超声波测深仪的原理及应用

回声仪的原理及应用一、水下超声技术术语1、水声学Underwateracoustics研究水中声波的发生、传播、接收和以声波为载体实现水下信息传递的科学技术。2、声功率SoundPower单位时间内通过某一面积的声能3、声反射AcousticReflection声波入射到两种媒质之间的分界面上引起褶回的过程4、声折射AcousticRefraction因媒质中声速的空间变化而引起的声波传播方向改变的过程。5、声透射AcousticTransmission声波穿过媒质之间的界面或媒质层的现象。6、声散射AcousticScattering声波遇到障碍物时朝多方向不规则的反射、折射或反射。7、声衍射AcousticDiffraction声波遇到障碍物或其他不连续性媒质而引起波阵面畸变的现象。8、声干涉AcousticInterference频率相同或相近的声波在同一声场区域内传播时叠加所出现的声场现象。9、声衰减AcousticAttenuation声波在媒质内传播过程中，声能减少、声强减弱的现象。10、声吸收AcousticAbsorption声波在媒质内传播过程中，部分声能转化为热能或其他分子能量的现象。11、声束（波束）SoundBeam由于声源具有指向性而在某个方向上形成集中发射的束状超声波。12、等温层IsothermalLayer深水中温度不随深度变化的水层。13、温跃层Thermalcline深水中温度随深度变化剧烈的水层。14、声速剖面SoundVelocityProfile声速随水深变化的曲线。（返回声速）15、海洋噪声SeaNoise由于自然原因，如波浪、湍流、热扰动等在海洋中引起的噪声。16、海洋环境噪声AmbientNoiseoftheSea在海洋中，由水听器接收到的除测试仪器本身噪声以外的噪声。17、海洋混响MarineReverberation由于声波传播过程中在起伏海面、不平整海底及海水媒质内部不均匀体上的反向散射在接收点所收到的信号。分为海面混响、海底混响和体积混响。18、水声工程UnderwaterAcousticEngineering根据水声理论，研究和设计声纳及其他水声设备的工程科学技术。19、水声设备UnderwaterAcousticEquipment利用声波作为信息载体的水下探测、导航、通讯等设备以及服务于水声研究和应用的专用设备。20、声纳Sonar是SoundNavigationandRanging（声导航与测距）的缩写。现指利用水声技术测定海水中物体的存在、方向、位置和性质的设备。按其工作方式可分为主动声纳（有源）和被动（无源）声纳。21、水声换能器UnderwaterSoundTransducer将电能转换为声能向水中辐射，或将接收的水声信号转换成电能信号进行检测的器件。22、换能器阵TransducerArray将一定数量的换能器按某种方式排列组成的基阵。23、水听器Hydrophone又称水声接收机（UnderwaterSoundReceiver），即用来接收水声信号的换能器。24、多波束声纳Multi-BeamSounder具有多个波束能同时观测多点方位的声纳。25、测深仪Fathometer利用水底对声波的反射以测定水深的设备。26、浅层剖面仪Sub-BottonProfiler利用水底地层特性的不连续性，记录声波在各层界面上的反射，绘制地层剖面图的设备。27、多普勒效应DopplerEffect声波在传播过程中因声源与观察点间的有效传播距离随时间改变而引起的观察到的声波频率有所改变的现象。二、水声学简介•水声学是近代声学一个很重要的分支，他是研究水中声波的发生、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（绕射）、干涉和多普勒效应等现象。•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，这就使得声波在水中的传播也十分复杂和多变。1、概述：2、声纳：声纳原意为用声音进行水下定位导航和测距。今天声纳这个词的含义已超出原来的定义，泛指水声仪器。它是伴随着军事目的而发展起来的，用于民用是从二战后，伴随着海洋、水利资源的开发而发展，使用范围日渐扩大，应用领域宽广。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）到反射表面（水底）并返回所需的传播时间来测定水深的。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、温度和深度有关。（见声速剖面）由于淡水河流没有盐度且水深较浅，故测量时一般只考虑温度对声速的影响。下面是淡水中声速经验公式和关系曲线。V=1410+4.21C-0.037C24、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体。从下页的图3中可以看出水体及其边界和水中各种物体对声波的影响。声波在水体中传播时，其强度随传播距离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。34、1、扩散衰减扩散衰减指声波传播中因波阵面的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。一般情况下传播距离每增加一倍，则声强损失6dB。测深仪接收到的声波其传播距离实际上是水深的两倍，衰减很大，通常接收机都设有时间增益控制（TimeVariedGain简称TVG）电路来补偿信号的扩散衰减。4、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/米；而频率降低到50Hz时，衰减只有0.014dB/米。当选择一个换能器时，主要应满足指定的深度标准。