第四章计程仪及回声测深仪

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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（,20,z,以下）,可闻声波（,20,z,20k,z,）,超声波（,20k,z,以上）,按发射方式分： 连续波、脉冲波,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。,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。,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（,h,max,）,最大测量深度,h,max,(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（）（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,tT,），故应选择适当的发射间隔时间，即脉冲重复周期。,hmax750, 一般为,200,米,1000,米，最大,2000,米,2,）最小测量深度（,h,min,）（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,。,因此，最小测量深度,h,min,hminC/2750,一般为,0,1,米,1,米。,hmin/750,三、回声测深仪的使用及注意事项,3,）脉冲重复频率（）,（次秒）,脉冲重复频率,(pulse repetition frequency PRF),、脉冲重复周期,(pulse repetition period PRP),1, 与测深仪的最大测量深度有关，一般为,0,30,6s,。,4,）脉冲宽度（,）,（,ms,）,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）。,5,）工作频率,（,operating frequency,）,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,20,60k,z,之间，最大可达,200k,z,。,6,）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,8,）换能器及换能器指向性,0,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,0,一般在,10,-15,，而多普勒计程仪的,0,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,2.,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。,2,）船舶倾斜（摇摆）的影响,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,。,/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,。,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,三、回声测深仪的使用及注意事项,3.,回声测深的误差,1,）声速误差,(acoustic velocity error),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,）,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 error of timing-motor),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,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,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。,4,）零点误差,（,zero point error,）,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,（,S,S,）,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,、分类,（按测量参考坐标系来划分）,1,）相对计程仪,测量对水的速度，计风不计流,水压计程仪,电磁计程仪,2,）绝对计程仪,测量对地的速度，计风计流,多普勒计程仪,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,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,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、电磁计程仪,2,、主要组成及作用,1,）传感器,-,测速器件,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,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。,航程显示,一、电磁计程仪,3.,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。