第二章-船用回声测深仪

武汉交通职业学院航海学院航海仪器备课笔记授课教师：余项树武汉交通职业学院航海学院航海仪器备课笔记授课教师：余项树第二章船用回声测深仪回声测深仪（echosouder）是利用超声波在水中传播的物理特性而制成的一种测量水深的水声导航仪器。在航海上，船用回声测深仪的主要用途是：1．在情况不明的海域或浅水航区航行时，测量水深以确保船舶航行安全。2．在其他导航仪器失效的特殊情况下，可通过测量水深来辨认船位。3．用于航道及港口测量方面，提供精确的水文资料。4．现代化多功能的船用测深仪还可实现水下勘测、鱼群探测跟踪等功能。第一节水声学基础一、声波及其物理特性声波（soundwave）是由机械振动产生的，声能是机械能的一种。声波的产生离不开两个因素，即声源和弹性介质。声源是振动的物体，如振动的音叉和声带。弹性介质是声波传播的媒介，如空气、水等都可传播声波。将一个振动的物体置于弹性介质中，在其周围的介质质点必然随之振动并产生位移，在流体介质空间则形成介质疏密的变化状态，并以波动的形式向外传播，这种质点振动的传播即称之为声波。质点每秒钟振动的次数称为声波的频率ƒ，频率的单位为赫兹（Hz）。声波的频率低于20Hz，称为次声波，人耳听觉无法辨别。声波频率在20Hz～20KHz之间的，称为可闻声波。超过20KHz以上的，称为超声波。回声测深仪及后面要介绍的多普勒计程仪、声相关计程仪等水声仪器使用的均为超声波。声波在介质中传播的物理特性可归纳为如下几点：1．声波在同一种介质中的传播速度基本恒定，在不同的介质中传播速度不同；2．声波在水介质中的传播途径为直线；3．声波传播经过不同介质时，将产生反射、折射、散射和绕射等物理现象；4．声波在介质中传播，由于扩散和吸收的作用，声波的能量将逐渐衰减。二、声波在海水中的传播速度根据物理学知识，声波在介质中的传播速度的大小与声波的振动频率无关，只取决于介质本身的物理参数，即介质的密度ρ和介质的弹性系数E。因此，声波在海水中的传播速度将取决于海水的密度及弹性系数。而这两个参数不是常数，它们随着海水的温度（t）、含盐量（δ）和静压力（P）的变化而变化，其中尤以温度变化的影响最为显著。显然，声波在海水中的传播速度并非一个常量，它一般需要通过大量的实测数据进行分析计算得到。为了统一口径和简化设计，船用水声导航仪器如回声测深仪、多普勒计程仪和声相关计程仪等通常以1500m/s作为标准声速。三、声波的传播损耗和混响声波在海水中传播过程中因反射、折射、散射和吸收等现象，会使来自声源的能量随着时间和空间的推移而逐渐减弱，这种声能减弱的现象称为传播损耗（attenuation）。传播损耗有两种，即衰减损耗和扩散损耗。衰减损耗是声波的反射、折射、散射和吸收共同作用的结果；扩散损耗是因声能的直接扩散所引起的。混响（reverberation）是指声源停止反射后收到的来自海水中各种散射波的总和。根据海洋中的散射体所处位置不同将混响分为海面混响、体积混响和海底混响三种。海面混响的散射体位于海水表面或靠近海面层的各种海生物、悬浮颗粒、气泡等；体积混响的散射体位于海水中层；海底混响则位于海底或海底附近。混响对于水声仪器而言是一种干扰，尤其是混响发生在靠近声源和接收点时，当混响的信号足够大时，将淹没目标的反射回波。混响也有其可被利用的有利方面，如在深水情况下，体积混响则被某些计程仪用来测量船舶相对于水层的速度。第二节回声测深仪原理一、回声测深原理H水面H水面hDsABMO图6-1测量水深的原理如图6-1所示。在船底装有发射超声波的发射换能器A和接收超声波的接收换能器B，A与B之间的距离为S，S称为基线。发射换能器A以间歇方式向水下发射频率为20-200KHz的超声波脉冲，声波经海底发射后一部分能量被接收换能器B接收。从图6-1知，只要测出声波自发射至接收所经历的时间，就可由下列公式求出水深：（6-1）式中：H为水面至海底的深度；D为船舶吃水；h为测量水深；S为基线长度；C为声波在海水中的传播速度，标准声速为1500m/s；t为声波自发射至接收所经历的时间。