測深儀工作原理與安裝

1、測深儀工作原理及其安裝測深儀工作原理及其安裝 演講者：蔡鵬演講者：蔡鵬 回聲測深儀測深原理 1、水聲學(xué)概述： 水聲學(xué)是近代聲學(xué)一個很重要的分支，它 是研究水中聲波的發(fā)射、傳播、接收規(guī)律 的科學(xué)。聲波作為一種波，其運(yùn)動規(guī)律符 合波動理論，具有反射、折射、透射 、散 射、衍射、干涉和多普勒效應(yīng)等現(xiàn)象。在 水媒質(zhì)中以聲波的傳播性能為最佳，而無 線電波和光波在水中傳播都要受到嚴(yán)重的 衰減，因此不能有效傳遞信息。 3 作為聲波的傳播通道，水體及其邊界 具有十分復(fù)雜和多變的特性，這使得 聲波在水中傳播也十分復(fù)雜和多變。 2、聲納： 聲納（sonar）愿意為用聲音進(jìn)行水 下定位和測距(sound Navig

2、ation Ranging).今天聲納這個詞含義已超出 原來的定義，泛指水聲儀器。 4 3、水中聲速 回聲儀通過測量超聲波以已知速度， 從一個已知點(diǎn)（測船）到反射表明 （水底）并返回所需的傳播時間來測 定水深。為了準(zhǔn)確的測量水深，必須 確定正確的聲速，而聲速主要和水的 鹽度、溫度和深度（壓力）有關(guān)。見 圖表： 5 典型海洋聲速剖面圖 深部等溫層深部等溫層 永久性溫躍層永久性溫躍層 季節(jié)性溫躍層季節(jié)性溫躍層 表面層表面層 6 影響聲速的三個關(guān)鍵因素： 1、鹽度變 1ppt = 聲速約變 1.3 m/s 2、溫度變 1C = 聲速約變 3 m/s 3、壓力 ：165米深度變化的影響相 當(dāng)于溫度變1

3、C 7 水中聲速表 Sound velocity (at surface) 1400 1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 05101520253035 Temperature (degrees C) Velocity (m/sec) 0 ppt 5 ppt 10 ppt 15 ppt 20 ppt 25 ppt 30 ppt 35 ppt 8 聲波在水中的傳播 水體及其邊界形成了極其復(fù)雜的聲音 傳播媒介。信號的衰減、干擾和來自 邊界及水體中的一些成分的相互作用 會造成聲源的延遲、畸變、減弱和丟 失。聲波在水體中傳播時，其強(qiáng)度隨 傳播舉例的增加而減弱的

4、現(xiàn)象稱為衰 減。按其原因可將衰減分為三類：擴(kuò) 散衰減、吸收衰減和散射衰減。 9 1、擴(kuò)散衰減 擴(kuò)散衰減指聲波傳播中因波陣面得面 積擴(kuò)大導(dǎo)致的聲強(qiáng)減弱的現(xiàn)象。由于 測深儀的聲源輻射為球面波，故其聲 強(qiáng)是隨傳播距離的平方而減少的，一 般情況下傳播的距離每增加一倍，則 聲強(qiáng)損失6dB. 10 測深儀接收到聲波其傳播距離實(shí)際上 是水深的兩倍，衰減很大，通常測深 儀都設(shè)有時變增益（Time Varied Gain簡稱TVG）電路來補(bǔ)償信號的擴(kuò) 散衰減，TVG放大器對回波信號的增 益隨傳播時間的增加而增加。 11 12 2、吸收衰減 聲波的吸收衰減來自兩方面：水體和 海底。水體的吸收衰減主要原因是水 分子

5、粘滯性和熱傳導(dǎo)性。分子方面， 吸收主要與頻率有關(guān)。例如：在高頻 500KHZ時，水體的吸收衰減為 0.14dB/m;而頻率降低到50HZ時，衰 減只有0.014dB/m。當(dāng)選擇換能器時， 主要應(yīng)滿足指定深度標(biāo)準(zhǔn)。 13 3、散射衰減 聲波在水體中傳播時，因碰到另外一種媒 介組成的障礙(如泥沙、氣泡、微生物、以 及溫變曾等）而向不同方向產(chǎn)生散射（或 稱亂反射）從而導(dǎo)致聲波減弱的現(xiàn)象，統(tǒng) 稱為散射衰減。散射衰減也很復(fù)雜，它既 與水體的性質(zhì)、狀況有關(guān)，又與障礙物的 性質(zhì)、形狀、尺寸及數(shù)目有關(guān)。一般來說， 泥沙的散射系數(shù)，在半徑一定時與頻率的4 次方成正比，而在頻率一定時，與半徑的6 次方成正比。 1

