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超聲波換能器：什么頻率的多波束適合您使用[安布雷拉]
[點(diǎn)擊量：4719][來源：安布雷拉超聲波 · 中國已服務(wù)中小企業(yè)8千家]
2019-05-28
超聲波換能器：什么頻率的多波束適合您使用？多波束測(cè)深系統(tǒng)本質(zhì)上屬于探測(cè)類聲納系統(tǒng)，工作頻率直接影響著其他工作參數(shù)，是聲納系統(tǒng)最為重要的技術(shù)指標(biāo)，所以，選擇什么頻率的多波束，是產(chǎn)品選型工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
小卓刪繁就簡(jiǎn)，從使用環(huán)境、測(cè)深范圍、測(cè)量精度以及便攜性等四個(gè)主要方面來整理闡述頻率的選擇問題。畢竟多波束是一套復(fù)雜高端的系統(tǒng)，如果您以前了解的不多，邀請(qǐng)您一定要看一遍啊~
正文之前先明確兩個(gè)水聲學(xué)基本常識(shí)：
①在相同發(fā)射功率下，聲納工作頻率越低則能夠探測(cè)的距離越遠(yuǎn)；
②在同等波束角度的情況下，聲納工作頻率越低，換能器的尺寸越大。
一、頻率VS使用環(huán)境
水文環(huán)境是首要考慮的問題，一般情況下，如果您大部分時(shí)間是在疏浚過程中進(jìn)行測(cè)量或者所測(cè)量水域的渾濁度較高，那么選擇相對(duì)較低的工作頻率比較適合，例如200kHz的工作頻率；在水質(zhì)清澈度很高的情況，為了得到更高的分辨率，也能夠使用600kHz~700kHz的工作頻率；除此之外，在國內(nèi)的大部分水域的水質(zhì)情況下，選擇使用200kHz~400kHz左右的工作頻率更為合適。
二、頻率VS測(cè)深范圍
多波束測(cè)深系統(tǒng)的主要目的就是高精度的水深測(cè)量，因此測(cè)深范圍是一個(gè)重要參數(shù)，按照國際上的通用定義，淺水多波束測(cè)深系統(tǒng)主要用于500米以淺的水深范圍。
通常情況下，技術(shù)成熟的多波束測(cè)深系統(tǒng)在200kHz工作主頻下，最大測(cè)深應(yīng)能達(dá)到500米或更深；400kHz工作主頻下應(yīng)能達(dá)到150米或更深；700kHz主頻下應(yīng)能達(dá)到50米或更深。而實(shí)際測(cè)深深度將會(huì)受到水文環(huán)境的影響。
同時(shí)，能否解決淺水測(cè)量也是需要考慮的一個(gè)方面。通常情況下，由于近場(chǎng)效應(yīng)的影響，頻率越高的聲納測(cè)淺的能力越強(qiáng)，200kHz的多波束測(cè)淺應(yīng)能達(dá)到0.5米、400kHz的多波束測(cè)淺應(yīng)能達(dá)到0.2米、700kHz的多波束應(yīng)能達(dá)到0.1米，以保證多波束測(cè)深系統(tǒng)在淺水環(huán)境下的使用效果。
三、頻率VS測(cè)量精度
多波束系統(tǒng)的測(cè)量精度除了先進(jìn)的信號(hào)處理算法保證外，更重要的是由發(fā)射波束角、接收波束角和信號(hào)脈寬三個(gè)因素影響。其中，發(fā)射波束角和接收波束角可以統(tǒng)稱為波束角，波束角決定多波束的角度分辨率，信號(hào)脈寬決定著多波束的距離分辨率，兩者綜合決定了多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)量精度。
對(duì)于直線陣而言，波束角與工作頻率、換能器尺寸存在著固定的關(guān)系，如下表給出三個(gè)典型頻率下的波束角與換能器尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系：
從現(xiàn)有的多波束測(cè)量精度要求看，如果需要對(duì)水下三維地形進(jìn)行精細(xì)掃測(cè)，接收波束角不應(yīng)大于1°，發(fā)射波束角不應(yīng)大于1.5°，否則只能用于相對(duì)粗略的水下地形掃測(cè)。因此在確定的換能器尺寸情況下，頻率越高，角度的分辨率越高。
在CW信號(hào)體制下信號(hào)脈寬越窄距離分辨率越高，而頻率越高能夠?qū)崿F(xiàn)越窄的脈寬，距離分辨率越高；在LFM信號(hào)體制下，距離分辨率取決于信號(hào)的帶寬，而頻率越高可用的帶寬相對(duì)越寬，距離分辨率越高。因此，從測(cè)量精度考慮，頻率越高測(cè)量精度會(huì)越高。
MS200 VS MS400
T50-P VS T20-P
四、頻率VS便攜性
對(duì)用戶而言，單純追求性能指標(biāo)并不合理，隨著多波束測(cè)深系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，在滿足一定性能指標(biāo)的前提下，設(shè)備的便攜性很多時(shí)候是非常重要的。
影響設(shè)備便攜性的因素很多，包括電子系統(tǒng)體積、處理系統(tǒng)體積、輔助傳感器的集成度等，但一個(gè)主要因素是換能器的尺寸。上一節(jié)中我們通過表格對(duì)比可以看到，在確保不大于1°接收波束角的前提下，400kHz主頻以上的多波束測(cè)深系統(tǒng)具有更小的換能器尺寸（小于20cm），如果配合先進(jìn)的電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整體換能器尺寸可以控制在35cm以內(nèi)或更小，更具備便攜式特點(diǎn)。
通過上述分析，小卓為針對(duì)用戶的使用場(chǎng)景不同，整理了三種主要的多波束指標(biāo)配置，供大家參考。
通用型淺水多波束配置：工作頻率400kHz左右，測(cè)深范圍0.2~150米，發(fā)射、接收波束角不大于1°，接收換能器尺寸不大于330cm，發(fā)射換能器尺寸不大于250cm。該配置既能保障性能指標(biāo)先進(jìn)，又具備良好的便攜性要求，適合我國90%以上內(nèi)陸水域和近海水下三維地形精細(xì)測(cè)量使用。
惡劣環(huán)境淺水多波束配置：工作頻率200kHz左右，測(cè)深范圍0.5~500米，發(fā)射波束角不大于1.5°，接收波束角不大于1°，接收換能器尺寸不大于450cm，發(fā)射換能器尺寸不大于300cm。該配置指標(biāo)先進(jìn)，犧牲便攜性，能夠解決大部分水域和惡劣環(huán)境使用使用，例如疏浚施工測(cè)量、河流入海口測(cè)量、黃河下游測(cè)量以及大深度測(cè)量等。
精細(xì)檢測(cè)淺水多波束配置：工作頻率400kHz~700kHz左右，測(cè)深范圍0.2~100米，發(fā)射、接收波束角0.5~1°或更小，接收換能器尺寸不大于330cm，發(fā)射換能器尺寸不大于250cm。該配置具有更高的分辨率和便攜性，適合水質(zhì)清澈條件下的精細(xì)水下三維地形量。
由于多波束測(cè)深系統(tǒng)各參數(shù)的計(jì)算涉及到相對(duì)復(fù)雜的公式，同時(shí)各參數(shù)的確定也是相互平衡的結(jié)果，因此本文更多是結(jié)論性內(nèi)容，有不妥之處請(qǐng)大家批評(píng)指正。
（本篇文章轉(zhuǎn)自海卓同創(chuàng)）
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