,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。,二、多普勒计程仪,（,DOPPLER LOG,）,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,：,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。,二、多普勒计程仪,（,DOPPLER LOG,）,1.,测速、计程原理,1),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,f1f0,f0,C,多普勒二次效应：,f2,f2f0,f0,2,C,（,96,）,由上式可以看出，声源与接收机同装于船舶点上，当船舶以速度向反射体,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。,二、多普勒计程仪,（,DOPPLER LOG,）,1,、测速、计程原理,1,）多普勒效应,由多普勒频移公式可以看出，若发射超声波频率,f,固定不变，超声波在水中的传播速度速度,C,视为常量，则多普勒频移与船舶航速成正比，因而可以通过测量多普勒频移的方法来测量船舶航速。,即考虑超声波遇到海底能够散射回来被接收，又考虑到其传播方向不能与船舶航速方向相垂直（因,垂直时不产生多普勒效应,），则将超声波发射方向选择与船速方向成某一角度,，,被称为发射波束俯角，,一般取,60,。,船舶以速度向前航行，在船底安装超声波发射换能器和接收换能器（,声电换能器,）。发射换能器向海底发射一束超声波信号（其频率为,f,，波束开角一般为,3,6,），其中一部分将沿与发射路径相反的方向反射回来，被接收换能器接收，产生了多普勒二次效应。,将船速在超声波传播方向上的分量,cos,代入（,96,）式，即得船用多普勒频移公式：,f,2f0,cos,C,上式可变换为：,C,f,（,2f0cos,）,k,f,由上式可以看出，若超声波在水中的,传播速度,C,、,发射频率,f,、及,波束发射俯角,均为已知常量，则测得,多普勒频移,f,后，即可换算出船舶航速，求航速对时间的积分即得船舶的航程。,船舶在风浪天气航行时，由于摇摆或颠簸的影响，会引起船速对垂直方,向的敏感，而产生测量误差。,为了,消除船舶（上下）颠簸和（纵向）摇摆对单波束测速带来的误差,，提高测速精度，船用多普勒计程仪普遍应用双波束测速原理。,其办法是采用两个相互对称的发射波束。即在船底安装两个相同的发射还能器（兼作接收器使用），其中一个发射面朝向船首方向，另一个朝向船尾方向，以同样大小的波束发射俯角，分别向船首和船尾方向的海底发射超声波脉冲信号。,二、多普勒计程仪,（,DOPPLER LOG,）,2.,主要组成及作用,1),换能器,进行能量转换的器件。,2),收发器,控制发射系统，使其产生足够功率的电信号，激励发射换能器达到所要求的声能向海底发射超声波。,3),显示器,显示航速、航程,显示器的作用是将收发器送来的航速信号变为航速，并以数字方式或其它方式，在显示器和航速复示器显示。同时显示器还将航速信号变换为海里,/,脉冲信号，一路经电子积分器累计航程并显示，另一路送给,ARPA,、电子海图、综合导航仪等仪器作为自动航速输入。,二、多普勒计程仪,（,DOPPLER LOG,）,3.,影响多普勒计程仪测速精度的主要因素,1,）声速的变化,C,1500,米秒,2,）船舶上下颠簸的影响,摇摆或颠簸。,二、多普勒计程仪,（,DOPPLER LOG,）,4.,多普勒计程仪的分类,1,）一元多普勒计程仪,（,monogenesis,doppler,log,）,即单轴多普勒计程仪,简称为多普勒计程仪。,采用双波束系统。,只能测量船舶的纵向速度，通常只作常规导航之用。,2,）二元多普勒计程仪,（,dual,doppler,log,）,即双轴多普勒计程仪，又称多普勒导航仪。,采用四波束系统。,可以同时测量船舶的纵向速度和横向速度，可作为船位推算导航使用。,3,）三元多普勒计程仪,（,ternary,doppler,log,）,即三轴多普勒计程仪（,three-axial,），又称多普勒进港系统及速度计程仪。,采用六波束系统。,可以同时测量船舶,纵向速度,、,船首横移速度,和,船尾横移速度,，能反映船舶运动的全貌，用作船舶进出港靠离码头及锚泊使用。,三、声相关计程仪,声相关计程仪于,20,世纪,70,年代初开始研制，,1976,年瑞典扎纳公司生产出第一台声相关计程仪，,SALACCOR LOG,。,声相关计程仪是应用对水声信息的相关处理技术来测量船舶航速的仪器。其特点是,采用垂直向发射和接收超声波信号,，并对,回波信号的幅值包络,进行相关信息处理来测量航速、累计航程。亦可,兼作回声测深仪,使用。,三、声相关计程仪,1,、声相关计程仪组成及各部分的主要作用,1,）换能器,(transducer),（,发射换能器,Bt,和接收换能器,Bf,、,Ba,）,发射换能器,Bt,安装在船底中部，由电子柜中发射系统产生的电信号推动，以较大的波束宽度向,垂直方向,和船首、船尾（双轴声相关计程仪还向左右舷方向发射）方向,发射超声波,。安装在船底靠近船首的接收换能器,Bf,和靠近船尾的接收换能器,Ba,，分别接收反射回波信号并送到电子柜。,2,）电子柜,(electronic unit),包括电源系统,(supply system),、发射系统,(transmitting system),、放大器,I,、,II(amplifiers,),和相关处理器,III(correlation,processor),等。