测深仪工作原理与安装（课堂PPT）

1、测深仪工作原理及其安装测深仪工作原理及其安装演讲者：蔡鹏演讲者：蔡鹏回声测深仪测深原理 1、水声学概述： 水声学是近代声学一个很重要的分支，它是研究水中声波的发射、传播、接收规律的科学。声波作为一种波，其运动规律符合波动理论，具有反射、折射、透射 、散射、衍射、干涉和多普勒效应等现象。在水媒质中以声波的传播性能为最佳，而无线电波和光波在水中传播都要受到严重的衰减，因此不能有效传递信息。3 作为声波的传播通道，水体及其边界具有十分复杂和多变的特性，这使得声波在水中传播也十分复杂和多变。 2、声纳： 声纳（sonar）愿意为用声音进行水下定位和测距(sound Navigation Ranging

2、).今天声纳这个词含义已超出原来的定义，泛指水声仪器。4 3、水中声速 回声仪通过测量超声波以已知速度，从一个已知点（测船）到反射表明（水底）并返回所需的传播时间来测定水深。为了准确的测量水深，必须确定正确的声速，而声速主要和水的盐度、温度和深度（压力）有关。见图表：5典型海洋声速剖面图深部等温层深部等温层永久性温跃层永久性温跃层季节性温跃层季节性温跃层表面层表面层6 影响声速的三个关键因素： 1、盐度变 1ppt = 声速约变 1.3 m/s 2、温度变 1C = 声速约变 3 m/s 3、压力 ：165米深度变化的影响相当于温度变1C7水中声速表Sound velocity (at sur

3、face)14001420144014601480150015201540156005101520253035Temperature (degrees C)Velocity (m/sec)0 ppt5 ppt10 ppt15 ppt20 ppt25 ppt30 ppt35 ppt8声波在水中的传播 水体及其边界形成了极其复杂的声音传播媒介。信号的衰减、干扰和来自边界及水体中的一些成分的相互作用会造成声源的延迟、畸变、减弱和丢失。声波在水体中传播时，其强度随传播举例的增加而减弱的现象称为衰减。按其原因可将衰减分为三类：扩散衰减、吸收衰减和散射衰减。9 1、扩散衰减 扩散衰减指声波传播中因波阵面得

4、面积扩大导致的声强减弱的现象。由于测深仪的声源辐射为球面波，故其声强是随传播距离的平方而减少的，一般情况下传播的距离每增加一倍，则声强损失6dB.10 测深仪接收到声波其传播距离实际上是水深的两倍，衰减很大，通常测深仪都设有时变增益（Time Varied Gain简称TVG）电路来补偿信号的扩散衰减，TVG放大器对回波信号的增益随传播时间的增加而增加。1112 2、吸收衰减 声波的吸收衰减来自两方面：水体和海底。水体的吸收衰减主要原因是水分子粘滞性和热传导性。分子方面，吸收主要与频率有关。例如：在高频500KHZ时，水体的吸收衰减为0.14dB/m;而频率降低到50HZ时，衰减只有0.014

5、dB/m。当选择换能器时，主要应满足指定深度标准。13 3、散射衰减 声波在水体中传播时，因碰到另外一种媒介组成的障碍(如泥沙、气泡、微生物、以及温变曾等）而向不同方向产生散射（或称乱反射）从而导致声波减弱的现象，统称为散射衰减。散射衰减也很复杂，它既与水体的性质、状况有关，又与障碍物的性质、形状、尺寸及数目有关。一般来说，泥沙的散射系数，在半径一定时与频率的4次方成正比，而在频率一定时，与半径的6次方成正比。14 所以一般测深仪都设有门限电路（GATE），通过调整门限，将非水底造成的回波拒之门外。在设计和选择测深仪时，除采取电路措施外，也选择合适的频率。一般对于深水、浑水、软底水域测深，应选

6、用低频（低于50KHZ）大功率换能器。但频率越低，精度越低，其换能器体积也越大，波束角开角也越大，更笨重，造价也越高。同样，较浅的清水硬底水域测深，可选用高频（200KHZ）换能器15噪声 噪声是一种不需要的声音，它能干扰测深仪的正常运行，噪声不是发射声脉冲产生的，而是来自船体和水中的噪声源。噪声可分为自生噪声和环境噪声。 对噪声的分析可知道我们正确选择仪器的安装位置和使用方式，当然也有利于我们设计和使用仪器内部的各种滤波器来消除各种噪声的干扰。16 自生噪声 自生噪声是由船上发声部件、电器和换能器周围的乱流，包括水流和气泡引起的噪声。17 机械噪音和其他声纳系统是船上自生噪音的主要成分，最显

