測深儀工作原理與安裝ppt課件

1、測深儀工作原理及其安裝,演講者：蔡鵬,1,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，其運動規(guī)律符合波動理論，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。,2,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).今天聲納這個詞含義已

2、超出原來的定義，泛指水聲儀器。,3,3、水中聲速 回聲儀通過測量超聲波以已知速度，從一個已知點（測船）到反射表明（水底）并返回所需的傳播時間來測定水深。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：,4,典型海洋聲速剖面圖,深部等溫層,永久性溫躍層,季節(jié)性溫躍層,表面層,5,影響聲速的三個關(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1C,6,水中聲速表,7,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。信號的衰減、干擾和來自

3、邊界及水體中的一些成分的相互作用會造成聲源的延遲、畸變、減弱和丟失。聲波在水體中傳播時，其強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。,8,1、擴(kuò)散衰減 擴(kuò)散衰減指聲波傳播中因波陣面得面積擴(kuò)大導(dǎo)致的聲強減弱的現(xiàn)象。由于測深儀的聲源輻射為球面波，故其聲強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，則聲強損失6dB.,9,測深儀接收到聲波其傳播距離實際上是水深的兩倍，衰減很大，通常測深儀都設(shè)有時變增益（Time Varied Gain簡稱TVG）電路來補償信號的擴(kuò)散衰減，TVG放大器對回波信號的增益隨傳播時間的增加而增加。,10

4、,11,2、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，水體的吸收衰減為0.14dB/m;而頻率降低到50HZ時，衰減只有0.014dB/m。當(dāng)選擇換能器時，主要應(yīng)滿足指定深度標(biāo)準(zhǔn)。,12,3、散射衰減 聲波在水體中傳播時，因碰到另外一種媒介組成的障礙(如泥沙、氣泡、微生物、以及溫變曾等）而向不同方向產(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)，在半徑一定時與

5、頻率的4次方成正比，而在頻率一定時，與半徑的6次方成正比。,13,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)計和選擇測深儀時，除采取電路措施外，也選擇合適的頻率。一般對于深水、渾水、軟底水域測深，應(yīng)選用低頻（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,14,噪聲,噪聲是一種不需要的聲音，它能干擾測深儀的正常運行，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。 對噪聲的分析可知道我們正

6、確選擇儀器的安裝位置和使用方式，當(dāng)然也有利于我們設(shè)計和使用儀器內(nèi)部的各種濾波器來消除各種噪聲的干擾。,15,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。,16,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，最顯著的事船只的動力系統(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)生的聲音會進(jìn)入超聲范圍（15KHZ以上），能對聲納系統(tǒng)造成破壞性影響。,17,水流和氣泡也會產(chǎn)生噪聲。對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。

7、水流噪音是當(dāng)換能器與它周圍的水體之間產(chǎn)生相對運動時產(chǎn)生的，黨流速增加時，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，一般都有一個速度門限。,18,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)生在船只的推進(jìn)器上，所以安裝換能器時，一定要遠(yuǎn)離類似的裝置。,19,環(huán)境噪聲 環(huán)境噪聲是自然或人類活動引起的。從回聲測深的角度來看，明顯的噪音源包括水動力噪聲、海洋交通和發(fā)聲生物。,20,水動力噪聲來自自然現(xiàn)象，例如：風(fēng)、浪、雨或水流。其強度變化很大，與江河湖海的狀況密切相關(guān)。在劇烈的暴風(fēng)雨中，水動力噪音可能使發(fā)送的信號難以接收。 海洋交通

8、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。,21,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物的運動也會造成非常大的噪聲,22,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 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。,23,測深儀的種類、型號很多，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

9、,24,測深儀的分類,1、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、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 (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,25,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)

10、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)換成電信號送至接收機(jī)，再經(jīng)放大器將信號加以放大，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相對于發(fā)射脈沖的延時時間， 自動轉(zhuǎn)換成深度數(shù)據(jù)。,26,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，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，測得聲波信號往返行程所經(jīng)歷的時間為t，則：Z = Vt,27,水底信號識別技術(shù) 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波，水底的反射條件各不相同，在淺水

11、區(qū)還有可能出現(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，需要采用相關(guān)的技術(shù)。 1、水底門跟蹤技術(shù)（也叫時間門跟蹤技術(shù)） 由于水底的變化是比較平緩的，兩次測深之間（約0.1秒），水深變化不會太大，我們假定二次深度的變化量為10%,則我們就在上次正確回波時刻前10%Z到后10%Z開一道時間門，只有在時間門內(nèi)的回波我們才認(rèn)為是正確的回波，這10%就叫時間門寬度，一旦時間門內(nèi)沒有回波，就逐漸擴(kuò)大時間門直至全程搜索回波，直到重新捕獲正確的回波。,28,2、脈寬選擇 對于大多數(shù)情況來說，水底面的回波脈沖寬度是最大的，而干擾信號和二次回波的脈沖寬度相對要小，脈寬選擇就是識別最大脈沖寬度的

12、脈沖作為正確回波信號，當(dāng)然還要配合時間門一起來識別。 3、信號門檻 如果你的測區(qū)或環(huán)境有較多的干擾，你可以把信號門檻設(shè)置增大，把信號門檻提高就可以把干擾信號慮除掉。但是信號門檻也不能過大，過大有可能把較弱的回波信號也慮除掉，門檻的不同會在一定程度上影響測深精度，所以適當(dāng)?shù)倪x取合適的信號門檻對于抑制干擾，穩(wěn)定跟蹤有好處。,29,4、自動增益控制 自動增益控制技術(shù)可以根據(jù)測量回波脈沖的信號的強度，回波信號過強時自動控制接收放大電路降低增以防止干擾信號過多。當(dāng)回波信號幅度過小時，自動控制接收放大電路提高增益，以接收回波。自動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90D

13、b，可以使用自動增益或手動增益 5、時間增益控制（TVG） 聲波在水中傳播時，聲強按指數(shù)規(guī)律衰減，為保持信號幅度的 平穩(wěn)，TVG將控制接收放大器按相反的規(guī)律增長放大倍數(shù)，這就是時間增益控制。,30,測深儀的安裝,換能器的安裝要求.1換能器應(yīng)安裝在船底振動最小、在航行時不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)生電干擾的電器設(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)水口。.2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)安裝在同一水平面

14、，兩換能器的工作面的船舶不傾斜時，應(yīng)平行于水平面，對水平面的傾斜角不得大于+3。,31,4、換能器的安裝不應(yīng)影響船體的結(jié)構(gòu)強度和水密性能，必要時應(yīng)采用加強板或水密隔層，并應(yīng)進(jìn)行水密試驗。 5、在油船上安裝換能器時，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。 6、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)。 7、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。,32,單波束換能器安裝介紹,單頻換能器,雙頻換能器,33,船側(cè)安裝圖解,34,35,船底安裝圖解,36,多通道測深儀安裝圖解,37,多通道換能器安裝圖解,38,以6通道為例，換能器安裝的間距要根據(jù)換能器的波束角和測區(qū)的水深來確定，確保每個波束之間有適當(dāng)?shù)?/p>