测深仪工作原理与安装

测深仪的安装
• 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 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电器设备。安装 位置的周围，不应有突出物并要远离排水或进水 口。 .2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 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。 .3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 于水平面，对水平面的倾斜角不得大于+3º 。
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。
• 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。
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).今天声纳这个词含义已超出 原来的定义，泛指水声仪器。
• 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：
当波束角为12度，水深10 米时，换能器的间距为2米。
操作注意事项
1: 严禁用手抓电缆提起换能器，一旦电缆损 坏，整个换能器将报废。
2：触摸屏的操作要使用不带指甲的手指进行触摸，谨防刮 伤触摸屏造成阻值异常导致无法正常操作。 3：请勿用U盘拷贝无关软件游戏入微机中，以免带入病毒 造成系统崩溃，从而造成不应有的损失。 4：系列产品请轻拿轻放。
• 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。
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。
• 1、扩散衰减 • 扩散衰减指声波传播中因波阵面得面 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.
单波束换能器安装介绍
单频换能器
双频换能器
船侧安装图解
船底安装图解
多通道测深仪安装图解
多通道换能器安装图解
以6通道为例，换能器安 装的间距要根据换能器的波束 角和测区的水深来确定，确保 每个波束之间有适当的重叠， 如果换能器的波束角为a度， 水深为z米，则换能器的间距 为：
d= 2z * tag(a/2)
• 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。
• 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。
• 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。
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 波信号相对于发射脉冲的延时 时间， 自动转换成深度数据。 记录显示设备
• 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。
• 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。
• 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
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．
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。
• 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
测深仪的分类
• 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
1、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、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 (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
1560 1540 1520 1500 1480 1460 1440 1420 1400 0 5 10 15 20 25 30 35 Temperature (degrees C) 0 ppt 5 ppt 10 ppt 15 ppt 20 ppt 25 ppt 30 ppt 35 ppt
Velocity (m/sec)
• 4、自动增益控制 • 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 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 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90Db， 可以使用自动增益或手动增益 • 5、时间增益控制（TVG） • 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 • 平稳，TVG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。
• 4、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 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 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 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， 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 管内。 • 7、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。
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• 2、脉宽选择 • 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 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 别。 • 3、信号门槛 • 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 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 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。
激发器
电源设备 换能器
放大器
海面
海
底
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 = Vt／２
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 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 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 术。 1、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 （约0.1秒），水深变化不会太大，我们假定二次 深度的变化量为±10%,则我们就在上次正确回波 时刻前10%×Z到后10%×Z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回波，这 ±10%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 捕获正确的回波。
典型海洋声速剖面图
表面层 季节性温跃层
永久性温跃层
深部等温层
• • • •
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 1º = 声速约变 3 m/s C 3、压力 ：165米深度变化的影响相 当于温度变1º C
水中声速表
Sound velocity (at surface)
• 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。
• 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0.014dB/m。当选择换能器时， 主要应满足指定深度标准。
测深仪工作原理及其安装
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。