第四章计程仪及回声测深仪

二、多普勒计程仪（DOPPLER LOG） 多普勒计程仪
1.测速、计程原理 测速、 测速
1)多普勒效应 多普勒效应 多普勒效应是奥地利物理学家多普勒（C．J．Doppler）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： ∆f1＝f1—f0＝f0＊Ｖ／C 多普勒二次效应： ∆f2＝f2—f0＝f0＊2Ｖ／C （9—6） 由上式可以看出，声源与接收机同装于船舶Ｐ点上，当船舶以速度Ｖ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Ｖ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。
一、电磁计程仪
2、主要组成及作用 、
1）传感器----测速器件 ）传感器 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Ｖ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1／2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100P/海里。 3）显示器 ） ①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0．5mA代表一节航速，那么12．5mA代表25节。 ②航程显示
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。
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
①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 ②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。
2、分类（按测量参考坐标系来划分） 、分类
1）相对计程仪 测量对水的速度，计风不计流 ①水压计程仪 ②电磁计程仪 2）绝对计程仪 测量对地的速度，计风计流 ①多普勒计程仪 ②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 、测速、 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 EgM＝BLV=KV Ｖ＝EgM／（BD）＝k＊EgM 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）
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 海洋噪声
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。
2）船舶倾斜（摇摆）的影响 ）船舶倾斜（摇摆） 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β＞α。/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。
2）最小测量深度（hmin）（米） ）最小测量深度（ ）（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τ。 因此，最小测量深度hmin hmin≥C·τ/2≥750τ 一般为0．1米～1米。 τ≤hmin/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。
三、回声测深仪的使用及注意事项
3）脉冲重复频率（Ｆ） ）脉冲重复频率（Ｆ）（次／秒） （Ｆ） 脉冲重复频率(pulse repetition frequency – PRF)、 脉冲重复周期(pulse repetition period – PRP) Ｆ＝1／Ｔ 与测深仪的最大测量深度有关， 一般为0．3~0．6s。 4）脉冲宽度（τ）（ms） ）脉冲宽度（ ） 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0．1ms～1．3ms（毫秒）。
二、多普勒计程仪（DOPPLER LOG） 多普勒计程仪
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 优点： 优点 1、测速精度可达±0．01kn（0．005m／s），测量误差小于0．5%； 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。
4）零点误差（zero point error） ）零点误差
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。
计程仪
（SＨＩＰ’S ＬＯＧ）
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.影响正常测深的主要因素 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。
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 ）船底污物、
一、回声测深原理
1、水声学有关知识 、 3）声波的传播 ） 声速只取决于介质的物理常数，而与声源的振动频率 无关。 在空气中： C＝330m／s；在水中： C＝1500m／s 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。
二、组成及各部分的主要作用
1、回声测深仪的组成 、
1）控制及显示器 ）
2）换能器 ）
3）电源系统 ）
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（ 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（Ｔ）（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t〈T）， 故应选择适当的发射间隔时间，即脉冲重复周期Ｔ。 hmax≤750Ｔ 一般为200米～1000米，最大2000米
计程仪 与 测深仪
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。
一、回声测深原理
1、水声学有关知识 、 1）声源 ） 2）声波的分类 ） 按频率分：次声波（20Ｈz以下）
可闻声波（20Ｈz～～20kＨz） 超声波（20kＨz以上）
按发射方式分： 连续波、脉冲波
三、回声测深仪的使用及注意事项
3.回声测深的误差 回声测深的误差
1）声速误差(acoustic velocity error) ）声速误差
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） ）基线误差
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）时间电机转速误差(speed of revolution ）时间电机转速误差 error of timing-motor)
8）换能器及换能器指向性 ） θ0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 θ0一般在10°----15°，而多普勒计程仪的θ0 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
5）工作频率（operating frequency） ）工作频率 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20～60kＨz之间，最 大可达200kＨz。 6）发射功率 ）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 ）