课件：计程仪及回声测深仪.ppt

第三节 回声测深仪,（EC SNDE）,回声测深仪,测深仪是用于航海测量水深的仪器，是一种在航海和航道测绘 上广泛使用的航海仪器。 船上最早的“测深仪”是手用测深锤，即水砣。 十九世纪末期，使用“开尔文”式测深仪，这种测深仪是根据水深与水压成正比的原理制成的。 本世纪二十年代，又发明了超声波回声测深仪，由于回声测深仪具有迅速、准确、连续工作，使用简便等特点，所以各国都相继自造出各种型号的回声测深仪，安装在各种船舶上。 我国五十年代就开始生产回声测深仪，在航海上常用的型号有S1型、S2型、扬子江型、SS3型数字测深仪等。,一、回声测深原理,1、水声学有关知识 1）声源 产生声波的原因是物体的振动，我们把振动的物体称为声源。 声波传播并非介质的质点本身的传播，而是质点振动形成的传播。所以必须把质点的振动速度（振速）和声波在介质中的传播速度（声速）区别开来。 声能是机械能的一种形式。声波的产生必须具有声源和弹性介质两个因素。 2）声波的分类 按频率分：次声波（20z以下） 可闻声波（20z20kz） 超声波（20kz以上） 按发射方式分： 连续波、脉冲波,一、回声测深原理,1、水声学有关知识 3）声波的传播速度 在空气中： C340ms；在水中： C1500ms 声速只取决于介质的物理常数，而与声源的振动频率无关。 声波在海水中的传播速度随温度、含盐量和静压力的不同而变化的，其中以温度的影响最为显著。 温度增加1C ，声速平均增加量33 ms 含盐量增加1 声速平均增加量15 ms 静压力增加1107a（水深增加100米）声速平均增加量33ms 水的静压力是随着水深的增加而增大，而水温却随着水深的增加而降低。所以由于水深的变化使引起的压力增加和温度的降低，而影响声速的变化值几乎是相互抵消的。 航海上，海水中的声速一般取1500米秒。,一、回声测深原理,1、水声学有关知识 4）声波在海水中传播的损耗 扩散损耗： 直接由于声能的扩散所引起的。 衰减损耗，由于吸收和散射共同作用的结果，它和电能沿导线传输所产生的损耗类似。反射、折射,一、回声测深原理,1、水声学有关知识 5）声波在海水中的传播干扰 混响干扰 分类： 体积混响：即散射体分布在整个海区，它是由于海水的不均匀性而造成的声散射。 海面混响：即散射体分布在海表面附近，造成了具有一定厚度的散射层。 海底混响 类似海面一样，散射体分布在海底附近，它主要是由于海底的不均匀、不平整和附集在海底附近的气泡以及靠近海底的生物层等所引起的散射。 以上三种混响在海洋中是同时存在而又无法截然分开的。但是在一定条件下，以其中的一种或两种混响为主要。,一、回声测深原理,1、水声学有关知识 （5）声波在海水中的传播干扰 海洋噪声：水声中的各类噪声都是一种随机过程，现代各种水声导航仪器都十分重视对噪声的研究。 水中的噪声主要包括： 海洋自然噪声 A：水动力噪声，海浪、海流、潮汐、地震、风雨等； B：海洋生物噪声，鱼群、虾群等。鲸鱼、海豚独特的嘘叫声； C：海洋中的人为噪声 D：海洋热噪声 由于海水介质热骚动所产生的噪声。 目标辐射噪声 船舶的自噪声 其特点： 接收换能器在航行中与水的撞击和摩擦； 由于海水波浪对船体的冲击。,一、回声测深原理,2、回声测深原理 回声测深的原理是基于声波在水中传播特性的理论，即利用超声波在水中等速直线传播和具有反射特性的原理来测定水深。 由于超声波较其它声波的方向性好、穿透性强、放射性显著和抗可闻声干扰性好等特点，所以回声测深仪是利用超声波进行深度测量。,二、组成及各部分的主要作用,1、回声测深仪的组成 测量显示系统（display system）、发射系统（transmitting system）和接收系统（receiving system）。 1）显示器（display unit） （1）作用： 装有深度指示或记录机构，发射控制机构、控制整机工作状态的调整旋钮、开关及指示表等，内部还装有报警器和误差调节装置等。 