回声测深仪误差分析

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1、回声测深仪误差学员十一队一班 二组作者：朱东波 杨波 陈佳骏 钱辉熊勇林【摘要】 回深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。本文主要研究回声测深仪的原 理及基本组成，回声测深仪误差种类及各误差分析，回声测深仪 误差修正。【关键字】回声测深仪 误差分析 修正方法【正文】一、回声测深仪1、回声测深原理回声探测仪是利用测量超声波从发射至被反射接收 的时间间隔来确定水深的。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 准声速取1500m/

2、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=1500m/s,则测量水深h 可表示为h=0 5Ct=750t。2、回声测深仪的基本组成显示器:是整机的中枢，其作用是控制协调整机工作，测量声波 往返时间并控制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 成声能，形成超声波信号向海底发射。接收换能器: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，即将声能转变为电能。接收系

3、统(receiver system)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。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T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 20200kHz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。接受换能器将来 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

4、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。 这里时间间隔T及宽度T的大小涉及到回声测深仪所能测量的 最大深度与最小深度，由于测量的最大时间间隔只能是两次发射 的间隔时间T,即脉冲重复周期。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Tt。发射脉冲宽度T是决 定最小测量深度的主要因素，测量仪实际能测出的最小深度应大 于T所对应的深度。收冲接脉C二、回零停号 回波信号深度|深仪误差一；、仪误差：1（一）测量误差;1 （二）影响测深的外部因素1、回声测深仪误差声速误差声波在海水中的传播速度随着海水的温

5、度（t）、含盐量（5 ） 和静压力（P）的上升而变快，其中尤以温度变化的影响最为显著。显然，声波在海水中的传播速度并非一个常量，它一般需要通过 大量的实测数据进行分析计算得到。为了简化设计，船用水声导 航仪器通常以1500m/s作为标准设计声速。由于船舶所在海域实际声速与测深仪的设计声速不一致而 产生的测量误差称为声速误差。声速误差的修正公式为:实际水深=（实际声速/标准声速）X显示水深当实际声速大于标准声速时，则实际深度要大于显示深度;反之，则实际深度小于显示深度。海水中声速传播速度的经验公式:C= 1450+4.12 T 0.037 T 2 +1.14( t -35)+0.0175 D 式

6、中：T 海水表面温度；T 含盐量；D 海水深度。 计算：水温每增加1C,声速增加3.3米/秒；含盐度每增加1%。， 声速增加15米/秒。2、回声测深仪误差一一时间电机转速误差时间电机转速误差是指闪光式和记录式测深仪中的时间转 速与其额定转速不一致所产生的测量误差。在闪光式和记录式测深仪中，时间电机作为显示系统的时间 内装置，必须以恒定的转速带动转盘或记录笔转动。时间电机转 速的变化必然会使转盘转过的角度和记录笔移动的距离发生变 化，从而使显示深度与实际深度产生偏差，所以，时间电机转速 的稳定与否，将直接影响测深仪显示深度的准确性。3、回声测深仪误差零点误差零点误差是指零点信号（或零点标志）与刻

7、度标尺的零位不 一致时所产生的测量误差。闪光式测深仪的零点信号和记录式测深仪的零点标志是标 记计时的起点，也是显示和记录深度的基点。闪光式测深仪的零 点信号应与刻度盘的零位一致。记录式测深仪的零点标志应与刻 度标尺零位一致，否则将会使发射的时间提前或滞后零位一段时 间，由此引起显示深度与实际深度不一致，而产生零点误差。通 常，闪光式和记录式测深仪均设置了零点的调节机构。4、回声测深仪误差基线误差实际设计测深仪时，我们均按h=0.5Ct来计算测量深度， (0.5S)2项被忽略掉，所以产生了基线误差。测量水深越深， 基线误差就越小。当水深大于5m时，基线误差便可以忽略不计。 采用收、发兼用的换能器

8、的测深仪则不存在基线误差。5、影响测深的外部因素(1)船舶摇摆对测深仪工作的影响当船舶发生横摇时，发射换能器也随之倾斜，其发射的主波 束(主瓣)的方向也随之改变。若倾斜角度不大，主波束的反射 回波仍可被接收换能器接收；当倾斜角大于极限值0。时，将可 能产生回波信号“遗漏”现象，如图，严重时，回波信号全部消 失，测深仪无法工作。(2)水中气泡对测深仪的影响海水中气泡对测深仪工作的影响主要体现在两个方面：一方 面是水中气泡对声能有削弱作用；另一方面是大量气泡会引起声 波的混响，从而严重干扰测深仪的正常工作。气泡产生的原因如下： 风浪使大量空气混在海水表层。 船舶倒车，在船底和螺旋桨处产生大量气泡。

