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1、第一章 海洋调查和探测技术（第二部分） 第四节 水声探测技术 水下探测技术，电磁波不同波段的衰减问题，20 赫到 2 万赫 1490 年达.芬奇艺术家，闭口管听船音。 “泰坦尼克”-英国科学家 L.F.理查逊 两项专利。美国科学家费森世界上第一台测量水 下目标的实用装置。 声纳系统通常包括： 主动声纳回声探测仪、侧扫声纳、鱼探器、声学多普勒海流计。 被动声纳 声纳重入系统 水声遥测控制 水声通讯议 声纳系统通常包括： 主动声纳 回声探测仪、侧扫声纳、鱼探器、声学多普勒海流计。 被动声纳 声纳重入系统 水声遥测控制 水声通讯议 一.主动声纳 主动声纳工作原理框图 （一）回声探测仪（测深仪） 1.
2、基本原理 声波在均匀介质 中做匀速直线传播, 在不同介面上产生反射, 利用这一原 理, 选 择对水的穿透能力最佳、 频率在 1500Hz 附近的超 声波, 在海面垂直向海底发射声 信号, 并记录从声波发射到信号由水底返回的时间间隔, 通过模拟或直接计算, 测 定水体的深度。 水深的计算 H：水深， C：声速（1500m/s） D：换能器吃水深度 2.回声探测仪的组成 3.仪器的校正 小于 20m，改正法 大于 20m，水文资料改正法 改正法：直接测量，修正 水文资料改正法水文资料改正法水文资料改正法水文资料改正法 吃水改正数 Hb 转速改正数 Hn 声速改正数 Hc 总改正数 双频探测仪同时高
3、低频发射 低频深度 Hlf，高频深度 Hhf 淤泥厚度 4.四波束扫海测深仪 四波束扫海测深仪具有安装灵活、操作方便等优点。 在航道、港口及近岸地区大比例尺水下地形测量及障碍物探测中得到了广泛应用 。 四波束扫海测深仪主要由四个收、发台的 换能器, 同步控制器和记录器组成。 安装方式有舷挂式和悬臂式两种 目前我国各单位使用的四波束扫海测深仪 , 主要有日本产的 MS-I0 型、 PS-20R 型及 PS-600 型。 以较先进的 PS-600 型为例 , 1 =16 , 2 =6 , 当水深 Ho 为 20 m 时, 换能器中心间距为 3.86 m, 声波覆盖宽度 L 为 15.4 m， Ho
4、 与 L 的关系 为 :L=0.77Ho 。对于 MS-I0 型 , 则为 L=0.63Ho 。 又称“旁视声纳”或“海底地貌仪” 侧扫声纳的水平波束角极窄 , 般只 有 1.5-2.5, 垂直波束角为 10 - 30 组成：拖曳体 、拖缆、绞车收放装 置、发射接收系统及终端记录装 置组成。 侧扫声纳示意图 发射机与换能器基阵相对应，分左右两个发射机，统一于主控同步触发脉冲，产生 的振荡脉冲分别送入左右换能器阵列，转换成声波脉冲向两侧海底辐射 。 为补偿回波随时间（距离）增大引起的声波衰减，接收机设有时间增益控制，放大 倍数随着声波传播时间变化。 拖鱼上的两个换能器, 在与船迹垂直方向上分别发
5、射一个扇形声波束,在水平面中波 束宽度一般是 1 -2 , 在垂直面内一般为 20 -30, 并且相对水平面倾斜 10 回波信号的强弱除与海底地貌的起伏、海底底质的性质等有关外,还与传播路径的远 近有关。 海底有一障碍物 (如暗礁、沉船等)：从 a 至 b 这一段海底基本是平坦的,由于接收机 时间增益控制电路的补偿作用,至 b 线的黑度是均匀的。而隆起物正面 b 至 c 一段 海底,由于声波的掠射角增大,反向散射回波强,记录 bc 段的黑度就加深了。 过了 C 点 以后,由于 Oc 和 Od 的斜距有一个突变,因而就有一段时间内没有回波信号, 直到 d 点为止,cd 段在记录纸上就没有记录。再