显然，只要测出时间t,即可求出水深H，若换能器是收发兼用换能器，即AB=S=0，取C=1500m/s,则测量深度h可表示为：显示器发射系统接收系统显示器发射系统接收系统发射换能器接收换能器电源设备图6-2二、回声测深仪整机方框图及工作过程：回声测深仪的整机方框图如图6-2所示。显示器是整机的中枢，其作用是控制协调整机工作；测量声波往返时间并将其换算成水深加以显示。发射系统将显示器的发射指令变为一定脉冲发分开，也可收发兼用。1.换能器的分类换能器按材料划分为两种，一是以镍或镍铁合金为材料的磁致伸缩换能器（magnetostrictivetransducer）；另一种是以钛酸钡或锆钛酸铅等压电陶瓷为材料的电致伸缩换能器（electrostrictivetransducer）。这两种换能器是基于磁致伸缩效应和电致伸缩效应来实现声能（机械能）和电能的相互转换的。目前的磁致伸缩换能器一般都采用镍和镍铁合金材料制作，它们具有不易受海水腐蚀且加工容易等特点。实际使用时，必须对新的或长期不用的镍换能器事先给其绕组通以直流电，使其具有或恢复磁性，该措施称为充磁。充磁的目的，是为了获得较高的磁致伸缩效应。由于锆钛酸铅材料来源丰富、成本低、性能优良、稳定性好，所以目前选用锆钛酸铅压电陶瓷材料制成的电致伸缩换能器极为普遍。2.换能器的安装换能器的安装要求有如下几点：（1）换能器在船底的安装位置应使其周围杂声干扰最小。应尽量远离机舱、螺旋桨，也不能靠近船首的水流平滑处；同时应避开排水口、海底阀及其它有碍水流平顺的凸出物。换能器一般装于离船首1/2～1/3船长处。（2）换能器的安装不能降低船体结构强度和水密性能。换能器安装于船底，无论是开启式或密封式安装，均需在船底开洞，因此应在开洞处采用法兰盘进行加固；同时，在安装换能器的舱室内，应增设便于安装和维护的水密舱，以保证船舶安全和防止渗漏。（3）换能器的工作面应力求与水平面平行。（4）换能器的工作面不得涂敷油漆。油漆对声能吸收很大，将使回波信号显著减弱，甚至测深仪不能工作。若发现换能器表面有油漆或其他油污，应彻底予以清除干净。（5）换能器的引出电缆应使用屏蔽电缆；换能器的两根引出导线之间应有良好的绝缘，屏蔽层与钢管应良好接地。第四节回声测深仪误差回声测深仪的误差主要有：声速误差、时间电机转速误差、零点误差和基线误差等。此外，船舶摇摆、海水中气泡、海底底质与坡度、船速、换能器工作面附着物等因素也会对测深仪工作产生一定的影响。一、声速误差由于船舶所在海域实际声速与测深仪的设计声速不一致而产生的测量误差称为声速误差。回声测深仪的设计声速是取标准声速1500m/s的，而实际声速并非恒定值，它随着海水温度、含盐量和静压力的变化而变化，因此，回声测深仪的声速误差是不可避免的。声速误差的修正公式如下表示：商船的声速误差一般无须进行修正，但驾驶员在声速变化显著的航区航行时，应加以留意。如船舶从海洋驶入内河航行时，可能因含盐量变化引起实际声速小于标准声速而导致显示深度小于实际水深，从而影响船舶安全航行。二、时间电机转速误差时间电机转速误差是指闪光式和记录式测深仪中的时间电机转速与其额定转速不一致所产生的测量误差。在闪光式和记录式测深仪中，时间电机作为显示系统的时间装置，必须以恒定的转速带动转盘或记录笔转动。时间电机转速的变化必然会使转盘转过的角度和记录笔移动的距离发生变化，从而使显示深度与实际深度产生偏差。所以，时间电机转速的稳定与否，将直接影响测深仪显示深度的准确性。时间电机转速不稳定一般是由于船电变化或时间电机本身故障所致。时间电机的转速误差调整公式如下：三、零点误差零点误差是指零点信号（或零点标志）与刻度盘（或刻度标尺）的零位不一致时所产生的测量误差。零点信号超前，显示水深将小于实际水深；零点信号滞后，则显示水深将大于实际水深。通常，闪光式和记录式测深仪均设置了零点调节机构。四、基线误差在前面介绍测深仪的测深原理时，我们求出的测量深度，其中s为收、发换能器之间距，即为基线之长度。