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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?. Amplitudes and Phases. 反射還是散射?. 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 Simulation. 連續收錄的海床散射音訊 Real Stuff In 2000. Where the signal comes from?. Not always right beneath!. We need a laser gun!.

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Presentation Transcript
slide1

聲納新科技漫談

張逸中

2008/8/25

於海科中心

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我們在量測什麼?

Amplitudes and Phases

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反射還是散射?

Scattering or Reflection

slide4

聲納音場模擬

Beam Pattern

Main Lobe

Side Lobes

slide5

有限長度波串

的海床反應

Simulation

連續收錄的海床散射音訊

Real Stuff

In 2000

where the signal comes from
Where the signal comes from?

Not always right beneath!

we need a laser gun
We need a laser gun!

Then we will know where we had shot.

one laser is not enough
One laser is not enough!

Idea of “Multi-beam”

→ Swath:(鐮刀或割草機)收割的寬度

slide11

當我們希望『火力集中』時我們使用長的縱向槍管,當我們希望『火力集中』時我們使用長的縱向槍管,

但是希望聲波集中時,是將聲源『橫向展開』!

slide13

Nothing is perfect, main and side lobes.

More sonar elements in an array, higher directivity obtained

slide14

Hydrophones are also:

The more the better!

slide15

Wrong direction

Wrong phase

Signal diminished

Beam width (pattern)

Is for both

Transmitting

And

Receiving

beam steering
Beam Steering

↑行程差 (Path Difference)

↑像位差 (Phase Difference)

Systematical

Time (or phase) shift

Of the receiving signals

sidescan multi beam
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
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
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:A>>B
  • 此技術可增加延航線方向的解析度,對SS幫助很大!

垂直航向(解析度A)→

↑延航線(解析度B)

interferometer mb
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 beam steering mb
Interferometer (IMF) 與Beam Steering MB的差異:
  • IFM:計算兩個頻道『各時段目標點』的相位差以決定其方向。
  • MB:Beam Steering
    • 以不同的相位差疊加算出數十個特定方向的時間序列(頻道)
    • 決定該方向水深(撞擊)點
  • 實體接收頻道(sonar arrays)數 MB>>IFM
  • 輸出水深點數IFM>>MB (~1000 vs. 100)
  • IFM常被稱為窮人的MB
mb ifm best solution
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MB>IFM,但IFM運算法可補足MB外側無法測量的缺點。
slide28
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。
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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
slide30
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