超声波测深仪的原理及应用ppt课件.ppt

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1、回声仪的原理及应用一、水下超声技术术语1、水声学Underwater acoustics 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Sound Power单位时间内通过某一面积的声能3、声反射Acoustic Reflection 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 Acoustic Refraction 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 Acoustic Transmission 声波穿过媒质之间的界面或媒质层的现象。6、声散射 Acoustic Scattering 声波遇到障碍物时朝多方向不规则

2、的反射、折射或反射。7、声衍射 Acoustic Diffraction 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 Acoustic Interference 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 Acoustic Attenuation 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 Acoustic Absorption 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）Sound Beam 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Isotherma

3、l Layer 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Sound Velocity Profile 声速随水深变化的曲线。 （返回声速）15、海洋噪声Sea Noise 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Ambient Noise of the Sea 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Marine Reverberation 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

4、体积混响。18、水声工程Underwater Acoustic Engineering 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Underwater Acoustic Equipment 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Sound Navigation and Ranging（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Underwater Sound Transducer 将电

5、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Transducer Array 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（Underwater Sound Receiver），即用来接收水声信号的换能器。24、多波束声纳Multi-Beam Sounder 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-Botton Profiler 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、

6、多普勒效应Doppler Effect 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

7、，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-0.037C2 4、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

8、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（Time Varied Gain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

9、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

10、，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

11、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

12、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

13、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

14、/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2 4 K H z 音 频 频 率调 制发 射 波回 波驱 动时 控 电 压 （ T V G ）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

15、，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回声测深仪简介一、美国SyQwest系列回声测深仪、剖面仪美国美国SyQwest公司简介公司简介 美国SyQwest公司（Ocean Data Equipment Corporation ）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 http:/www.naval

16、- 1、Bathy-500系列系列 Bathy-500DF Bathy-500MF200KHz200/33KHz Bathy-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：0.5640m分辨率：0.1m精度：0.5%工作频率：33KHz，40KHz，50KHz，200KHz或（仅Bathy-500DF）33/210KHz，50/210K

17、Hz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：1130VDC，115/230VAC，20W尺寸、重量： 高宽深=4844.523cm3，16（包括一只200 KHz换能器） 2、Bathy-1500大功率大功率双频回声测深仪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

18、器，极易掌握的键盘输入设置，其内置的Flash存储器可记录8个小时的定位、水深数据和150分钟的回声图。可选配远程显示器。该仪器尤适用于大型水库及深海地形测量之用。外接升沉传感器可大大提高测深精度。主要性能指标：测深范围：0.52000m分辨率：100m以下1cm，100m以上10cm，精度：040m：2.5cm，40m200m：5cm， 200m以上10cm工作频率：下列单频或双频：12KHz，24KHz，33KHz，40KHz，100KHz，200KHz数据存储：内置Flash存储器，外置硬盘存储器显示：640480点阵，16级灰度，液晶显示器输出：RS232或RS422，TDU系列热敏打

19、印机接口输入：COM1单向输入口，COM2双向口电源：115/230VDC，60W尺寸、重量： 宽高深=39.4cm29.21cm21.59cm，10.7 3、IES-10导航测深仪导航测深仪特点 IES-10助航回声测深仪符合IMO（国际气象组织）A224（VII）条款之规定，主要用于商船、军舰和潜艇的导航系统。 选配2KW功率放大器可和12KHz换能器可使测深能力达到3000米以上。另外还可选配远程显示器。 主要性能指标：测深范围：1.03000m分辨率：100m以下0.1m，100m以上1m精度：一般5%水深，浅水1m，深水5m工作频率：12KHz至200KHz任一单频声脉冲功率： 75

20、0W/可选配2000W数据存储：可记录并回放1小时的剖面图或24小时的水深和GPS定位数据显示：640480点阵，16级灰度，液晶显示器数据接口：具有RS232或RS422串口和打印口电源：115/230VAC，60W尺寸、重量： 宽高深=39.4cm29.21cm21.59cm，10.7 4、StrataBox浑水剖面测深仪浑水剖面测深仪 特点 StrataBox浑水剖面测深仪是一款高分辨率的水下地层成像仪器，它由带喇叭罩的环型换能器、电子单元和应用软件组成，使用时配以笔记本电脑，具有重量轻，操作简单，显示直观等特点。独特的地层增益（BT Gain）功能使它可穿透150米的水深和40米的水下

21、地层，适合于库区淤积测量，堤坝根石探测，滨海沉积物测量。 该仪器已成功的用于小浪底水库坝前及库区淤积测量以及黄河下游坝基根石探测。主要技术指标：测深范围：2.0150m分辨率：水深：0.1m，地层：6cm精度：0.5%工作频率：10KHz声脉冲功率： 300W数据存储：可记录和回放水深、定位数据和水下地层剖面图电源：1030VDC，8W尺寸、重量：长宽高 =25.4cm15.88cm6.25cm，0.95、Bathy-2000P水下地层剖面仪水下地层剖面仪 Bathy-2000P水下地层剖面仪主要用于深海水下地质探测之用，现已装备美潜艇部队。 主要性能指标：测深范围：0.511000m，地层：

22、200m地层分辨率：8cm精度：100m以下0.1m，100m以上0.3%工作频率：2.75KHz6.75KHz，3KHz11KHz扫频或12KHz到200KHz中任一单频声脉冲功率：2000W数据存储：可记录并回剖面图和水深、GPS定位数据显示：VGA彩色液晶显示器数据接口：具有RS232和外接VGA彩显接口电源：115/230VAC，250W尺寸、重量： 宽高深=48.2cm24.8cm29.5cm，20 二、美国二、美国FFT公司公司ESE-50回声测深仪回声测深仪OEM主板主板及配套软件及配套软件Fire Cracker 1.0 ESE-50回声仪主板用ESE-50回声仪主板组装的测深