7、著的事船只的动力系统，包括主引擎、发电机和推进器。减少这些噪声的唯一方法就是选择合适的换能器频率，并远离噪声源安装。一般来说，这些噪音源的频率小于换能器的频率。但某些机械和电器设备产生的声音会进入超声范围（15KHZ以上），能对声纳系统造成破坏性影响。18 水流和气泡也会产生噪声。对一般的回声测深来说，水流噪音、气泡噪音比其他噪音源更为麻烦。水流噪音是当换能器与它周围的水体之间产生相对运动时产生的，党流速增加时，换能器和水之间的阻力增加，造成了湍流的增加，所以与船速有直接关系，一般都有一个速度门限。19 空化是由于换能器表面的静压减少到使水达到“沸腾”的现象，这也是一种噪声源。而且空化也可能发

8、生在船只的推进器上，所以安装换能器时，一定要远离类似的装置。20 环境噪声 环境噪声是自然或人类活动引起的。从回声测深的角度来看，明显的噪音源包括水动力噪声、海洋交通和发声生物。21 水动力噪声来自自然现象，例如：风、浪、雨或水流。其强度变化很大，与江河湖海的状况密切相关。在剧烈的暴风雨中，水动力噪音可能使发送的信号难以接收。 海洋交通噪音取决于船只的数量、噪音源的远近和水质热变及状态造成的水流传播条件。22 生物噪音产生的包括水生物，例如虾、鱼和鲸，成群的贝类和甲壳类动物的运动也会造成非常大的噪声23测深器具介绍在水深测量中，常用的测深器具有三种： 测深锤、测深杆和测深仪测深锤、测深杆和测深

9、仪 在水域面积大、水深流急、水下地形复杂的情况下通常使用测深仪进行水深测量， 如航道水深测量、海图水深测量，港口水深测量等。 24 测深仪的种类、型号很多，常见的有记录式、数字式的测深仪，除此之外，还有双频测深仪、大面积扫描测深仪、多波束测深仪。由于微电子技术的飞跃发展，以微机处理为中心的控制技术、数据处理技术也已应用到测深 仪技术之中测深仪的分类25测深仪的分类1、按显示方式分类、按显示方式分类 (1)记录式 单笔记录式、多笔记录式 (2)闪光显示式 早期产品巳淘汰 (3)数字显示式 发光两极管显示、液晶显示、数码管显示 (4)显示器显示式 黑自显示、彩色显示 (5)数据打印式及组合式 2、

10、按测深范围分类、按测深范围分类 (1)浅水测深仪 水深在100米以内 (2)中水深测深仪 水深在100米 400米内 (3)深水测深仪 水深大于400米 3、按用途分类、按用途分类 (1)航道测量测深仪 (2)助航测深仪 (3)工程测深仪 (4)军用测深仪 26回声测深仪组成 激发器在终端显示装置的控制下，周期性地产生超声频脉冲，通过换能器转换成有指向性的超声波脉冲向水底射，声脉冲经水介质传播到水底。 一部分能量从水底反射回到换能器，经换能器转换成电信号送至接收机，再经放大器将信号加以放大，变换，供终端显示。 终端显示装置的功能是一 方面控制发射机周期性地产生振荡脉冲， 另一方面将接收回波信号

11、相对于发射脉冲的延时时间， 自动转换成深度数据。 换能器记录显示设备激发器电源设备放大器海面海 底 27测深仪工作原理测深仪工作原理假设声波在水中的传播水面速度为V，当在换能器探头加窄脉冲声波信号，声波经探头发射到水底，并由水底反射回到探头被接收，测得声波信号往返行程所经历的时间为t，则：Z = Vt28水底信号识别技术水底信号识别技术 虽然回深测深的原理很简单，但水中的情况却是虽然回深测深的原理很简单，但水中的情况却是很复杂的，有干扰回波、有鱼群出没或杂物的回很复杂的，有干扰回波、有鱼群出没或杂物的回波，水底的反射条件各不相同，在浅水区还有可波，水底的反射条件各不相同，在浅水区还有可能出现二

12、次、三次回波，如何从众多的杂波中跟能出现二次、三次回波，如何从众多的杂波中跟踪得到真正的水底回波信号，需要采用相关的技踪得到真正的水底回波信号，需要采用相关的技术。术。1、水底门跟踪技术（也叫时间门跟踪技术）、水底门跟踪技术（也叫时间门跟踪技术） 由于水底的变化是比较平缓的，两次测深之间由于水底的变化是比较平缓的，两次测深之间（约（约0.1秒），水深变化不会太大，我们假定二次秒），水深变化不会太大，我们假定二次深度的变化量为深度的变化量为10%,则我们就在上次正确回波则我们就在上次正确回波时刻前时刻前10%Z到后到后10%Z开一道时间门，只有开一道时间门，只有在时间门内的回波我们才认为是正确的

13、回波，这在时间门内的回波我们才认为是正确的回波，这10%就叫时间门宽度，一旦时间门内没有回波，就叫时间门宽度，一旦时间门内没有回波，就逐渐扩大时间门直至全程搜索回波，直到重新就逐渐扩大时间门直至全程搜索回波，直到重新捕获正确的回波。捕获正确的回波。29 2、脉宽选择、脉宽选择 对于大多数情况来说，水底面的回波脉冲宽度是对于大多数情况来说，水底面的回波脉冲宽度是最大的，而干扰信号和二次回波的脉冲宽度相对最大的，而干扰信号和二次回波的脉冲宽度相对要小，脉宽选择就是识别最大脉冲宽度的脉冲作要小，脉宽选择就是识别最大脉冲宽度的脉冲作为正确回波信号，当然还要配合时间门一起来识为正确回波信号，当然还要配合