6、向前,de 段又是平坦海底。回波记录与 ab 段又一样。 侧扫声纳扫描隆起物的情形 扫描声纳图像 ( 三) 鱼探仪 在 20 年代初使用测深仪的时候 , 一些细心的航海家仔细观 察了测深仪记录之后 , 发现在记录上除了海底反射信号之外 , 还 出现星星点点的黑斑。 经过仔细研究, 发 现这种黑斑原来是鱼的反射信号, 黑斑越多, 鱼就越多。所以垂直测深仪经过改进 , 就 成为专门的鱼探机。现代的鱼探机都已小型化 , 功能增强, 可利 用获得的鱼群 回波, 大致判断出鱼群的位置、范围和密集程度。 通常使用垂直探鱼仪可以探测底 层的鱼类; 水平探鱼仪能探测上层和中层的鱼类, 估计鱼群的大小和范围。
7、( 四 ) 声学多普勒海流计 用于测量海流速度的仪器。即以海底和海水作为调查声源的参照物, 从船上向海中 发射频率稳定的声脉冲信号, 当声波到达海底, 相对运动船上的声源, 就会产生多 普勒频移, 由船上的接 收器接收海中和海底的声散射信号, 通过计算机就可获得各 层海水流动的速度。在此基础上, 还研制了剖面海流计。采用这些设备, 发现了大洋 中有周期几十秒到几十分钟的内波传播。 一.被动声纳 无源声纳-根据水中目标所辐射的噪声或声源所发出的声音信号，判断所发声体的 位置和特性。 （三）动态定位和井口重入技术 在海底放一个水声应答器作为基准点,同时在船上布放三个水听器进行应答测距.在 下钻作业
8、时船上向基准点应答器发出脉冲, 应答器收到信号之后发出回答脉冲,这回 答脉冲被船上的三个测距水听器收到,这时可以测出三个水听器与基准应答器的距 离。当外界条件使船位移时,水声应答器测距系统随即测出这三个距离的变化。将这 些数据送入计算机,计算出船位的水平移动量,再开动几个可变螺距的推进器,使船复 位,也就是使三个距离和原来的一样。这样,船在不断运动中保持位置不变. 四.水声通讯技术 水声通讯是无缆的水下信息传输设备， 利用海水介质以应答和自动方式实时的传输各类传感器的输出数据至岸战、 指挥船或水 面浮飘。 主要有水声通讯机、水下图像传输、水声遥测遥控系统。 （一）水声通讯机 利用声波在水下传递
9、信息的设备 分两种： 第一种：载波语言调制声波或直接辐射语言声波 第二种：数字编码通讯(水声应答器) （二）水下图像传输 港口工程建设,水下基础施工质量检查,灾害性天气造成的海上建筑物破坏情况调查, 水下测量仪器 设备的安装,以及隐蔽性工程等方面,在海洋环境监测、海洋水产增养 殖,在深海资源调查等方面均提供了有效、直观的技术服务 。 （三）水声遥测系统 用于海洋环境参数的调查。 把所要测量的水下环境参数变换成水声信息, 传到处理船或岸站来, 经过水声 接收机处理, 重新转换成相应的环境参数信息。 组成：传感器 , 信号调制器 , 功率放大，发射、接收换能器, 信号解调器, 计 算机等组成。 （
10、四）水声遥控系统 组成：船上声指令发射机、水下声指令接收机和相应的控制机构。 如利用水声释放器按水声释放指令把水下浮筒放掉, 使其浮出水面, 以便船只 跟踪回收。遥控技术广泛应用于海洋调查、水下工程、石油钻探和地震测量等方面, 对水下油井的流量、防喷器架、输油管道的阀门和水下爆破等,都可采用水下遥控方 式。 各种海洋自动机, 如无人深潜器、 海底自走车的行动及机械手自动作等,也可采 用水声遥控 。 五、海洋层析技术 利用声学方法在大范围海城测量海洋动力特性的-种遥感技术。 海洋声层析技术 原理和医学上 X 射线成像术(CT)相似。它是利用海中声速传播与海水温度、盐度、 密度的关系，根据声传播时