23、仪Fire Cracker 1.0特点： ESE-50是全球第一块以OEM方式生产的回声仪主板。它具有高信噪比、高分辨率、高精度和高性价比等优点。既可单独组成回声测深仪，又可和其他模块一起组成功能强大的应用系统。其配套软件Fire Cracker 1.0可用来在电脑上虚拟回声测深仪。 主要技术指标水深单位：公制或英制测深范围：75m（250英尺）显示分辨率：0.1单位工作频率：50KHz，120KHz， 200KHz， 340KHz，500KHz声脉冲功率：50W数据存储：由电脑显示水深曲线和存储水深数据数据接口：RS232串行口输出（NMEA DBT格式 或其他行业标准格式）电源： 1116

24、VDC ，50mA 三、国产三、国产HSW-1000DATA便携式超声波测深仪便携式超声波测深仪 特点： HSW-1000DATA便携式超声波测深仪具有技术成熟，性能可靠，价格便宜，携带方便等特点，单人即可操作。其独特的随动供电技术使整机平均功耗大为降低，一块9V的层叠电池最多可连续工作100个小时。它适用于抗洪抢险，水文测验，工程勘测，舟桥部队等部门。该仪器已经国家技术监督局严格检测，取得工业产品生产许可证，为水利部政策性补贴推广产品。 主要技术指标测深范围：0.899.99m分辨率：0.01m精度：1%H0.05m，（H指水深）工作频率：100KHz显示：4位LED数据接口：TTL电平串行

25、口功能：数字滤波，自动关机，声速和吃水深度修正等电源：6F22型9V层叠电池一块尺寸、重量： 高宽厚=23012542mm3，2（含换能器） 四、四、GeoSwath条带测深仪条带测深仪摘自：GeoSwath条带测深系统在小浪底坝前测试情况英国GA（GeoAcoustic）地质声学公司James Williams GeoSwath由主机、旁扫声纳、垂直声纳、表面声速计、电罗经、声速剖面仪、GPS定位系统以及配套的数据采集、校准、处理等软件组成，处理后的成果可形成多种格式，满足深层处理的需要。可产生水下地形等高线图、立体图、剖面图、三唯动态浏览，还可通过两次测量成果的比较推算出冲淤量。主机及软件

26、水下传感器总成船台电罗经系统主要技术指标系统主要技术指标声纳频率声纳频率 125KHz；最大水深最大水深 200米；米；最大条带宽度最大条带宽度 600米米 （一般为十倍水深）；（一般为十倍水深）；波束宽波束宽1.7度；度；波束角分辨率波束角分辨率 0.04度度垂向测量精度垂向测量精度 1cm；横向分辨率横向分辨率 1.5 cm；条带更新率条带更新率 10条带条带/秒（秒（150米时）；米时）；深度采样数深度采样数 100米水深时米水深时8500个个20米水深时米水深时 1700个个测试区域测试区域包括坝前南北1500米和主河道1300米测试内容1、测量孔板洞试验前后进水塔前地形变化、测量孔板

27、洞试验前后进水塔前地形变化并计算冲刷量。并计算冲刷量。2、坝前河道地形测量（、坝前河道地形测量（1300米），从测得米），从测得的地形图上，截取断面形态，与断面法测量的地形图上，截取断面形态，与断面法测量结果比较。结果比较。3、给出若干种地形测量后处理成果：等高、给出若干种地形测量后处理成果：等高线图、两维图、三维图（黑白、彩色）、三线图、两维图、三维图（黑白、彩色）、三维动画等。维动画等。实时测量画面实时测量画面条带 断面图条带平面图实时实时声纳图声纳图 揭示揭示河底反河底反 射特性射特性全部实验测区全部实验测区 三维数字地形三维数字地形大坝位置176m219m等高线图从地形图上截取断面图断

28、面比较hhld01断面图15016017018019020021022023024025026027028029030005001000150020002500起点距m河底高程m2003-7-112003-7-13兰色-切割断面红色-历史断面hhld06断面图15016017018019020021022023024025026027028029030005001000150020002500起点距m河底高程m2003-7-112003-7-13hhld05断面图150160170180190200210220230240250260270280290300050010001500200025

29、00起点距m河底高程m2003-7-112003-7-13孔板洞试验前后等高线图套绘图黑色-试验前兰色-试验后测区内孔板洞试验前后冲淤量计算Grid Volume ComputationsUpper SurfaceX Minimum: 621107.2X Maximum: 621721.2X Spacing:1Y Minimum: 3863869Y Maximum: 3864580Y Spacing:1Z Minimum:-42.09Z Maximum: -19.06Lower SurfaceX Minimum: 621107.2X Maximum: 621721.2X Spacing:1Y

30、Minimum: 3863869Y Maximum: 3864580Y Spacing:1Z Minimum:-42.35Z Maximum: -23.72VolumesZ Scale Factor:1Total Volumes by:Trapezoidal Rule:115.66999999998Simpsons Rule:122.11111111109Simpsons 3/8 Rule:118.22624999998Cut & Fill VolumesPositive Volume Cut:2209.8604424756Negative Volume Fill:2094.190442475

31、7Net Volume Cut-Fill:115.66999999996AreasPlanar AreasPositive Planar Area Cut: 14935.206211696Negative Planar Area Fill: 12419.293788304Blanked Planar Area: 409199.5Total Planar Area: 436554Surface AreasPositive Surface Area Cut: 15314.176227279Negative Surface Area Fill: 12728.655054326两维数字地形三维立体渲染图（局部）立体地形景观漫游三维数字地形景观漫游在世界各地的其它实测图例谢谢观赏End