14、时间门一起来识别。别。 3、信号门槛、信号门槛 如果你的测区或环境有较多的干扰，你可以把信如果你的测区或环境有较多的干扰，你可以把信号门槛设置增大，把信号门槛提高就可以把干扰号门槛设置增大，把信号门槛提高就可以把干扰信号虑除掉。但是信号门槛也不能过大，过大有信号虑除掉。但是信号门槛也不能过大，过大有可能把较弱的回波信号也虑除掉，门槛的不同会可能把较弱的回波信号也虑除掉，门槛的不同会在一定程度上影响测深精度，所以适当的选取合在一定程度上影响测深精度，所以适当的选取合适的信号门槛对于抑制干扰，稳定跟踪有好处。适的信号门槛对于抑制干扰，稳定跟踪有好处。30 4、自动增益控制、自动增益控制 自动增益控

15、制技术可以根据测量回波脉冲的信号自动增益控制技术可以根据测量回波脉冲的信号的强度，回波信号过强时自动控制接收放大电路的强度，回波信号过强时自动控制接收放大电路降低增以防止干扰信号过多。当回波信号幅度过降低增以防止干扰信号过多。当回波信号幅度过小时，自动控制接收放大电路提高增益，以接收小时，自动控制接收放大电路提高增益，以接收回波。自动增益范围的大小是衡量接收通道性能回波。自动增益范围的大小是衡量接收通道性能的关键，中海达测深仪接收增益控制范围为的关键，中海达测深仪接收增益控制范围为90Db，可以使用自动增益或手动增益可以使用自动增益或手动增益 5、时间增益控制（、时间增益控制（TVG） 声波在

16、水中传播时，声强按指数规律衰减，为保声波在水中传播时，声强按指数规律衰减，为保持信号幅度的持信号幅度的 平稳，平稳，TVG将控制接收放大器按相反的规律增长将控制接收放大器按相反的规律增长放大倍数，这就是时间增益控制。放大倍数，这就是时间增益控制。31测深仪的安装 换能器的安装要求换能器的安装要求 .1换能器应安装在船底振动最小、在航行时不换能器应安装在船底振动最小、在航行时不形成涡流和空气泡之处，并应尽量远离船体产生形成涡流和空气泡之处，并应尽量远离船体产生干扰的机械设备和产生电干扰的干扰的机械设备和产生电干扰的电器电器设备。安装设备。安装位置的周围，不应有突出物并要远离排水或进水位置的周围，

17、不应有突出物并要远离排水或进水口。口。 .2换能器应安装在船体线型倾斜最小之处，使换能器应安装在船体线型倾斜最小之处，使换能器的工作面与船体外壳在同一平面上。如果换能器的工作面与船体外壳在同一平面上。如果安装在船体曲度较大之处，应加装导流板，以保安装在船体曲度较大之处，应加装导流板，以保证航行时换能器周围的水流均匀。证航行时换能器周围的水流均匀。 .3发射换能器与接收换能器应安装在同一水平发射换能器与接收换能器应安装在同一水平面，两换能器的工作面的船舶不倾斜时，应平行面，两换能器的工作面的船舶不倾斜时，应平行于水平面，对水平面的倾斜角不得大于于水平面，对水平面的倾斜角不得大于+3。 32 4、

18、换能器的安装不应影响船体的结构强度和水密、换能器的安装不应影响船体的结构强度和水密性能，必要时应采用加强板或水密隔层，并应进性能，必要时应采用加强板或水密隔层，并应进行水密试验。行水密试验。 5、在油船上安装换能器时，应有专门的气密舱室、在油船上安装换能器时，应有专门的气密舱室或围井。其他船舶也应尽可能设置专门的舱室或或围井。其他船舶也应尽可能设置专门的舱室或围井，这些舱室或围井应设有人孔和留有足够的围井，这些舱室或围井应设有人孔和留有足够的位置，以便进行安装与维修。位置，以便进行安装与维修。 6、换能器的水密舱如设在燃油或货油舱附近，、换能器的水密舱如设在燃油或货油舱附近，舱室入口的紧固装置的结构，应不产生火花，换舱室入口的紧固装置的结构，应不产生火花，换能器与收发器的连接电缆应敷设在连续的气密钢能器与收发器的连接电缆应敷设在连续的气密钢管内。管内。 7、换能器的工作面不得涂油漆或沾油污，不允、换能器的工作面不得涂油漆或沾油污，不允许存在遭受机械冲击或机械摩擦的损伤。许存在遭受机械冲击或机械摩擦的损伤。 33单波束换能器安装介绍单频换能器 双频换能器 34船侧安装图解3536船底安装图解37多通道测深仪安装图解38多通道换能器安装图解39 以