測深儀工作原理與安裝（課堂PPT）

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(gè)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(dòng)規(guī)律符合波動(dòng)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 Navigation Ranging

2、).今天聲納這個(gè)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(gè)已知點(diǎn)（測船）到反射表明（水底）并返回所需的傳播時(shí)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(gè)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1C7水中聲速表Sound velocity (at sur

3、face)14001420144014601480150015201540156005101520253035Temperature (degrees C)Velocity (m/sec)0 ppt5 ppt10 ppt15 ppt20 ppt25 ppt30 ppt35 ppt8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(hào)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(huì)造成聲源的延遲、畸變、減弱和丟失。聲波在水體中傳播時(shí)，其強(qiáng)度隨傳播舉例的增加而減弱的現(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

4、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(shí)變?cè)鲆妫═ime Varied Gain簡稱TVG）電路來補(bǔ)償信號(hào)的擴(kuò)散衰減，TVG放大器對(duì)回波信號(hào)的增益隨傳播時(shí)間的增加而增加。1112 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(shí)，水體的吸收衰減為0.14dB/m;而頻率降低到50HZ時(shí)，衰減只有0.014

5、dB/m。當(dāng)選擇換能器時(shí)，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(shí)，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?cè)龋┒虿煌较虍a(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(shí)與頻率的4次方成正比，而在頻率一定時(shí)，與半徑的6次方成正比。14 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(jì)和選擇測深儀時(shí)，除采取電路措施外，也選擇合適的頻率。一般對(duì)于深水、渾水、軟底水域測深，應(yīng)選

6、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(jià)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(duì)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)然也有利于我們?cè)O(shè)計(jì)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

7、著的事船只的動(dòng)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(huì)進(jìn)入超聲范圍（15KHZ以上），能對(duì)聲納系統(tǒng)造成破壞性影響。18 水流和氣泡也會(huì)產(chǎn)生噪聲。對(duì)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。水流噪音是當(dāng)換能器與它周圍的水體之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的，黨流速增加時(shí)，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(gè)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)

8、生在船只的推進(jìn)器上，所以安裝換能器時(shí)，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(dòng)引起的。從回聲測深的角度來看，明顯的噪音源包括水動(dòng)力噪聲、海洋交通和發(fā)聲生物。21 水動(dòng)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(dòng)力噪音可能使發(fā)送的信號(hào)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(dòng)物的運(yùn)動(dòng)也會(huì)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

9、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(hào)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、

10、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(hào)送至接收機(jī)，再經(jīng)放大器將信號(hào)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(hào)

11、相對(duì)于發(fā)射脈沖的延時(shí)時(shí)間， 自動(dòng)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(hào)，聲波經(jīng)探頭發(fā)射到水底，并由水底反射回到探頭被接收，測得聲波信號(hào)往返行程所經(jīng)歷的時(shí)間為t，則：Z = Vt28水底信號(hào)識(shí)別技術(shù)水底信號(hào)識(shí)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

12、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(hào)，需要采用相關(guān)的技蹤得到真正的水底回波信號(hào)，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(shí)間門跟蹤技術(shù)）、水底門跟蹤技術(shù)（也叫時(shí)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(huì)太大，我們假定二次秒），水深變化不會(huì)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(shí)刻前時(shí)刻前10%Z到后到后10%Z開一道時(shí)間門，只有開一道時(shí)間門，只有在時(shí)間門內(nèi)的回波我們才認(rèn)為是正確的

13、回波，這在時(shí)間門內(nèi)的回波我們才認(rèn)為是正確的回波，這10%就叫時(shí)間門寬度，一旦時(shí)間門內(nèi)沒有回波，就叫時(shí)間門寬度，一旦時(shí)間門內(nèi)沒有回波，就逐漸擴(kuò)大時(shí)間門直至全程搜索回波，直到重新就逐漸擴(kuò)大時(shí)間門直至全程搜索回波，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(duì)于大多數(shù)情況來說，水底面的回波脈沖寬度是對(duì)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(hào)和二次回波的脈沖寬度相對(duì)最大的，而干擾信號(hào)和二次回波的脈沖寬度相對(duì)要小，脈寬選擇就是識(shí)別最大脈沖寬度的脈沖作要小，脈寬選擇就是識(shí)別最大脈沖寬度的脈沖作為正確回波信號(hào)，當(dāng)然還要配合時(shí)間門一起來識(shí)為正確回波信號(hào)，當(dāng)然還要配合