11、间的变化, 反过来演算出海洋中温度、盐度、密度分布 状况。 在海洋中用声波从不同角度穿过同一 海区,利用穿透的结果(主要是传播时间) 通过计算机反演,求出被测海区的流场和温度场。 第五节 海洋观测仪器 一、海洋观测仪器的种类 按原理： 声学式仪器 光学式仪器 电子式仪器 机械式仪器 遥测遥感仪器 按操作方式： 投弃式 自返式 悬挂式 拖曳式 海洋观测仪器 按所测要素分类 （一）海洋物理性质观测仪 （二）海洋化学性质观测仪 （三）海洋生物观测仪 （4）海洋地质及地球物理观测仪 海洋观测仪器 （1）海洋物理性质观测仪 1）颠倒采水器 结构：颠倒采水器是由一个具有活门的采水桶构成 , 在上下活门的两
12、端装有 平行杠杆 , 通过连接杆将平行杆连接在一起 , 使上下活门可以同时启闭 , 通 过 仪器下端的固定夹杆和上端的释放器及穿索切口把颠倒采水器固定在直径不大于 5 mm 的钢丝绳上。 原理： 当投下使锤,击中释放器的撞击开关, 于是挡钩张开, 仪器上端离开钢丝绳,整 个仪器以固定点为中心, 旋转 180这时 , 通过连接杆使上下活门 自动开启。当连 接杆移动过圆锥体的金属片之后, 上下活门自动关闭。 当仪器上端离开钢丝绳的同时, 使锤继续沿钢丝绳下落, 击中固定夹体 上的 小杠杆 , 使锤在钢丝钩上的第二个击锤又沿着钢丝绳下落, 击中下一个 采水器的 撞击开关, 使下一个采水器也自动颠倒、
13、采水。 颠倒温度计的结构和原理 颠倒温度计有闭端 ( 防压 ) 和开端 ( 受压 ) 两种 , 均需配在颠倒采水器 上使用。前者用于测量水温, 后者与前者配合使用，确定仪器的沉放深度。 颠倒温度计的结构和原理 颠倒温度计有闭端 ( 防压 ) 和开端 ( 受压 ) 两种 , 均需配在颠倒采水器 上使用。前者用于测量水温, 后者与前者配合使用，确定仪器的沉放深度。 2）颠倒温度计 原理： 将两支温度计-主要温度计(简称主温 1) 和辅助温度计(简称辅温 2)一同装在 一个厚壁玻璃套(3)内。 主温用于测量水温,辅温用于测量玻璃套管内的温度以进行还 原订正。 主温与辅温互相倒置, 用两金属箍(4)和
14、(5)固定在一起,并用软木塞(6)及镶在 金属箍上的弹簧片(7) 固定在厚壁玻璃套管内。 主温由贮蓄泡和与其相连的毛细管(8)构成,在贮蓄泡与外套管之间的间隙里， 为了消除空气的绝热作用而装有 水银,并用软木塞(6)堵住使它不往外涌 ,水银不能 完全装满,以免温度计沉入后贮蓄泡受到压力而破裂。 在离贮蓄泡不远的毛细管上, 有一狭窄处 (9), 并从这里向贮蓄泡方面伸出一盲枝。当 温度计被颠倒时 , 水银必须永远断在盲枝的分枝处 , 这是决定温度计示数量确性的主要原 因。在盲枝上面不远的地方,有一个弯了一圈的园环,整个圆环部分的毛线管部很彭大, 它是 用来容纳在温度计颠倒后由于温度升高而从贮蓄泡
15、膨胀出来的水银。 毛细管的顶端有一个接受泡, 园环与接受泡之间是刻有度数的直线形毛细管。 为了避免读数的视差, 毛细管的正面制成平面。 因为读数工作是在温度计颠倒后进行的, 故刻度是从毛细管顶端(靠近接受泡 出) 开始的。从毛细管的接受泡到 0C 刻度处的整个管内水银容积称为 V0, 其值 以温度度数表示 .每支温度计都有其特定的 V0 值, 可在检定书上查到。 开端颠倒温度计与闭端颠倒温度计在构造上基本相同, 其不同之点仅在于它的外套管 下端是开口的, 上端有一个供水流动的小孔。由于这种温度计是受压的, 所以毛细管里的水 银长度不仅受到温度的影响, 而且也受到水压变化的影响 .因此, 将闭端和开端的颠倒温度 计同时放在同一深度处, 就可以根据两支温度计读数 ( 经器差订正和还原校正后的读数 ) 之差算出仪器的沉放实际深度。 颠倒温度计测温记录的整理 (1) 利用颠倒温度计测标准层水温时, 温度计读数须作器差订正。 闭端温度计还原订正值 T-经器差订正后的主温表读数;t 经器差订正后的補温温表读数 , Vo