图4显示了相对于频率的衰减损失。图4从海底返回的声波强度通常会衰减很多，其中部分损失是由于散射造成的。但主要是由于部分声波进入新的介质或传入海底直到完全被吸收。由于海底类型、声音的频率及声音与海底作用角度的不同使得这种强度损失程度也有极大的不同。总的损失从10dB到40dB不等。硬质海底（结实的沙底、突出的岩石）损失较少，软质海底（泥、沉沙）会引起非常大的声能损失。因此，在回声测深仪设计时，要对如此大的信号变化范围进行补偿。4、3、散射衰减这是声波在水体中传播时，因碰到另外一种媒质组成的障碍物（如泥沙、气泡、微生物以及温变层等）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。一般说来，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。极端情况下，散射的回波可到达接收机内，形成干扰，所以，一般测深仪内都设有门限（GATE）电路，通过调整门限，将非水底造成的回波拒之门外。总之，水体及其边界、水中的悬浮物构成了极其复杂的声音传播媒体。除了各种衰减因素外，在浅水测深时，还要考虑多次回波的影响。在设计和选择测深仪时，除采取电路措施外，更主要的还是要选择合适的频率，一般对于深水、浑水、软底的水域测深，应选用低频（低于50KHz）大功率的回声测深仪。但频率越低，精度越底，其换能器的体积越大，波束角也越大，体积越笨重，造价也越高。所以，对于较浅的清水硬底水域测深，可选用高频（200KHz）测深仪。目前，国外一些大的水深设备制造厂商均有双频测深仪，以满足多种水域测深的需要。5、噪声噪声是一种不需要的声音，他能干扰回声仪的正常运行，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。5、1、自生噪声•自生噪音由船上发声部件、电器和换能器周围的湍流，包括水流和气泡引起的噪音。•机械噪音和其他声纳系统是船上自生噪音的主要成分。•水流和气泡也会产生噪声。•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。•以上分析可指导我们选择换能器合适的安装位置和正确安装方式。5、2、环境噪声•环境噪声是自然或人类活动引起的。从回声测深角度来看，明显的噪音源包括水动力噪声、海洋交通和发声生物。•水动力噪音来自自然现象，例如：风、波、雨或水流。•海洋交通噪音取决于船只的数量、噪音源的远近和海水热变及状态造成的水流传播条件。•生物噪音产生者包括海洋生物，例如虾、鱼和鲸。•对环境噪声的分析可指导我们在使用回声仪的时候要尽量避开这些噪声源。三、回声仪的原理1、仪器的工作原理所谓回声仪就是利用回声法测量水深的仪器，及由超声波换能器发射出具有一定脉宽、一定能量的声脉冲，声波经水底反射后再由换能器接收到回波，仪器根据声波往返的时间及水中声速换算出水深。及：H=VT/2其中H：水深；V：水中声速；T：声波在水体内往返的时间。2、回声仪的组成•发射机：产生声脉冲。•接收机：将回波信号放大整形。•控制器：控制采样速度，运算，显示。•换能器：电-声转换。•其他：A/D转换器等。RS232口超声频率振荡器调制产生脉冲发射驱动隔离电路选频放大AGC调整检波A/D转换器换能器单片机图5、回声仪原理框图发射单元TVG显示器键盘接收单元3、仪器工作时序图发射脉冲24KHz音频频率调制发射波回波驱动时控电压（TVG）余振接收机输入放大检波（去A/D转换器）图五、主机时序图发射脉宽64、换能器•换能器是回声仪的关键部件，它的优劣直接影响仪器的整体性能。•振子一般为压电陶瓷。•换能器的振动模式：一般为纵向振动。•换能器的输入阻抗：阻抗匹配合适可获得最大的输出功率。•换能器的效率：机-电，机-声，电-声。图7、某换能器的指向性图•波束宽度（开角）：在指向性图-3dB处测得，波束角越小越能辨别出小的物体。其抗干扰能力也越强。•主副瓣比越大效率越高，抗干扰能力越强。•指向性是衡量换能器抑制外部声源噪音的能力。15d-3dB四、常见回声测深仪及其应用回声测深仪简介一、美国SyQwest系列回声测深仪、剖面仪公司（OceanDataEquipmentCorporation）是全球最大的专业测深仪生产厂之一，有近30年生产历史。产品品种齐全，形式多样，行销世界各地。SyQwest公司也是英、美海军在美国和欧洲选定的12家水声设备供应商之一，详情查询海军技术网站、Bathy-500系列Bathy-500DFBathy-500MF200KHz200/33KHzBathy-500系列回声测深仪包括Bathy-500MF（可选）多频测深仪和Bathy-500DF双频测深仪。该仪器采用神经元结构，全数字化操作，自带热敏打印记录仪，可选配内置DGPS。具有操作简单，工作稳定，精度高等优点，主要用于水库、河道和近海的精密水深测量，尤其适用于水文测验。特点：主要性能指标：•1测深范围：0.5~640m•分辨率：0.1m•精度：±0.5%•工作频率：33KHz，40KHz，50KHz，200KHz或（仅Bathy-500DF）33/210KHz，50/210KHz•声脉冲功率：最大600W•图形记录：热敏打印•数据接口：RS-232或RS-422，兼容Hypack™和Hydro™系统•电源：11~30VDC，115/230VAC，20W•尺寸、重量：高×宽×深=48×44.5×23cm3，16㎏（包括一只200KHz换能器）2、Bathy-1500大功率双频回声测深仪特点：Bathy-1500双频回声测深仪具有最大2000W的输出功率，最大测深可达2000米（采用12KHz换能器），同时保证较高的精度和分辨率。该产品的各项技术指标符合国际航道组织（IHO）之相关规定，其P02595钟形换能器罩获Lloyd和DNV认证。它采用高分辨率的液晶显示器，极易掌握的键盘输入设置