回声测深仪的测量原理.doc

超声波测深过程 超声波测深的基本过程是换能器发射超声波，超声波碰到水底反射回来，换能器接收到回波，由软件和硬件计算出超声波往返行程时间，换能器到水底的距离就等于超声波往返行程时间的一半。其公式如下:d=12ct(2.3)式中:d为换能器到水底的距离。c为超声波在水中的传播速度。t为超声波往返的时间。如果想得到船底到水底的深度，还必须到过下式来计算:h=d+s式中:d为换能器到水底的距离。s为换能器到船底的距离。h为船底到水底的深度。 所以计算深度的关键在于计算t，即发射和接收的时间差，也就是回波延迟时间。如在信号发射时开始采样，对采样数据进行存储，假设回波前沿对应于存储缓冲区k,已知采样频率fs，则式(2.3 )变换为式(2.4):d=ck2fs (2.4)换能器终端显示收发装置水面hDd图2.4测深仪深度测量原理图在测深过程中，利用水下声波的特性有以下四个近似的假定:1)直进性水下没有温度梯度时，声波基本上成直线传播;2)等速性在水下声波的传播声速几乎是相同的:3)反射性在不同介质的交界面上，声波将发生反射;4)相位连续性同一声源发出的声波，在时间和空间上是连续的。 回波中夹杂着各式各样的干扰，有外界窜入到系统内的各种干扰，如外界电磁信号的干扰、海洋自然噪声、舰船自身的噪声、舰船与水的冲击噪声、发动机、螺旋桨和流水的噪声干扰、同一舰船或附近舰船同时工作的测深仪和声呐仪器引起的干扰、水中的气泡、杂物、鱼群等对声波信号的干扰;还有系统内部电路的各种干扰，如电路中的电阻噪声，放大电路正反馈引起的自激振荡等。水深数据的正确性，取决于所测时间t的正确性，而t的正确性唯一决定因素就是接收到的回波是否是真正的海底回波，关键是检测回波前沿对应于采样缓冲区k值。回波识别的关键是能去除回波中的干扰信号，在检测采样数据缓冲区时使用下面三种方法能有效的滤除干扰信号，正确识别回波信号。 1)杂波抑制:为避免水中杂物、鱼群等对水底回波信号的干扰，需要对干扰信号进行抑制。门限电平与系统增益有关，一般设为0.8Vo 2)抑制泄漏:又称为零线抑制。为了避免泄漏信号干扰回波检测，前n个采样序列不用，n的值根据不同的量程范围的零线抑制而定，但在小量程回波延时很短时要确保不能把目标回波的有用信息全部抑制。 3)噪声抑制:对回波宽度小于噪声抑制值时，认为是噪声信号。考虑到上述因素的系统部分设计参数如表2.2所示。量程5m10m25m50m250m500m脉冲宽度0.1ms0.2ms0.4ms0.6ms3ms4ms零线抑制时间0.2ms0.5ms0.6ms0.8ms1ms1ms噪声抑制滤波时间0.3ms0.5ms0.6ms0.8ms0.8ms1ms重复频率（分）4402502502008844 海底深度的变化一般都是连续的，因此，一般情况下，k值相对于上一次值不会有很大的变化，以下三种原因肯能引起k值较大的变化:1)由于回波识别错误引起延时计算错误;2)海底深度突变;3)大面积的干扰物(如鱼群)突然进入换能器视场。 因此，在一次计算完深度后都要作以下工作:最近的5个即时值与上一次记录值比较，若绝对误差均小于深度门限值，则显示即时值(有效记录);若绝对误差均大于门限值，则显示即时值(存在突变);否则仍然显示上一次记录值。本文设计的回声测深仪采用两种方法计算深度，一是距离波门算法，二是多次回波算法。距离波门算法利用一次回波计算深度，所谓距离波门，就是根据前一脉冲或前一组脉冲测量的结果而计算出来的一段缓冲区检测门限。寻找一次回波时不需要检测全部采样缓冲区，只需在该门限内寻找即可，当门限内没有回波时，说深度突变或回波丢失，这时再在全部采样缓冲区搜索回波，并给出相应报警。距离波门范围根据前次有效测量深度值而定，一般是该值加减10%。这种方法缩小了采样缓冲区检测范围，提高了算法速度;只在距离波门内搜索回波，提高了算法的抗噪声干扰能力;根据距离波门内有无回波来设置报警，当出现“事故”时能及时报警，提高了回声测深仪的报警系统能力。相对于发射脉冲，回波信号包括泄露、一次回波、二次回波、噪声等。回波信号在进行显示和深度计算之前首先被ADC。鉴于提高测量精度以及减小存储量两方面考虑，具体速率参数如表2.3所示，采样数据长度为定长1024字节。根据采样速率和回波延时大小分析，把采样缓冲区定为1K字，对于S米量程，最大延时量为 Tmax=2DV=251500=6.67ms采样速率为50 kHz，一次回波对应于缓冲区k值最大为 Kmax= Tmaxfs=6.67ms50103对于10米量程，最大延时量为Tmax=2DV=2101500=13.3ms采样速率为25 kHz，一次回波对应于缓冲区k值最大为Kmax= Tmaxfs=13.3ms25103由于采样缓冲区为1K字，因此S米量程和10米量程时的所有深度值均能被采样到3次回波。因此，进行深度计算时，可以利用多次回波总延时求平均值，也可以利用高次回波之间的时间差。由于小量程时回波泄漏比较严重，通常一次回波不能完全检测出来，通常利用高次回波之间的时间差来计算深度。对于收发一体式超声换能器，其声波发射信号与回波信号有明显的相似性，可以通过互相关运算来判断回波到达时刻。互相关函数可表示为式2.10xy (m)=n=-x(n)y(n+m)