,电源系统将船电转换为计程仪所需要的电源；,发射系统产生具有较大功率的电信号推动发射换能器工作；,放大器,I,、,II,分别放大来自两个接收换能器的回波信号；,相关处理器,III,对经放大后的两路回波信号进行延时、乘法、积分等相关运算处理，解算出航速信息、航程信息和水深信息，送给显示器。,航速信息还送给,ARPA,等其他航海仪器，作为其自动航速输入。,3,）显示器,(display unit),显示器将电子柜解算出的航速信息、航程信息和水深信息转换为航速、航程和水深，并以数字方式显示。,三、声相关计程仪,2.,测速原理,用相关技术处理声波发射与接收信息，通过测量,相关延时,来计算船速。,沿船底纵向等间距安装有前向接收换能器,Bf,、发射换能器,Bt,、后向接收换能器,Ba,；,Bf,和,Ba,的间距为定值,S,。,Bt,以一定的时间间隔垂直向海底发射超声波脉冲信号，当某一瞬间,t,t1,时，船舶所在的位置如图（,a,）所示，即发射换能器,Bt,恰好位于海底,A,点的垂直上方。,Bt,所发射的超声波脉冲信号，经,A,点放射后，刚好被前向接收器,Bf,所接收，其接收信号幅值包络假定为如图（,A,）所示的形状，可记为,f1,（,t,）。经过时间间隔,后，即,t,t2,时，船舶已向前行驶一段距离，所在位置如图（,b,）所示，即后向接收换能器,Ba,位于海底,A,点的垂直上方。此时,Bt,发射的超声波脉冲信号，经,A,点反射后，被后向接收换能器,Ba,所接收，其接收信号幅值包络如图（,B,）所示，可记为函数,f2,（,t,）。,显然，接收信号幅值包络取决于海底地貌，超声波传播路径中散射体的散射，介质吸收等物理条件。因此，可以认为接收信号幅值包络是随机变量，即,f1,（,t,）和,f2,（,t,）皆为随机变量。,三、声相关计程仪,3.,声相关计程仪的使用（,SAL-865,型）,SAL-865,型声相关计程仪是瑞典札纳公司生产的一种最新双轴计程仪，不但可以测量船舶纵向航行速度，而且还可以测量船舶横向移动速度。在大型和超大型船舶进出港、靠离泊或进出坞时，能够指示出人的视觉所无法测定的船舶极为微小的横移速度，以确保船舶的安全。,SAL-865,型声相关计程仪还以其独创的换能器基阵，通过微机控制，巧妙地组合换能器的工作状态，从而实现了不仅能测量船舶纵向速度，也能测量船舶横向速度的较完善的功能。,SAL-865,型声相关计程仪由换能器,(transducer),、微机,(microcomputer),、信号分配箱,( signal distribution box,和航速、航程、水深显示器,(speed and distance and depth display unit),组成。跟踪方式分为海底跟踪和水层跟踪，最大海底跟踪水深为,300m,，当水深超过,300m,时自动转换为跟踪水层；测量纵向速度范围为,8,40kn,，测量横向速度范围为,8,8,kn,；纵向航程指示范围为,9999.9 n mile,，横向航程范围为,999.9 n mile,；门限速度为,0.1,kn,；对海底跟踪时测深范围为,2 m,300 m,；工作频率为,150kHZ,。,SAL-865,型声相关计程仪使用非常方便。安装在驾驶台的显示器上设有“电源与亮度调节旋钮”和“跟踪方式选择旋钮”，顺时针转动“电源与亮度调节旋钮”接通电源后，仪器即可正常工作，各显示窗口以数字方式显示航速、航程、水深等。当“跟踪方式选择旋钮”选择对海底跟踪时，测量绝对航速和航程。水深超过,300m,时自动转换为对水层跟踪,也可以通过“跟踪方式选择旋钮”直接选择对水层跟踪。,四、三种计程仪的比较与误差分析,目前，船舶使用的三种计程仪即以上所讲的电磁计程仪、多普勒计程仪和声相关计程仪，虽然都是测量船舶航速、航程的仪器，但其测速原理各不相同；测速功能各不相同；测量精度也不相同。,电磁计程仪是一种相对计程仪，且为单轴计程仪，只能测量船舶相对水的纵向航速、航程，不利于大型船舶的操纵。计程仪测量的航速、航程与船舶的实际航速、航程有较大的误差，其误差除了受水流影响外还受传感器的工作性能好坏、放大器线性良好程度和显示器的显示性能等有关。应经常测定计程仪改正率，以便利用计程仪航速推算船位时，将计程仪显示的航速改正为船舶实际航速。现代船舶上使用电磁计程仪的已较少。,多普勒计程仪与电磁计程仪相比较，具有测量精度高；门限速度小；能够测量船舶横向移动速度，并以,m/s,等精确的方式显示；能够测量船舶绝对速度，并提供给,ARPA,等其他航海仪器。测量的航速、航程与船舶实际的航速、航程存在的误差，主要是由于超声波在水中的传播速度发生变化引起的，误差相对较小。若仪器具有“水温补偿”功能和“盐分补偿”功能，则误差可忽略不计。当水深较深超过其跟踪水深时，计程仪只能对水层跟踪，测量相对水层的航速、航程。此时，计程仪测量的航速、航程与船舶实际的航速、航程不相等，由于受超声波在水中传播速度变化的影响和水流的影响，将有一定的误差，在利用计程仪航速推算船位时，应将计程仪显示的航速改正为实际航速。,声相关计程仪在三种计程仪中是功能比较齐全、比较先进的计程仪。它与电磁计程仪比较具有测量精度高；能够测量绝对航速、航程；能够测量船舶横向移动速度等优点。与多普勒计程仪比较，它除了具有与多普勒计程仪相同的优点外，在海底跟踪状态下还可以测量水深，即兼有测深仪的作用；从声相关计程仪的测速原理可知，其测速精度不受超声波在水中传播速度变化的影响，因此其测量精度一般比多普勒计程仪的测量精度高。,多普勒计程仪和声相关计程仪是现代船舶上使用最多的两种计程仪。,