6、4 所以一般測深儀都設(shè)有門限電路（GATE）， 通過調(diào)整門限，將非水底造成的回波拒之 門外。在設(shè)計和選擇測深儀時，除采取電 路措施外，也選擇合適的頻率。一般對于 深水、渾水、軟底水域測深，應(yīng)選用低頻 （低于50KHZ）大功率換能器。但頻率越 低，精度越低，其換能器體積也越大，波 束角開角也越大，更笨重，造價也越高。 同樣，較淺的清水硬底水域測深，可選用 高頻（200KHZ）換能器 15 噪聲 噪聲是一種不需要的聲音，它能干擾 測深儀的正常運(yùn)行，噪聲不是發(fā)射聲 脈沖產(chǎn)生的，而是來自船體和水中的 噪聲源。噪聲可分為自生噪聲和環(huán)境 噪聲。 對噪聲的分析可知道我們正確選擇儀 器的安裝位置和使用方式，當(dāng)

7、然也有 利于我們設(shè)計和使用儀器內(nèi)部的各種 濾波器來消除各種噪聲的干擾。 16 自生噪聲 自生噪聲是由船上發(fā)聲部件、電器和 換能器周圍的亂流，包括水流和氣泡 引起的噪聲。 17 機(jī)械噪音和其他聲納系統(tǒng)是船上自生 噪音的主要成分，最顯著的事船只的 動力系統(tǒng)，包括主引擎、發(fā)電機(jī)和推 進(jìn)器。減少這些噪聲的唯一方法就是 選擇合適的換能器頻率，并遠(yuǎn)離噪聲 源安裝。一般來說，這些噪音源的頻 率小于換能器的頻率。但某些機(jī)械和 電器設(shè)備產(chǎn)生的聲音會進(jìn)入超聲范圍 （15KHZ以上），能對聲納系統(tǒng)造成 破壞性影響。 18 水流和氣泡也會產(chǎn)生噪聲。對一般的 回聲測深來說，水流噪音、氣泡噪音 比其他噪音源更為麻煩。水流

8、噪音是 當(dāng)換能器與它周圍的水體之間產(chǎn)生相 對運(yùn)動時產(chǎn)生的，黨流速增加時，換 能器和水之間的阻力增加，造成了湍 流的增加，所以與船速有直接關(guān)系， 一般都有一個速度門限。 19 空化是由于換能器表面的靜壓減少到 使水達(dá)到“沸騰”的現(xiàn)象，這也是一 種噪聲源。而且空化也可能發(fā)生在船 只的推進(jìn)器上，所以安裝換能器時， 一定要遠(yuǎn)離類似的裝置。 20 環(huán)境噪聲 環(huán)境噪聲是自然或人類活動引起的。 從回聲測深的角度來看，明顯的噪音 源包括水動力噪聲、海洋交通和發(fā)聲 生物。 21 水動力噪聲來自自然現(xiàn)象，例如：風(fēng)、 浪、雨或水流。其強(qiáng)度變化很大，與 江河湖海的狀況密切相關(guān)。在劇烈的 暴風(fēng)雨中，水動力噪音可能使發(fā)送

9、的 信號難以接收。 海洋交通噪音取決于船只的數(shù)量、噪 音源的遠(yuǎn)近和水質(zhì)熱變及狀態(tài)造成的 水流傳播條件。 22 生物噪音產(chǎn)生的包括水生物，例如蝦、 魚和鯨，成群的貝類和甲殼類動物的 運(yùn)動也會造成非常大的噪聲 23 測深器具介紹 在水深測量中，常用的測深器具有三種： 測深錘、測深桿和測深儀測深錘、測深桿和測深儀 在水域面積大、水深流急、水下 地形復(fù)雜的情況下通常使用測深儀 進(jìn)行水深測量， 如航道水深測量、海 圖水深測量，港口水深測量等。 24 測深儀的種類、型號很多，常見的有 記錄式、數(shù)字式的測深儀，除此之外， 還有雙頻測深儀、大面積掃描測深儀、 多波束測深儀。由于微電子技術(shù)的飛 躍發(fā)展，以微機(jī)處

10、理為中心的控制技 術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)也已應(yīng)用到測深 儀技術(shù)之中 測深儀的分類 25 測深儀的分類 1、按顯示方式分類、按顯示方式分類 (1)記錄式 單筆記錄式、多筆記錄式 (2)閃光顯示式 早期產(chǎn)品巳淘汰 (3)數(shù)字顯示式 發(fā)光兩極管顯示、液晶顯示、 數(shù)碼管顯示 (4)顯示器顯示式 黑自顯示、彩色顯示 (5)數(shù)據(jù)打印式及組合式 2、按測深范圍分類、按測深范圍分類 (1)淺水測深儀 水深在100米以內(nèi) (2)中水深測深儀 水深在100米 400米內(nèi) (3)深水測深儀 水深大于400米 3、按用途分類、按用途分類 (1)航道測量測深儀 (2)助航測深儀 (3)工程測深儀 (4)軍用測深儀 26 回聲