14、時(shí)間門一起來識(shí)別。別。 3、信號(hào)門檻、信號(hào)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(hào)門檻設(shè)置增大，把信號(hào)門檻提高就可以把干擾號(hào)門檻設(shè)置增大，把信號(hào)門檻提高就可以把干擾信號(hào)慮除掉。但是信號(hào)門檻也不能過大，過大有信號(hào)慮除掉。但是信號(hào)門檻也不能過大，過大有可能把較弱的回波信號(hào)也慮除掉，門檻的不同會(huì)可能把較弱的回波信號(hào)也慮除掉，門檻的不同會(huì)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(hào)門檻對(duì)于抑制干擾，穩(wěn)定跟蹤有好處。適的信號(hào)門檻對(duì)于抑制干擾，穩(wěn)定跟蹤有好處。30 4、自動(dòng)增益控制、自動(dòng)增益控制 自動(dòng)增益控

15、制技術(shù)可以根據(jù)測量回波脈沖的信號(hào)自動(dòng)增益控制技術(shù)可以根據(jù)測量回波脈沖的信號(hào)的強(qiáng)度，回波信號(hào)過強(qiáng)時(shí)自動(dòng)控制接收放大電路的強(qiáng)度，回波信號(hào)過強(qiáng)時(shí)自動(dòng)控制接收放大電路降低增以防止干擾信號(hào)過多。當(dāng)回波信號(hào)幅度過降低增以防止干擾信號(hào)過多。當(dāng)回波信號(hào)幅度過小時(shí)，自動(dòng)控制接收放大電路提高增益，以接收小時(shí)，自動(dòng)控制接收放大電路提高增益，以接收回波。自動(dòng)增益范圍的大小是衡量接收通道性能回波。自動(dòng)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(dòng)增益或手動(dòng)增益可以使用自動(dòng)增益或手動(dòng)增益 5、時(shí)間增益控制（、時(shí)間增益控制（TVG） 聲波在

16、水中傳播時(shí)，聲強(qiáng)按指數(shù)規(guī)律衰減，為保聲波在水中傳播時(shí)，聲強(qiáng)按指數(shù)規(guī)律衰減，為保持信號(hào)幅度的持信號(hào)幅度的 平穩(wěn)，平穩(wěn)，TVG將控制接收放大器按相反的規(guī)律增長將控制接收放大器按相反的規(guī)律增長放大倍數(shù)，這就是時(shí)間增益控制。放大倍數(shù)，這就是時(shí)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(dòng)最小、在航行時(shí)不換能器應(yīng)安裝在船底振動(dòng)最小、在航行時(shí)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，

17、不應(yīng)有突出物并要遠(yuǎn)離排水或進(jìn)水口?？凇?.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(shí)換能器周圍的水流均勻。證航行時(shí)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(shí)，應(yīng)平行面，兩換能器的工作面的船舶不傾斜時(shí)，應(yīng)平行于水平面，對(duì)水平面的傾斜角不得大于于水平面，對(duì)水平面的傾斜角不得大于+3。 32 4、

18、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(shí)應(yīng)采用加強(qiáng)板或水密隔層，并應(yīng)進(jìn)性能，必要時(shí)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(shí)，應(yīng)有專門的氣密艙室、在油船上安裝換能器時(shí)，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，以便進(jìn)行安裝與維修。 6、換能器的水密艙如設(shè)在燃油或貨油艙附近，、換能器的水密艙如設(shè)在燃油或貨油艙附近，艙室入口的緊固裝置的結(jié)構(gòu)，應(yīng)不產(chǎn)生火花，換艙室入口的緊固裝置的結(jié)構(gòu)，應(yīng)不產(chǎn)生火花，換能器與收發(fā)器的連接電纜應(yīng)敷設(shè)在連續(xù)的氣密鋼能器與收發(fā)器的連接電纜應(yīng)敷設(shè)在連續(xù)的氣密鋼管內(nèi)。管內(nèi)。 7、換能器的工作面不得涂油漆或沾油污，不允、換能器的工作面不得涂油漆或沾油污，不允許存在遭受機(jī)械沖擊或機(jī)械摩擦的損傷。許存在遭受機(jī)械沖擊或機(jī)械摩擦的損傷。 33單波束換能器安裝介紹單頻換能器 雙頻換能器 34船側(cè)安裝圖解3536船底安裝圖解37多通道測深儀安裝圖解38多通道換能器安裝圖解39 以