脉冲产生器(pulse generator)以一定的时间间隔产生触发脉冲，控制计时器开始计时和控制发射系统产生具有一定功率和宽度的电脉冲，推动发射换能器工作。协调整机工作并控制发射时刻。计算、显示测量深度。 （2）显示方式： 闪光式（转盘式） 转盘转速取决于测深仪的最大量程，其计算公式如下： N：转速（r/min） C：声速 1500m/s 回声测深仪深度盘上“0”点闪光的时刻，表示超声波开始发射。 记录式 IMO规定，测深仪的显示装置必须具有记录式。 数字式 指示式：将超声波往返的时间转换为电流或电压，由电流表或电压表指示。 （3）发射触发方式 机械触发式 电磁触发式 光电触发式 电子触发式,二、组成及各部分的主要作用,1、回声测深仪的组成 2）换能器 （1）作用 将发射系统输出的电振荡脉冲，转换为机械振动，并向水中发射超声波振荡脉冲，而且也能够把来自海底的反射超声波振荡脉冲转换为电振荡信号，一个可逆的声电换能器。 （2）分类 按作用分为：发射换能器(transmitting transducer)和接收换能器(receiving transducer)； 发射换能器向海底发射超声波脉冲。 按工作原理分为： 磁致伸缩换能器(magnetostrictive transducer)和电致伸缩换能器(piezoelectric transducer) （3）安装要求 具有良好的指向性（半扩散角 。1015）。 位置应在距船首1213船长处（不要小于1/5船长处）。 换能器平面力求水平，偏差不得大于1度（指南上为05）； 不能降低船体强度，并应保持良好的水密； 电缆要屏蔽，不能有接头。 换能器不应安装在排水管、海底阀或其它突出物的附近。 （4）注意事项 船出坞前应检查换能器表面不得有碰伤，不得涂油漆（因为油漆对声能的吸收很大），应保持清洁； 磁致伸缩换能器初次使用或较长时间没有使用，必须对其进行充磁，否则，测深仪不能正常工作。,二、组成及各部分的主要作用,1、回声测深仪的组成 3）电源系统 作用：将船电转换为测深仪的工作电源，可采用变压器、逆变器或变流机。,二、组成及各部分的主要作用,2、回声测深仪的重要作用,三、回声测深仪的使用及注意事项,1、回声测深仪的主要技术指标 1）最大测量深度（hmax） 最大测量深度hmax(maximal detectable depth)是表示测深仪所能测得的最大深度。 最大测量深度与发射功率和脉冲重复周期（）（或脉冲重复频率）有关。 以脉冲方式工作的回声测深仪，它的最大测量的时间间隔t只能是在两次发射的间隔时间T内（即tT），故应选择适当的发射间隔时间，即脉冲重复周期。 hmax750 一般为200米1000米，最大2000米 2）最小测量深度（hmin）（米） 最小测量水深hmin(minimum detectable depth)是表示测深仪可能测量并能显示出来的最小深度。 最小测量深度取决于发射脉冲宽度。 因此，最小测量深度hmin hminC/2750 一般为01米1米。 hmin/750,三、回声测深仪的使用及注意事项,1、回声测深仪的主要技术指标 3）脉冲重复频率（）（次秒） 脉冲重复频率(pulse repetition frequency PRF)、脉冲重复周期(pulse repetition period PRP) 1 与测深仪的最大测量深度有关，一般为0306s。 4）脉冲宽度（）（ms） 持续发射超声波脉冲的时间称为脉冲宽度（pulse duration），它是决定最小测量深度的关键。一般取01ms13ms（毫秒）。 5）工作频率（operating frequency） 测深仪的工作频率指发射超声波的频率。超声波的工作频率一般为2060kz之间，最大可达200kz。 6）发射功率（transmitting power） 发射功率指脉冲功率。它的数值一般在几十瓦至几百瓦之间。 7）消耗功率 8）换能器及换能器指向性 0称为半扩散角。