11、測深儀組成 激發(fā)器在終端顯示裝置的 控制下，周期性地產(chǎn)生超聲頻 脈沖，通過換能器轉(zhuǎn)換成有指 向性的超聲波脈沖向水底射， 聲脈沖經(jīng)水介質(zhì)傳播到水底。 一部分能量從水底反射回 到換能器，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成電 信號送至接收機(jī)，再經(jīng)放大器 將信號加以放大，變換，供終 端顯示。 終端顯示裝置的功能是一 方面控制發(fā)射機(jī)周期性地產(chǎn)生 振蕩脈沖， 另一方面將接收回 波信號相對于發(fā)射脈沖的延時 時間， 自動轉(zhuǎn)換成深度數(shù)據(jù)。 換能器 記錄顯示設(shè)備 激發(fā)器電源設(shè)備放大器 海面 海 底 27 測深儀工作原理測深儀工作原理 假設(shè)聲波在水中的傳播水面速度為V，當(dāng)在換能器探頭加窄 脈沖聲波信號，聲波經(jīng)探頭發(fā)射到水底，并由水底反

12、射回到 探頭被接收，測得聲波信號往返行程所經(jīng)歷的時間為t，則： Z = Vt 28 水底信號識別技術(shù)水底信號識別技術(shù) 雖然回深測深的原理很簡單，但水中的情況卻是雖然回深測深的原理很簡單，但水中的情況卻是 很復(fù)雜的，有干擾回波、有魚群出沒或雜物的回很復(fù)雜的，有干擾回波、有魚群出沒或雜物的回 波，水底的反射條件各不相同，在淺水區(qū)還有可波，水底的反射條件各不相同，在淺水區(qū)還有可 能出現(xiàn)二次、三次回波，如何從眾多的雜波中跟能出現(xiàn)二次、三次回波，如何從眾多的雜波中跟 蹤得到真正的水底回波信號，需要采用相關(guān)的技蹤得到真正的水底回波信號，需要采用相關(guān)的技 術(shù)。術(shù)。 1、水底門跟蹤技術(shù)（也叫時間門跟蹤技術(shù)）、

13、水底門跟蹤技術(shù)（也叫時間門跟蹤技術(shù)） 由于水底的變化是比較平緩的，兩次測深之間由于水底的變化是比較平緩的，兩次測深之間 （約（約0.1秒），水深變化不會太大，我們假定二次秒），水深變化不會太大，我們假定二次 深度的變化量為深度的變化量為10%,則我們就在上次正確回波則我們就在上次正確回波 時刻前時刻前10%Z到后到后10%Z開一道時間門，只有開一道時間門，只有 在時間門內(nèi)的回波我們才認(rèn)為是正確的回波，這在時間門內(nèi)的回波我們才認(rèn)為是正確的回波，這 10%就叫時間門寬度，一旦時間門內(nèi)沒有回波，就叫時間門寬度，一旦時間門內(nèi)沒有回波， 就逐漸擴(kuò)大時間門直至全程搜索回波，直到重新就逐漸擴(kuò)大時間門直至全程

14、搜索回波，直到重新 捕獲正確的回波。捕獲正確的回波。 29 2、脈寬選擇、脈寬選擇 對于大多數(shù)情況來說，水底面的回波脈沖寬度是對于大多數(shù)情況來說，水底面的回波脈沖寬度是 最大的，而干擾信號和二次回波的脈沖寬度相對最大的，而干擾信號和二次回波的脈沖寬度相對 要小，脈寬選擇就是識別最大脈沖寬度的脈沖作要小，脈寬選擇就是識別最大脈沖寬度的脈沖作 為正確回波信號，當(dāng)然還要配合時間門一起來識為正確回波信號，當(dāng)然還要配合時間門一起來識 別。別。 3、信號門檻、信號門檻 如果你的測區(qū)或環(huán)境有較多的干擾，你可以把信如果你的測區(qū)或環(huán)境有較多的干擾，你可以把信 號門檻設(shè)置增大，把信號門檻提高就可以把干擾號門檻設(shè)置

