现在也用於侧扫声纳SS.PPTVIP

聲納新科技漫談 張逸中 2008/8/25 於海科中心 我們在量測什麼？ 反射還是散射？ Where the signal comes from? We need a laser gun! What is the “footprint” of sonar? One laser is not enough! Beam Steering Multi-beam receiverNot projector! Projector Mills Cross Sidescan Multi-beam 聲納體 SS：兩個平行陣列，同時負責收與發 MB：收發陣列互相垂直 發射訊號方式→相同 接收訊號方式： SS：兩個頻道 MB：約100頻道，各頻道交叉做Beam Steering運算 資訊差異 SS：空間解析度較高，但方向解析度極低(~45度) MB：空間解析度較低，但方向解析度極高(~1度) 用途： SS：取得高空間解析度影像 MB：取得精確地形 Synthetic Aperture 以不同次發射的訊號模擬一發多收，造成長陣列接收效果。 以時間換取空間的資料接收與處理方式。 Beam width 變小，延航線解析度大增。 Synthetic Aperture for Sonar 原使用於空載雷達的科技，現在也用於側掃聲納(SS)。 連續發射的訊號覆蓋區重疊時，視為同一發射多點接收處理。 對於SS來說： 垂直航向解析度(A)決定於AD速率 延航線方向解析度(B)決定於發射與接收訊號的週期。 通常：AB 此技術可增加延航線方向的解析度，對SS幫助很大！ Interferometer MB? 干涉式多點測深儀(IFM)硬體之架構類似SS，但可以額外提供多點測深的輸出。 有如雙眼產生的立體視覺 Interferometer (IMF) 與Beam Steering MB的差異： MB + IFM = Best Solution IFM 需要目標點的相位差才能正確計算方向 掃描區外側目標鎖定良好，內側極差(盲點) 測量『深-寬比』~ 1:10 MB 需要清晰反射訊號及較小的足印(footprint) 掃描區外側表現差，內側好 測量『深-寬比』~1:4 整體正確率MBIFM，但IFM運算法可補足MB外側無法測量的缺點。 聲納研究前景 聲納受限於物理定律，硬體發展已接近極限 聲納訊號之接收品質、處理方法發展方興未艾。 現在式：更多的頻道接收→資訊交叉處理 空間解析度與精確度大增 未來式：更高的AD品質→頻率域的處理 目標特性資訊的探勘是：海床底質、探測目標之硬度、反射係數等物理性質。 聲納資料處理研究前景依舊看好。 國內聲納研究的幾個問題 海洋學家對聲納原理與技術理解有限，所以： 採購難(規格的理解) 資料處理難(過度仰賴軟體) 系統維護難(仰賴國外原廠) 工科專家之海洋實務性經驗與研究欠缺 理論與實驗室研究多，實機野外應用的研究少 與實用技術水準需求差距仍大，難有市場效應 聲納資料處理(包含影像)之研究極度缺乏 無法正確分析並理解各項探勘成果 阻斷聲納系統整體研發之流程 結論 應正視聲納資料處理研究領域之重要性 應正視聲納研究中科際整合之必要性 須培養兼具海洋及工科知識之跨領域人才 聲納是聲波的收與發的科技，可以量測的是經由壓電材料產生的電壓與訊號的相位。 波線理論的理解不能解釋多數現代化的聲納系統運作 理解聲納必須從聲波的振幅、干涉與能量的空間分不開始。 而且真實的聲納系統是週期性的有限長波串發射 聲波訊號是來自三維空間的，其實你未必知道來自哪個方向！ 除非我們利用干涉原理降低束寬範圍 即使如此不確定性還是隨距離變大 如果聲納其實可以指向側邊，一次只測正下方的資訊就太可惜了！因為出海是很昂貴的活動。 但是製作幾十個高指向性聲納也貴得嚇人，而且機體會太過龐大。 為什麼聲納指向性很重要？ 1.沒有它根本不確定目標位置 2.能量過度浪費在不重要的區域 干涉就是這麼回事！ 線狀聲納陣列產生的甜甜圈型波束，請記得它是3D的 陣列中的聲納元件(獨立聲源)越多，主要波束寬度越窄，指向型越好，但次波束(Side lobes)也越多。 告訴你聲納陣列對於太近的目標探測其實也沒有指向性。 波束寬度的概念一樣適用於接收用的聲納陣列。 訊號方向對、相位一致當然多頻道接收效果相得益彰！ 方向不對時→相位不整齊→陣列各接收頻道訊號相加→產生破壞性干涉→訊號變差。 這表示多頻道訊號疊加可以增強某特定方向訊號，其他方向反而訊號反而被壓制，也就是接收也有束寬範圍。 * * Amplitudes and Phases Scattering or Reflection 聲納音場模擬 Beam Pattern Main Lobe Side Lobes 有限長度波串 的海床反應 Simul