测深仪 计程仪 GPS.5月修订.docVIP

第三章 船用回声测深仪 船用回声测深仪（echo souder）是利用超声波在水中的传播物理特性而制成的一种测量水深的水声导航仪器。船用回声测深仪实现测深的基础是：通过测量超声波（ultrasonic wave）自发射经水底反射至接收的时间间隔，从而确定水深。 早期的船用回声测深仪设计与结构较为简单，如闪光式测深仪通过机械触发方式控制超声波的发射与计时，以模拟刻度盘的方式显示水深读数，其特点是设备成本低，但测量精度差，设备故障率高，使用维护麻烦。 现代的船用回声测深仪普遍采用了先进的数字处理技术，通过软件控制超声波的发射和接收；同时使用高清晰度的液晶显示器（LCD）和菜单式的人机友好界面，可通过键盘操作来控制整机工作，而且可显示回波图像或存储数字水深信息，实现深度报警、数据打印等功能，如南京新吉坡船用电子有限公司生产的ED-162型测深仪、挪威SKIPPER电气公司生产的GDS101型测深仪、日本JMC公司生产的F-3000型测深仪等。 船用回声测深仪用于发射和接收超声波的设备是水声换能器（transducer），可实现电能与声能的相互转换，常用的水声换能器有磁致伸缩换能器（magnetostrictive transducer）和电致伸缩换能器（electrostrictive transducer）两种。 在航海上，船用回声测深仪的主要用途是： 1．在情况不明的海域或浅水航区航行时，测量水深以确保船舶航行安全。 2．在其他导航仪器失效的特殊情况下，可通过测量水深来辨认船位。 3．用于航道及港口测量方面，提供精确的水文资料。 4．现代化多功能的船用测深仪还可实现水下勘测、鱼群探测跟踪等功能。 第一节 回声测深仪工作原理 一、回声测深仪工作原理 回声测深仪是利用测量超声波自发射至被反射接收的时间间隔来确定水深的。 测量水深的原理如图3-1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，声波经海底反射后一部分能量被接收换能器B接收。从图3-1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： （3-1） 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，声波在海水中的标准声速为1500m/s；t为声波自发射至接收所经历的时间。 若换能器是收发兼用换能器，即AB=S=0，取C=1500 m/s,则测量水深h可表示为 （3-2） 二、回声测深仪各部分组成及工作过程 回声测深仪的整机方框图如图3-2所示。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（transmit system）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（receiver system）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。 现代的回声测深仪，除换能器外，其它各部分均安装在同一机壳内，形成测深仪的主机部分。 回声测深仪的工作过程可以由工作时序图予以描述，如图3-3所示。 显示器内的发射触发器按一定时间间隔T产生触发脉冲，该脉冲触发发射系统产生一定宽度τ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工作频率为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。 三、闪光式测深仪工作原理 闪光式回声测深仪是早期一种典型的回声测深仪，它的结构与设计较为简单。其工作原理如图3-4所示。 时间电机是闪光式测深仪显示装置的驱动部分，它的转速要求恒定。时间电机的转速可通过变速箱内的变速齿轮予以变速，变速比的不同决定了测深仪量程的变化。带有氖灯的转盘在时间电机的驱动下匀速旋转，当氖灯刚好转至固定刻度盘的零位时，氖灯被点亮一次，其光线透过转盘上的缝隙在刻度盘零位处可看到一窄光线，表示零点信号，即为计