回声测深原理

3.2　回声测深原理

图3-1　回声测深原理图

1.回声测深原理

回声测深是一种利用声波在水中的传播特性来测量水体深度的技术，其原理如图3-1所示。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。安装在测量船下的发射机换能器，垂直向水下发射一定频率的声波脉冲，以声速c在水中传播到水底，经反射或散射返回，被接收机换能器所接收。若自发射脉冲声波到接收换能器接收到水底回波的时间为t，换能器的吃水深度为D，则水深H为:

2.回声测深仪的组成

回声测深仪由发射系统、接收系统、发射换能器、接收换能器、显示器和电源部分组成(见图3-2)。发射机一般由振荡电路、脉冲产生电路、功放电路所组成。在中央控制器的控制下，发射机可周期性地产生一定频率、一定脉冲宽度、一定电功率的电振荡脉冲，由发射换能器按一定周期向海水中辐射。接收机将换能器接收的微弱回波信号进行检测放大，经处理后送入显示设备。在接收机电路中，采用了现代相关检测技术和归一化技术、回波信号自动鉴别电路、回波水深抗干扰电路、自动增益电路、时控放大电路，使放大后的回波信号能满足各种显示设备的需要。发射换能器是一个将电能转换成机械能，再由机械能通过弹性介质转换成声能的电-声转换装置。它将发射机送来的电振荡脉冲转换成机械振动，并推动水介质以一定的波束角向水中辐射声波脉冲。接收换能器是一个将声能转换成电能的声-电转换装置。它可以将接收的声波回波信号转变为电信号，然后再送到接收机进行信号放大和处理。现在许多水声仪器都采用发射与接收合为一体的换能器。为防止发射时产生的大功率电脉冲信号损坏接收机，通常在发射机、接收机和换能器之间设置一个自动转换电路。当发射时，将换能器与发射机接通，供发射声波用;当接收时，将换能器与接收机接近，切断与发射机的联系，供接收声波用。显示设备可以直观地显示所测得的水深值。此外，显示设备还可产生周期性的同步控制信号，控制与协调整机的工作。目前常用的显示设备有指示器式、记录器式、数字显示式、数字打印等。电源部分主要为全套仪器提供所需要的各种电源。

图3-3为几种常见的测深仪实物。

图3-2　回声测深仪组成示意图

图3-3　百米、千米和万米测深仪

为了求得实际的水深、对回声测深仪实测的深度数据需施加的改正数，称回声测深仪总改正数。这种改正主要是由于回声测深仪在设计、生产制造和使用过程中产生的误差造成的。总改正数的求取方法主要有水文资料法和校对法。前者适用于水深大于20 m的水深测量，后者适用于水深小于20 m的水深测量。

3.水文资料改正法

水文资料改正法一般用于水深大于20m以上的海区，包括吃水改正数ΔH_b、转速改正数ΔH_n及声速改正数ΔH_c，其中声速改正数ΔH_c对总改正数ΔH影响最大。

(1)吃水改正数ΔH_b

测深仪换能器有两种安装方式，一种是固定式安装，即将体积较大的换能器固定安装在船底;另一种是便携式安装，即将体积较小的换能器进行舷挂式安装。无论哪种换能器，均安装在水面下一定的距离，由水面至换能器底面的垂直距离称为换能器吃水改正数ΔH_b。若H为水面至水底的深度，H_S为换能器底面至水底的深度，则ΔH_b为:

　　　　　　　　　　　　　ΔH_b= H-H_s　　　　　　　　　　　(3-2)

(2)转速改正数ΔH_n

ΔH_n是由测深仪的实际转速n_s不等于设计转速n₀所造成的。记录器记录的水深是由记录针移动的速度与回波时间所决定的。当转速变化时，记录的水深也将改变，从而产生转速误差。转速改正数ΔH_n为:

(3)声速改正数ΔH_c

这是输入到测深仪中的声速c_m不等于实际声速c₀造成的测深误差。声速改正数ΔH_c为:

测深仪总改正数ΔH为:

　　　　　　　　　　　　ΔH=ΔH_b+ΔH_n+ΔH_c　　　　　　　　(3-5)

4.校对法

对于浅海区，适宜用校对法求测深仪总改正数。校对法是将检查板、水听器等置于换能器下方一定深度H处，与测深仪在当时当地的实测深度H_s作比较，其差值ΔH即为测深仪总改正数。

回声测深仪按照频率可分为单频测深仪和双频测深仪。单频测深仪仅发射一个频率的超声波，以测量海面到海底表面之间的垂直距离，即水深。双频测深仪换能器垂直向水下发射高、低频声脉冲，由于低频声脉冲具有较强的穿透性，因而可以打到海底硬质层，获得深度H _lf;高频声脉冲仅能打到海底沉积物表层，获得水深H _hf，两个脉冲所得深度之差便是淤泥厚度Δh。

　　　　　　　　　　Δh= H_lf-H _hf　　　　　　　　(3-6)

双频测深仪如图3-4所示。

图3-4　双频测深仪