9、 测深仪换能器安装位置不当，影响了水流的平滑性而产生 气泡。(3) 船速对测深仪的影响当船舶高速航行时，船体产生剧烈振动，水流猛烈冲击船体， 致使干扰噪声增加。同时，海水的空化现象也明显增加，致使回 波信号削弱，严重时回波信号将被干扰信号“淹没”致使测深 仪工作困难，甚至无法工作。选择适当的换能器安装位置将有助 于减小这种影响。(4) 换能器工作面附着物的影响换能器表面的附着物对声能有着较强的吸收作用，尤其是长 期不用的换能器表面会有大量海生物生长，对换能器工作影响较 大，所以，应及时清洁换能器工作面。还要注意的是换能器的工 作面不能涂敷油漆。(5) 因换能器剩磁消失的影响对于剩磁伸缩换能器，

10、剩磁因为时间长久会逐渐消失，这将 影响测深仪的灵敏度，所以应定期对磁致伸缩换能器进行充磁。(6) 海底底质和坡度的影响不同的海底底质对声波的反射能力差异较大，岩石最强，砂 底次之，淤泥最差。为了达到显示器的最佳显示效果，应根据不 同的海底底质调整测深仪的灵敏度大小。另外，不平坦的海底底质和海底坡度将使反射回波先后抵达 接收换能器，从而在显示器上出现较宽的信号带。为了保证船舶 航行安全，此时应从信号带前沿读取水深为宜。三、回声测深仪误差修正1、回声测深仪声速误差修正（1）计算法实际声速计算：由于海洋环境的复杂性，要找到绝对准确地 反映海洋声学特性的声速公式很不容易。目前人们选用的威尔逊 声速计算

11、经验公式是国际公认的比较准确的公式。有了声速公 式，就可以应用测声点的海水温度，盐度，压力和纬度数据直接 计算该测声点实际声速。但是直接计算很麻烦，为此，人们根据 声速公式的特点编制了海洋学常用表。只要查找有关的表， 经过简单计算，能够比较容易的求得声速。必须说明，计算回声测深仪声速修正值时所用的实际声速是 从海面起垂直向下到某一水层间平均传播声速。因此，我们要用 测深点水层内的平均温度，平均盐度，和平均压力去计算实际声 速，同时，温度是影响声速的最主要因素。所以，求水层的平均 温度时，必须将测深点的水层分成若干层。先求出各分层平均温 度，然后才根据各分层的平均温度和厚度，求出整个水层平均温

12、度。声速误差修正值的计算：在求得实际声速后，只要将回声测深仪 的设计声速S和测深点所测深度上及计算求得的测深点的实际声速代入 沙门；5-1】，即可求得测深点的声速误差修正值 A门。(2)查表法查表法是声速误差修正的简便方法，对世界各大洋均试用。 所用的回声测深仪修正表由D.J.T根据马修斯表编制的。2、回声测深仪时间电机转速误差修正在闪光式和记录式测深仪中，时间电机转速不稳定一般是由 于船电变化或时间电机本身故障所致。时间电机的转速可通过旋 转电机内离心调速器的固定螺钉予以调整。时间电机的转速误差 调整公式为：实际水深=(电机额定转速/电机实际转速)X显示水 深3、回声测深仪零点误差修正通常，

13、闪光式和记录式测深仪均设置了零点的调节机构。可 以通过调整零点调节机构使零点信号与刻度盘的零位一致，从而 修正零点误差。4、回声测深仪基线误差修正测量水深越深，基线误差就越小。当水深大于5m时，基线 误差便可以忽略不计。采用收、发兼用的换能器的测深仪则不存 在基线误差。【结论】通过我们组对回声测深仪研究，可以得出：回声测深仪误差分为两类：（一）测量误差；（二）影响测深的 外部因素。其中，测量误差主要包括：1、声速误差，2、时间 电机转速误差，3、零点误差，4、基线误差；影响测深的外部因 素主要包括：1、船舶摇摆对测深仪工作的影响，3、船速对测深 仪的影响，4、换能器工作面附着物的影响，5、因换能器剩磁 消失的影响，6、海底底质和坡度的影响。参考文献1. 回声测深仪的声速误差及其修正方法陈汉权（中国科学 院南海海洋研究所）2. D.J.T主编，1980,回声测声修正表，第三版，美国水道测量 局3. 航海仪器关郑军4. 百度百科文库，摘自百度文库。