实际设计测深仪时，我们均按来计算测量深度，项被忽略掉，故产生了基线误差。测量水深（）越深，基线误差就越小。当水深大于5米时，基线误差便可忽略不计。采用收、发兼用换能器的测深仪则不存在基线误差。五、影响测深仪工作的其它因素（1）船舶摇摆对测深仪工作的影响当船舶发生横摇时，发射换能器也随之倾斜，其发射的主波束的方向也随之改变。若倾斜角度不大，主波束的反射回波仍可被接收换能器接收；当倾斜角大于某个极限值时，将可能产生回波信号“遗漏”现象。严重时，回波信号全部消失，测深仪无法工作。（2）水中气泡对测深仪的影响海水中气泡对测深仪工作的影响主要体现在两个方面：一是水中气泡对声能有削弱作用；二是大量气泡会引起声的混响，从而严重干扰测深仪正常工作。（3）船速对测深仪的影响当船舶高速航行时，船体产生剧烈振动，水流猛烈冲击船体，致使干扰噪声增加。同时，海水的空化现象也明显增加，致使回波信号削弱。严重时回波信号将被干扰信号“淹没”，致使测深仪工作困难，甚至无法工作。选择适当的换能器安装位置将有助于减小这种影响。（4）换能器工作面附着物的影响换能器表面的附着物对声能有着较强的吸收作用，尤其是长期不用的换能器表面会有大量海生物生长，对换能器工作影响较大。所以，应及时清洁换能器工作面。还要注意的是换能器的工作面不能涂敷油漆。（5）因换能器剩磁消失的影响对于磁致伸缩换能器，剩磁因时间长久会逐渐消失，这将影响测深仪的灵敏度，所以，应定期对磁致伸缩换能器进行充磁。（6）海底底质和坡度的影响不同的海底底质对声波的反射能力差异较大，岩石最强，砂底次之，淤泥最差。为了达到显示器的最佳显示效果，应根据不同的海底底质调整测深仪的灵敏度大小。另外，不平坦的海底底质和海底坡度将使反射回波先后抵达接收换能器，从而在显示器上出现较宽的信号带。为了保证船舶航行安全，此时应以信号带前沿读取水深为宜。第五节IES-10型回声测深仪一、IES-10型测深仪主要特点介绍IES-10型回声测深仪是美国OceanData仪器公司生产的船用新型测深仪产品，该产品符合国际航道组织（IHO）技术要求和欧洲关于海上导航设备的电磁兼容（EMC）标准，其特点如下：1.采用了先进的数字处理技术，通过软件控制超声波的发射和接收；同时使用高清晰度的液晶显示器（LCD）和菜单式的人机友好界面，通过键盘操作来控制整机工作。2.显示器可连续提供回波图象、数字深度显示、深度报警、吃水调整等信号，还可通过其它导航设备的接入显示测量时的船位、船对地速度（SOG）、船对地航向（COG）等导航信息。3.本机硬盘可保存24小时的数字深度和船位数据、1小时的回波图象和船位数据，并可随时调出或打印这些历史数据。4.本机通过RS-232或RS-422串行口可向其它外设输出NMEA0183标准的深度信号，并可直接连接最多3台复示器。5.接收机在较宽的动态范围内可实现自动增益控制，并对杂波干扰进行滤除。6.通过软件可进行系统故障诊断，机器内部采用可拆卸式印刷电路板（PCB），易于对硬件进行安装和维护。二、整机组成框图及工作原理IES-10型测深仪的电路主要由主CPU板、收发电路板、电源电路板、母板、液晶显示电路板、接口、接线盒和换能器等组成。其整机组成框图如图6-5所示。主板主板液晶显示电路板收发电路板主CPU板电源电路板接口母板复示器NMEA0183I/O接线盒换能器图6-5主CPU板是测深仪的整机工作的控制核心，它通过运行内部的PROM（可编程只读存储器）程序，可以控制声波发射频率和历史深度数据的存取，向显示器发送深度及其它显示信号，并控制数据的输入、输出与打印等功能。收发电路有两个主要功能：产生发射脉冲、接收并处理回波脉冲信号。收发电路中的微处理器在每个发射周期的初始时接收来自主CPU的指令信号，然后产生发射脉冲，经过放大后送至换能器形成超声波向海底发射。发射的同时，主CPU板计时开始。回波经接收电路处理后转换为数字信号，送至主CPU计算深度结果。