半扩散角越小，波束就越尖锐，指向性越好，测深仪或声相关计程仪的0一般在10-15，而多普勒计程仪的0则为1. 5 -3。 测深仪换能器的波束一般不宜过于尖锐，否则会因为船舶摇摆而接收不到信号。,三、回声测深仪的使用及注意事项,2.影响正常测深的主要因素 1）水中气泡的影响 超声波在空气中的吸收损耗远大于在水中。因此超声波在水中传播过程中遇到气泡时，强度将受到很大削弱。另外气泡还有反射、散射能力，这也将使回波受到干扰。 船倒车（此时不宜使用测深仪因水中产生气泡影响）； 船变更航向或轻载高速航行时； 风浪较大，船舶摇摆时； 船首上翘较高时； 换能器安装不理想时。 2）船舶倾斜（摇摆）的影响 当船倾斜时，发射换能器也随之倾斜，当其倾角大于发射角的二分之一时，即。/2时，就接收不到海底的回波信号。也就无法进行测深。 风浪大，船舶摇摆剧烈时将无法进行测深。 3）海底底质的影响 不同的海底底质，对超声波反射能力也不同；下列底质反射能力逐渐变差：岩石、碎石、沙底、淤泥。 4）海底地形的影响 从当进行浅水水域测深时，在记录纸上可能出现一较宽的信号带，应以回波信号带的前沿读取测量深度为宜（最浅的水深信号）。 在高低不平岩石海底的浅水中，若灵敏度很高，在测深仪的显示器上可能出现多次回波信号，应将第一次回波信号为正确回波，并以此读取水深。 5）船底污物、杂草等的影响,三、回声测深仪的使用及注意事项,3.回声测深的误差 1）声速误差(acoustic velocity error) 产生原因 实际声速与设计声速不一致，使测量产生误差。 当实际声速大于设计声速时，测量水深小于实际水深。 当实际声速小于设计声速时，测量水深大于实际水深。 消除方法 一般不进行消除。要求测深精度高的回声测深仪，设置“温度补偿”、“盐分补偿”、“水深补偿”，来消除声速误差。 2）基线误差（ground line error） 产生原因 （发射和接收换能器之间的距离引起的误差） 在水深大于5米时，回声测深仪的基线误差可忽略不计。 消除方法 发射和接收采用同一个换能器，或不消除。,三、回声测深仪的使用及注意事项,3.回声测深的误差 3）时间电机转速误差(speed of revolution error of timing-motor) 产生原因 时间电机转速与其额定转速不一致。 转速快（时间电机转速大于额定转速），显示水深大于实际水深； 转速慢，显示水深小于实际水深。 消除方法 如果是由于船电不稳定引起的转速不均匀，则应采用稳定的电源 如果船电是稳定的，而且时间电机的转速一直是大于或小于额定转速，那么应调节时间电机的转速为设计转速。 4）零点误差（zero point error） 产生原因 显示的发射零点标志不在水深刻度零点的位置上。 消除办法 调整发射零点位于水深刻度零点上。,第九章 船用计程仪,（SS ）,概述,1、发展简史 19世纪70年代，英国出现了拖曳（ye）式计程仪，它是利用水涡轮原理测速的； 19世纪末，出现了转轮式计程仪； 本世纪，出现了四代计程仪： 1）水压计程仪（20世纪初） 2）电磁计程仪（20世纪50年代） 3）多普勒计程仪（20世纪70年代） 4）声相关计程仪（20世纪70、80年代） 2、分类（按测量参考坐标系来划分） 1）相对计程仪 测量对水的速度，计风不计流 水压计程仪 电磁计程仪 2）绝对计程仪 测量对地的速度，计风计流 多普勒计程仪 声相关计程仪 说明何为计风不计流，以及何为计流计风。,一、电磁计程仪,电磁计程仪(electromagnetic log)是利用电磁感应原理来测量船舶相对于对水的速度和航程的计程仪。 1、测速、计程原理 电磁计程仪的测速器件是安装在船底的电磁传感器，船在静水中不动时，传感器不产生感应电压（无信号），当船相对于水运动时，即水相对于传感器流动（运动导体）切割传感器磁场，产生感应电压，作为船速信号，此电压的大小与水流速度（船速）成正比关系 EgMBLV=KV EgM（BD）EgM/k EgM：感应电动势（伏） B：交变磁感应强度（韦伯/米2） L：两电极之间的水平距离（米） V：传感器下水的流速（即航速）,原理 (1)利用电磁感应原理来测量船舶航行时相对于水的速度，并累计航程的计程仪。 