X10.-660.：h106730 260.-n加&片0.21CW301.■ 2160:H40厂22011050厂％V260-606750.2520:«l806750.242021010067502MO2-!l15031Q(Mfioom：i2003100.1im3.软件使用：软件需要设置的部分在下表中列出了需要针对实际位置来设定参数SOFTWARE SPECIFICATIONS:Win881A.exeWINDOWS™ OPERATING SYSTEMWWMtoWB™XP, VMa.7, $, IQMODESSector, Polar and Side ScanRANGE SCALES1 m.2 m. 3 m. 4in, 5m. 10 m. 20 m. 30 m. <0 m.50 m . 60 m p SD m, 100 m 150 叫 200 mTRAIN ANGLESContlriuau? rotaiicn,护 ineremerilaSECTOR SIZE.SECTOR MODE POLAR MODE(F ■ 1S05, 3- incrementsCT - 3573.. 3° Incremeiils. nr Continuaus rolalionSTEP SIZESSiq^(0.3°}, Me^iurn(0.6n)h F^$t [口.护h (i,2njhFastest [2們GRID TYPESPolar and rectangularfile format(HlenameyBI aRECOMMENDEO MINIMUM COMPUTER REQUREMENTS:100 MHz Penlium16 MB RAM1 G6 Hard 口 is ItBOD x 600 x 256 cck)ur graphics三、 设备、仪器以及量具四、 实验步骤1、连接数字成像声呐与电脑，连接数字成像声呐与电源（确保电路和通 信接口连接无误及扫描镜头无遮挡，并用额外的绳子系在数字成像声 呐设备上）。

2、选定有可识别对象的扫描范围（选择识别的对象最好是表面粗糙形状 特殊易识别的物体），选定位置后，用竹竿将数字成像声呐平稳地放入水中并固定不动3、打开软件，对软件进行设置，分析并保存扫描图像五、 实验图像分析实验 3水下定位及通信实验一、 实验目的：1. 掌握超短基线水下定位的工作原理2. 掌握水下通信的方式3. 在特定水域进行定位并验证通信功能二、 实验原理1. 超短基线水下定位系统原理超短基线定位系统由发射基阵、应答器和接收基阵组成收发基阵安装在同 一个探头上，应答器固定在水下拖体上系统通过测定声单元的相位差来确定换能器到目标的相对方位角；换能器与 目标的距离通过测定声波传播的时间（声头和应答器可以通过询问和应答方式测 量往返时间，也可以由电缆连接测量单程时间），再用声速剖面修正波束线，最 终确定声基阵与水下拖体目标的相对距离，从而确定目标的相对位置要确定目标的绝对位置，还需要知道声基阵的位置、姿态以及船艏方向，这 些参数可以由GPS、运动传感器（MRU）或电罗经提供然后是确定目标在声 头坐标系中的位置Y星阵探头声基阵坐标系X2. 水声通信原理水声通信，简而言之就是利用水为传播媒介，通过声音吧信息传输到目标地 并在目标地将信息还原的一个过程。

信源转换器将信息转换成发送器能识别和接受的信号，并将该信号传输给发 送器，发送器将该信号进行声学调制通过放大器将信号放大并进行滤波调节后发 送到声学传输通道中当接收器收到声学信号后，开始进行相关的滤波，去除噪 声，识别有用信号，然后进行放大传输给信宿转换器，再由信宿转换器将该信号 转换成人能识别的信号，即信号还原在整个过程中，声学信道的特性将决定发 送器、接收器、传播特性等整个通信的特性三、设备、仪器以及量具四、实验步骤。