15、增大，把信號門檻提高就可以把干擾 信號慮除掉。但是信號門檻也不能過大，過大有信號慮除掉。但是信號門檻也不能過大，過大有 可能把較弱的回波信號也慮除掉，門檻的不同會可能把較弱的回波信號也慮除掉，門檻的不同會 在一定程度上影響測深精度，所以適當(dāng)?shù)倪x取合在一定程度上影響測深精度，所以適當(dāng)?shù)倪x取合 適的信號門檻對于抑制干擾，穩(wěn)定跟蹤有好處。適的信號門檻對于抑制干擾，穩(wěn)定跟蹤有好處。 30 4、自動增益控制、自動增益控制 自動增益控制技術(shù)可以根據(jù)測量回波脈沖的信號自動增益控制技術(shù)可以根據(jù)測量回波脈沖的信號 的強(qiáng)度，回波信號過強(qiáng)時自動控制接收放大電路的強(qiáng)度，回波信號過強(qiáng)時自動控制接收放大電路 降低增以防止

16、干擾信號過多。當(dāng)回波信號幅度過降低增以防止干擾信號過多。當(dāng)回波信號幅度過 小時，自動控制接收放大電路提高增益，以接收小時，自動控制接收放大電路提高增益，以接收 回波。自動增益范圍的大小是衡量接收通道性能回波。自動增益范圍的大小是衡量接收通道性能 的關(guān)鍵，中海達(dá)測深儀接收增益控制范圍為的關(guān)鍵，中海達(dá)測深儀接收增益控制范圍為90Db， 可以使用自動增益或手動增益可以使用自動增益或手動增益 5、時間增益控制（、時間增益控制（TVG） 聲波在水中傳播時，聲強(qiáng)按指數(shù)規(guī)律衰減，為保聲波在水中傳播時，聲強(qiáng)按指數(shù)規(guī)律衰減，為保 持信號幅度的持信號幅度的 平穩(wěn)，平穩(wěn)，TVG將控制接收放大器按相反的規(guī)律增長將控制

17、接收放大器按相反的規(guī)律增長 放大倍數(shù)，這就是時間增益控制。放大倍數(shù)，這就是時間增益控制。 31 測深儀的安裝 換能器的安裝要求換能器的安裝要求 .1換能器應(yīng)安裝在船底振動最小、在航行時不換能器應(yīng)安裝在船底振動最小、在航行時不 形成渦流和空氣泡之處，并應(yīng)盡量遠(yuǎn)離船體產(chǎn)生形成渦流和空氣泡之處，并應(yīng)盡量遠(yuǎn)離船體產(chǎn)生 干擾的機(jī)械設(shè)備和產(chǎn)生電干擾的干擾的機(jī)械設(shè)備和產(chǎn)生電干擾的電器電器設(shè)備。安裝設(shè)備。安裝 位置的周圍，不應(yīng)有突出物并要遠(yuǎn)離排水或進(jìn)水位置的周圍，不應(yīng)有突出物并要遠(yuǎn)離排水或進(jìn)水 口。口。 .2換能器應(yīng)安裝在船體線型傾斜最小之處，使換能器應(yīng)安裝在船體線型傾斜最小之處，使 換能器的工作面與船體外殼

18、在同一平面上。如果換能器的工作面與船體外殼在同一平面上。如果 安裝在船體曲度較大之處，應(yīng)加裝導(dǎo)流板，以保安裝在船體曲度較大之處，應(yīng)加裝導(dǎo)流板，以保 證航行時換能器周圍的水流均勻。證航行時換能器周圍的水流均勻。 .3發(fā)射換能器與接收換能器應(yīng)安裝在同一水平發(fā)射換能器與接收換能器應(yīng)安裝在同一水平 面，兩換能器的工作面的船舶不傾斜時，應(yīng)平行面，兩換能器的工作面的船舶不傾斜時，應(yīng)平行 于水平面，對水平面的傾斜角不得大于于水平面，對水平面的傾斜角不得大于+3。 32 4、換能器的安裝不應(yīng)影響船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和水密、換能器的安裝不應(yīng)影響船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和水密 性能，必要時應(yīng)采用加強(qiáng)板或水密隔層，并應(yīng)進(jìn)性能，必要時應(yīng)采用加強(qiáng)板或水密隔層，并應(yīng)進(jìn) 行水密試驗(yàn)。行水密試驗(yàn)。 5、在油船上安裝換能器時，應(yīng)有專門的氣密艙室、在油船上安裝換能器時，應(yīng)有專門的氣密艙室 或圍井。其他船舶也應(yīng)盡可能設(shè)置專門的艙室或或圍井。其他船舶也應(yīng)盡可能設(shè)置專門的艙室或 圍井，這些艙室或圍井應(yīng)設(shè)有人孔和留有足夠的圍井，這些艙室或圍井應(yīng)設(shè)有人孔和留有足夠的 位置，以便進(jìn)行安裝與維修。位置，