E=BLV10-8 V=E/（BL10-8 ） (2)实现:传感器 (3)计程原理:S=Vdt,0,t,一、电磁计程仪,2、主要组成及作用 1）传感器-测速器件 将船舶相对于水流的速度，转换成与该速度成正比的电信号的器件。 传感器的输出电压Eg与航速成正比。也就是说测量出Eg的大小，即可换算出船舶相对海水的速度。 传感器有两种：测杆式（管道式）和平面式；传感器一般安装在船底距首12船长处，不能安装在测深仪换能器的前方。 进坞时应检查传感器电极有无损伤，并进行清洁；每三年进行一次水密实验；定期检查传感器舱室内是否有积水，是否存在高温；平面型传感器，若船舶在海水中停泊较长时，应定期向传感器供电，以防海生物寄生。 2）放大器 将传感器送来的微弱电信号进行足够的放大，并去除干扰和变换，输出直流航速信号。 题计程仪输出至其他导航仪器的航速信息规定为200P/海里。 3）显示器 航速显示 将放大器输出的直流航速信号转换成航速。 例如：如果用05mA代表一节航速，那么125mA代表25节。 航程显示,2019/8/31,23,可编辑,一、电磁计程仪,3.使用与注意事项 1）开机 （1）接通开关箱上的“电源”开关(main switch)，传感器和放大器工作（放大器内的电源开关平时应放在“接通”位置）。 （2）接通指示器上的“电源”开关(power)，显示器工作，航速表指示航速。 （3）将显示器上的“储存-显示”开关(storage-display)置于“显示”位置，航程显示窗口以数字显示航程；若“储存-显示”开关置于“储存”位置，则航程显示窗口不显示航程，但仍继续累计航程。 （4）当需要将航程复零时可按下“复零”按钮(reset)，航程显示为零。但航行中切勿触动“复零”按钮，否则航程将被清除。 （5）使用显示器内的“航程选择”开关(distance change)根据需要选择航程显示的小数点位数为小数后1位或2位。 （6）放大器内的“工作-自校”转换开关(operation-self correcting change)，平时置于“工作”位置，当需要自校时转换到“自校”位置，自校完成后仍放在“工作”位置。 2）关机 断开显示器上的“电源”开关和放大器上的“电源”开关。,3）使用注意 （1）按规定测量计程仪改正率。 （2）电磁计程仪是相对计程仪，只能测量相对航速与航程，当需要求真航速和航程时，需要按计程仪改正率进行改正。 （3）必要时可利用仪器本身的“自校”功能，对显示航速的准确性进行检测与校正。 （4）按规定维护保养好传感器，使其始终保持良好状态。 （5）经常清洁放大器和显示器内，防止灰尘等影响电子器件的正常工作。,二、多普勒计程仪（DOPPLER LOG）,多普勒计程仪是一种利用多普勒效应测量船舶绝对测速和航程或相对于水层的速度和航程的计程仪。现代船舶上大多使用此种计程仪。 多普勒计程仪与电磁计程仪比较，具有下列优点： 1、测速精度可达001kn（0005ms），测量误差小于05%； 2、可同时测量纵向和横向速度； 3、在跟踪深度范围内提供绝对（船对地）速度。 满足大型船舶要求，为雷达真运动显示和卫星导航系统提供绝对速度。 跟踪海底时（浅水中），测量的是对地速度，即绝对速度；当跟踪水层时，测量的是对水的速度，即相对速度。 缺点 所测船速受声速的影响较大。 船速随声速变化而变化。,二、多普勒计程仪（DOPPLER LOG）,1.测速、计程原理 1)多普勒效应 多普勒效应是奥地利物理学家多普勒（CJDoppler）于一个世纪前发现的一种物理现象，即声源与观测者之间存在相对运动时，观测者所接收到的频率与声源发射频率之间出现一个频差，这种现象叫做多普勒效应。 