摘 要：回声测深仪是一种水深测量仪器,用以测定舰船所在海域的水深,即测量船底到海底之间的距离,对保证舰船的战术机动和航行安全具有重要的作用。文章详细介绍了回声测深仪的系统组成、工作原理及在导航中的广泛应用。

　　关键词：回声测深仪 测量 原理

　　Abstract: Echo sounder is a water depth measuring instrument for the determination of the waters where the water depth of vessels, that is measuring the distance between the bottom of the boat to the seabed, the ship's tactical mobility and to ensure the safety of navigation has an important role. Paper introduces the system composition of the echo sounder, the working principle and the wide application in navigation.

　　Key words: echo sounder measuring principle

　　引言 回声测深仪是利用超声波在水中传播的物理特性而制成的一种测量水深的水声导航仪器。回声测深仪类型很多，可分为记录式和数字式两类。通常都由振荡器、发射换能器、接收换能器、放大器、显示和记录部分所组成。回声测深仪可以在船只航行中快速准确地连续测量水深。常用于航道勘测、水底地形调查、海道测量和船只导航定位等。[1]

　　2 回声测深仪的组成

　　回声测深仪的整机方框图如图1所示。

显示器 发射系统 接收系统 发射换能器 接收换能器 电源设备 图1 整机方框图

　　显示器是整机的中枢，其作用是控制协调整机工作;测量声波往返时间并将其换算成水深加以显示。发射系统将显示器的发射指令变为一定脉冲宽度、频率和输出功率的电振荡脉冲去推动发射换能器工作。发射换能器将电振荡信号转变为机械振动信号，即将电能转换为声能，形成超声波信号向海底发射。接收换能器的作用与发射换能器正好相反，它将从海底反射来的声波信号转变为电振荡信号，即将声能转换为电能。接收系统的作用是：将来自接收换能器的回波信号加以适当地放大、选择和处理，变换为适合显示器所需要的回波脉冲信号。电源设备通常为机器内部的电源或专用的变流机，目前大多数测深仪都可直接接船电工作。[2]

　　3 回声测深仪原理

　　3.1 原理介绍

　　回声测深仪是利用超声波在海水中传播和被海底反射这一特性,实现水深测量的。只要测出超声波从发射至接收的时间间隔再根据超声波在水中的传播速度,即可计算出海水深度。

　　测量水深的原理如图2所示。在船底装有发射超声波的发射换能器A和接收超声波的接收换能器B，A与B之间的距离为S，S称为基线。发射换能器A以间歇方式向水下发射频率为20-200KHz的超声波脉冲，声波经海底发射后一部分能量被接收换能器B接收。从图2知，只要测出声波自发射至接收所经历的时间，就可由下列公式求出水深：[3]

(3-1)

　　式中：H为水面至海底的深度;D为船舶吃水;h为测量水深;S为基线长度;C为声波在海水中的传播速度，标准声速为1500m/s;t为声波自发射至接收所经历的时间。

H 水面 h D s A B M O 图2 回声测深仪测深原理图

　　显然，只要测出时间t,即可求出水深H，若换能器是收发兼用换能器，即AB=S=0，取C=1500 m/s,则测量深度h可表示为：

(3-2)

　　3.2 工作过程：

　　回声测深仪的工作过程由工作时序图(图3)予以描述：

　　显示器内的发射触发器按一定时间间隔T(称为脉冲重复周期)产生触发脉冲，该脉冲触发发射系统产生一定宽度τ(称为脉冲宽度)和一定输出功率的电振荡发射脉冲。发射换能器将电振荡发射脉冲转变为频率为20～200KHz的超声波脉冲向海底发射。在发射同时，显示器将产生与发射脉冲同步的零点信号，表示计时开始。接收换能器将来自海底的声波反射信号转变为电振荡接收脉冲信号，经接收系统放大、处理后形成回波信号送至显示器。显示器累计回波信号和零点信号间的时间间隔，并按深度公式转换为深度予以显示。[4]

τ 图3 工作时序图 t t t t t T 触发脉冲 发射脉冲 接收脉冲 深度显示 零点信号 回波信号

　　3.4 主要技术指标

　　3.4.1最大测量深度

　　最大测量深度是测深仪可能测量到的最大深度。国际海事组织(IMO)建议，适用于远洋船舶的测深仪，其最大测量深度为400m;沿海船舶的测深仪的最大测量深度为100m～200m。最大测量深度与发射功率、换能器效率和工作频率等因素有关。发射功率越大，测量深度越深;换能器效率越高，能量损耗小，测量深度越深;工作频率低，传播损耗小，测量深度越深，所以在一定的发射功率条件下，应选用较低的工作频率。

　　最大测量深度与脉冲重复周期也是密切相关的，由于测量的最大时间间隔只能是两次发射的间隔时间，即脉冲重复周期，所以，脉冲重复周期与最大测量深度的关系为：

(3-3)

　　为了使显示器所显示的深度不会超过最大测量深度，实际设计的脉冲重复周期总是略大于最大测量深度所需要的声波往返时间，即T>t。

　　3.4.2最小测量深度

　　最小测量深度是测深仪能测量出来的最小深度。发射脉冲宽度τ是决定最小测量深度的主要因素，测深仪实际能测出的最小深度应大于τ所对应的深度。即：

(3-4)

　　适用于远洋船舶的测深仪的最小测量深度一般为1～2m，而浅水测深仪的最小测量深度可达0.2～0.3m。

　　3.4.3测深仪的误差

　　测深仪的误差包括声速误差、时间电机转速误差、基线误差、零点误差等。测深仪的误差在浅水范围内允许误差为±1m，深水范围内允许误差为±5m或±5%。[5]

　　3.4.4显示方式

　　IMO规定记录式显示方式为测深仪必须具备的显示方式。数字式显示方式在现代测深仪中应用较多，常用的如发光二极管LED显示方式，以及兼具探鱼与水下勘测功能的阴极射线管(CRT)显示方式和液晶(LCD)显示方式。

　　4 回声测深仪的应用

 1/2    1 2 下一页 尾页