收发电路还有四种辅助功能：串行数据输入和输出、历史数据存储（闪存）、LCD亮度与对比度控制、键盘编码和亮度控制。电源电路板的作用是将船电（115或230VAC）转换为各电路工作所需的直流电压（5、12、24VDC）。液晶显示电路板的主要功能是显示深度数字信号、回波图象信号、系统状态信息等，还可通过键盘输入和菜单选择向主CPU板传输系统参数设置及各种指令。换能器的作用是实现电能和声能的相互转换，其工作频率从12到200KHz不等。三、使用与维护1.LCD屏幕显示信息图6-6所示为显示器的显示界面，主要显示的信息有：DepthDepth6.7FTDBTSHALLOWALARMGATE=AUTOALARMSOUNDOFFN2118.950E15751.980COG:359DegSOG:05.2Kts01-13-2002LCL:17:54:10AUTO:DRAFT:00.9KEEL:00.0ALMD=035ALMS=008GATE200KHzFTSTD0328162440图6-6（2）深度显示窗口：在屏幕的左下方，即“Depth”窗口，用以显示当前精确的数字水深值，每秒钟更新一次。同时还将显示深度的单位（英尺-FT/米-MT/英寻-FA）、水深性质（换能器下水深-DBT/海面下水深-DBS/龙骨下水深-DBK）。在该窗口的下方还有测深仪跟踪门限值（GATE）设定状态显示，跟踪门限是用来进行混响干扰抑制的，一般将门限值置于自动（AUTO）状态。窗口的最下方显示的是报警状态：浅水报警（SHALLOWALARM）、深水报警（DEEPALARM）或模拟报警（SIMULATORON）。（3）导航信息：从其它导航仪器接入的信号，包括船位、对地航向（COG）、对地速度（SOG），还有系统时钟提供的日期和时间显示。（4）系统状态：首先是自动（AUTO）状态显示，它包括增益（GAIN）、量程（RANGE）、图形平移速度（CHARTSPEED）和跟踪门限（GATE）等，如果处于自动工作状态，则在AUTO的右侧将显示相应的英文名称。其次是吃水调整和龙骨深度预置值显示、浅水和深水报警值显示。最后是显示方式（STD或STD/NAV）、工作频率及水深单位的显示。（5）信息条：在显示屏的最上方，表示当前系统的显示状态和报警指示。例图显示的是“报警音频关闭”的信息。图6-72.显示面板按键图6-7IES-10型测深仪的主要操作是通过显示面板的功能按键来完成的，图6-7所示为显示面板的所有功能按键。DISPLAY：显示方式选择键，按此键调出显示方式菜单，用户可选择标准（STD）或标准/导航（STD/NAV）两种不同的显示方式。其区别是在导航（NAV）方式下附加了三个窗口显示船舶的经纬度、对地航向及速度、日期和船钟。EVENT：时态键，用此键可以在存储的历史深度数据中插入实时的船位和时间数据。POWER：电源键，按电源键一次可开启主机电源，按住并保持3秒则关机。开机工作后，若有音频报警，按电源键一次可消去报警声音。RANGE：量程键，按此键一次可调出量程选择菜单，按住并保持3秒则选择“自动量程”工作方式。GAIN：增益键，按此键一次可调出增益调节菜单，按住并保持3秒则选择“自动增益”工作方式。DIM：亮度键，按此键一次可调出显示器亮度调节菜单，按住并保持3秒则选择中间亮度显示值。CONTR：对比度键，按此键一次可调出显示器对比度调节菜单，按住并保持3秒则选择中间对比度值。▲▼：上下键。用上下键可以在菜单选择时增加或减少设定值。MENU：菜单键。用于调出主菜单，或者在菜单选择时退出当前显示菜单。3.正常的操作按下显示面板上的电源按键，系统通电，所有重要的参数（如增益、量程、跟踪门限）都进入“自动”工作方式。如果测深仪搜索到海底，则在深度显示窗口显示当前水深值；如果未搜索到海底，则测深仪将自动调整其增益和量程，直至海底被搜索到为止。需要注意的是，增益、量程、跟踪门限这些参数一般均设置于默认的“自动”状态时系统才能处于最佳的工作状态，如果用户因某些原因调整了个别参数而导致测深仪跟踪海底困难时，可将系统电源关闭后再