在日常生活中，说明多普勒效应的实例是很多的，其中最明显的例子是高速行驶的火车的汽笛声调的变化。 声调的变高和变低，说明站台上的人们所听到的频率变高或变低了。这说明由于观察者（站台上的人们）与声源（火车汽笛）之间存在相对运动，观察者所接收到的频率与声源发射频率之间出现了频差。 多普勒一次效应： f1f1f0f0C 多普勒二次效应： f2f2f0f02C （96） 由上式可以看出，声源与接收机同装于船舶点上，当船舶以速度向反射体D处驶近时，接收频率比发射频率增加一个f2。 f2比f1在数值上增加一倍，故称这种情况为多普勒二次效应。 用同样的方法分析，船舶以速度远离发射体行驶时，接收频率比发射频率减少一个f ，与船舶驶近发射体所得到的接收频率增加一个f 的数值相等，但符号相反。,二、多普勒计程仪（DOPPLER LOG）,1、测速、计程原理 1）多普勒效应 由多普勒频移公式可以看出，若发射超声波频率f 固定不变，超声波在水中的传播速度速度C视为常量，则多普勒频移与船舶航速成正比，因而可以通过测量多普勒频移的方法来测量船舶航速。 即考虑超声波遇到海底能够散射回来被接收，又考虑到其传播方向不能与船舶航速方向相垂直（因垂直时不产生多普勒效应），则将超声波发射方向选择与船速方向成某一角度，被称为发射波束俯角，一般取60。 船舶以速度向前航行，在船底安装超声波发射换能器和接收换能器（声电换能器）。发射换能器向海底发射一束超声波信号（其频率为f ，波束开角一般为36），其中一部分将沿与发射路径相反的方向反射回来，被接收换能器接收，产生了多普勒二次效应。 将船速在超声波传播方向上的分量cos代入（96）式，即得船用多普勒频移公式： f 2f0cosC 上式可变换为： Cf （2f0cos）kf 由上式可以看出，若超声波在水中的传播速度C、发射频率f 、及波束发射俯角均为已知常量，则测得多普勒频移f 后，即可换算出船舶航速，求航速对时间的积分即得船舶的航程。 船舶在风浪天气航行时，由于摇摆或颠簸的影响，会引起船速对垂直方 向的敏感，而产生测量误差。,2.单波测速原理,在船底装置一个发射与接收兼用的换能器,将超声波发射方向选择与航速方向成某一角度(一般取60)向海底发射超声波 则船速,V,O,Vcos,为了消除船舶（上下）颠簸和（纵向）摇摆对单波束测速带来的误差，提高测速精度，船用多普勒计程仪普遍应用双波束测速原理。 其办法是采用两个相互对称的发射波束。即在船底安装两个相同的发射换能器（兼作接收器使用），其中一个发射面朝向船首方向，另一个朝向船尾方向，以同样大小的波束发射俯角，分别向船首和船尾方向的海底发射超声波脉冲信号。,V,O,Vcos,船舶垂直运动速度对测速的影响,USin,U,当船舶具有向前的速度V的同时具有向上的速度U,此时向前发射的超声波的频移量为:,f1 =,2f0(Vcos -Usin ),C,V,O,船舶垂直运动速度对测速的影响,USin,U,当船舶具有向前的速度V的同时具有向上的速度U,此时向后发射的超声波的频移量为:,f2 =,-2f0(Vcos +Usin ),C,3.双波测速原理,为消除船舶摇摆时垂向分速度而产生的测速误差,目前多普勒计程仪都采用双波束测速系统,如右图,由左式可知,船舶颠簸摇摆引起的垂向运动速度对测速的影响已完全消除,二、多普勒计程仪（DOPPLER LOG）,2.主要组成及作用 1)换能器 进行能量转换的器件。 2)收发器 控制发射系统，使其产生足够功率的电信号，激励发射换能器达到所要求的声能向海底发射超声波。 3)显示器显示航速、航程 显示器的作用是将收发器送来的航速信号变为航速，并以数字方式或其它方式，在显示器和航速复示器显示。同时显示器还将航速信号变换为海里/脉冲信号，一路经电子积分器累计航程并显示，另一路送给ARPA、电子海图、综合导航仪等仪器作为自动航速输入。,二、多普勒计程仪（DOPPLER LOG）,3.影响多普勒计程仪测速精度的主要因素 1）声速的变化 C1500米秒 2）船舶上下颠簸的影响 摇摆或颠簸。,二、多普勒计程仪（DOPPLER LOG）,4.多普勒计程仪的分类1）一元多普勒计程仪（monogenesis doppler log） 即单轴多普勒计程仪,简称为多普勒计程仪。 采用双波束系统。 只能测量船舶的纵向速度，通常只作常规导航之用。 2）二元多普勒计程仪（dual doppler log） 即双轴多普勒计程仪，又称多普勒导航仪。 采用四波束系统。 可以同时测量船舶的纵向速度和横向速度，可作为船位推算导航使用。 3）三元多普勒计程仪（ternary doppler log） 即三轴多普勒计程仪（three-axial），又称多普勒进港系统及速度计程仪。 采用六波束系统。 可以同时测量船舶纵向速度、船首横移速度和船尾横移速度，能反映船舶运动的全貌，用作船舶进出港靠离码头及锚泊使用。,三、声相关计程仪,声相关计程仪于20世纪70年代初开始研制，1976年瑞典扎纳公司生产出第一台声相关计程仪，SALACCOR LOG。 声相关计程仪是应用对水声信息的相关处理技术来测量船舶航速的仪器。其特点是采用垂直向发射和接收超声波信号，并对回波信号的幅值包络进行相关信息处理来测量航速、累计航程。亦可兼作回声测深仪使用。,三、声相关计程仪,1、声相关计程仪组成及各部分的主要作用 1）换能器(transducer)（发射换能器Bt和接收换能器Bf、Ba） 发射换能器Bt安装在船底中部，由电子柜中发射系统产生的电信号推动，以较大的波束宽度向垂直方向和船首、船尾（双轴声相关计程仪还向左右舷方向发射）方向发射超声波。安装在船底靠近船首的接收换能器Bf和靠近船尾的接收换能器Ba，分别接收反射回波信号并送到电子柜。 2）电子柜(electronic unit) 包括电源系统(supply system)、发射系统(transmitting system)、放大器I、II(amplifiers)和相关处理器III(correlation processor)等。 电源系统将船电转换为计程仪所需要的电源； 发射系统产生具有较大功率的电信号推动发射换能器工作； 放大器I、II分别放大来自两个接收换能器的回波信号； 相关处理器III对经放大后的两路回波信号进行延时、乘法、积分等相关运算处理，解算出航速信息、航程信息和水深信息，送给显示器。 航速信息还送给ARPA等其他航海仪器，作为其自动航速输入。 3）显示器(display unit) 显示器将电子柜解算出的航速信息、航程信息和水深信息转换为航速、航程和水深，并以数字方式显示。,三、声相关计程仪,2.测速原理 用相关技术处理声波发射与接收信息，通过测量相关延时来计算船速。 沿船底纵向等间距安装有前向接收换能器Bf、发射换能器Bt、后向接收换能器 Ba；Bf和Ba的间距为定值S。 Bt以一定的时间间隔垂直向海底发射超声波脉冲信号，当某一瞬间tt1时，船舶所在的位置如图9-8（a）所示，即发射换能器Bt恰好位于海底A点的垂直上方。Bt所发射的超声波脉冲信号，经A点放射后，刚好被前向接收器Bf所接收，其接收信号幅值包络假定为如图9-9（A）所示的形状，可记为f1（t）。经过时间间隔后，即tt2时，船舶已向前行驶一段距离，所在位置如图（b）所示，即后向接收换能器Ba位于海底A点的垂直上方。此时Bt发射的超声波脉冲信号，经A点反射后，被后向接收换能器Ba所接收，其接收信号幅值包络如图（B）所示，可记为函数f2（t）。 显然，接收信号幅值包络取决于海底地貌，超声波传播路径中散射体的散射，介质吸收等物理条件。因此，可以认为接收信号幅值包络是随机变量，即f1（t）和f2（t）皆为随机变量。当船速不为零时，两个接收换能器收到的回波信号除存在时间延时量外，其信号包络幅值和波形几乎相同。,在船底安装两个接收换能器Rf在前、Ra在后，其间距为S，发射换能器T位于中间。 T垂直向海底发射超声波，在某时刻t1，Rf收到经