回声测深仪的误差分析与修正.docx
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回声测深仪的误差分析与修正
测深仪的误差分析
科目航海仪器(测深仪)
1.引言
2.测深仪的工作原理
3.测深仪测量误差的分类及分析修正
4.影响测深仪工作的其他因素
5.结束语
摘要
回声测深仪是一种水深测量仪器仪,其功用是用来测量舰船所在海域的水深。
通过分析回声测深仪的基本工作原理,研究影响其测深精度的因素,并提出了校正方法,目的是确保仪器更好地发挥作用。
现在它已广泛地应用于航道勘测、水底地形调查、海道测量、船只导航定位等方面。
【关键词】回声测深仪;工作原理;误差分析;修正方法
1、引言
回声测深仪是测量超声波信号自发射经水底反射至接收的时间间隔,以确定舰船所在海域的水深的一种水声仪器,即测量船底到海底之间的距离。
在航海上,回声测深的用途是:
舰船在情况不明的海域或狭水道航行时,用测量水深确保舰船安全航行;在能见度不良或其它导航仪器失效时,用测量水深来辨认船位;对海域水深精密测量,提供确保舰船安全航行的水深资料。
因此,回声测深仪是一种重耍的航海仪器,对保证舰船的机动和安全航行具有重要的意义。
2、基本工作原理
回声测深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。
测量水深的原理如图所示,在船底装有发射超声波的发射换能器和接收超声波的接收换能器,发射换能器与接收换能器之间的距离为S,S称为基线。
发射换能器以间歇方式向水下发射频率为20~200kHZ超声波脉冲,声波经反射后一部分能被接收换能器接收。
如图所示,只要测出声波自发射至接收所经历的时间就可由下列公式求出水深。
公式:
1、测深原理:
实际水深:
H=D+h
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为声波在海底的传播速度;声波在海水中的标准声速取1500m/s;t为声波自发射至接收所经历的时间。
3、测深仪测量误差的分类及原理分析
回声测深仪的误差是指测深仪测量显示的水深与实际水深的差值。
回声测深仪的误差有的可以借助仪器本身予以调整,有的只能凭使用人员的经验、技术水平予以修正。
3.1声速误差
声速误差是指超声波在海水中传播的实际速度与标准(设计)速度(1500m/s)不同而产生的误差。
3.1.1海水中声速传播速度的经验公式:
C=1450+4.12T-0.037T2+1.14(τ-35)+0.0175D
式中:
T—为海水表面温度,℃;
τ—指含盐量,‰;
D—为海水深度,米。
其中:
水温每增加1℃,声速增加3.3米/秒;含盐度每增加1‰,
声速增加15米/秒。
3.1.2声速误差的修正公式:
实际水深=﹙实际声速/标准声速﹚×显示水深
当实际声速大于标准声速时,实际深度要大于显示深度;反之,则实际深度要小于显示深度。
商船的声速误差一般无须进行修正,但在声速变化显著的航区航行时,驾驶员应加以留意。
如船舶从海岸驶入内河航行时,可能由于含盐量变化引起实际声速小于标准声速而导致测深仪显示深度大于实际水深,从而影响船舶安全航行。
3.2零位误差
零位误差指的是闪光和记录式超声波发射时不在刻度尺的零位发射而产生的误差。
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,从而引起显示深度与实际深度不一致,产生零点误差。
通常,闪光式和记录式测深仪均设置了零点调节机构。
特点:
超前发射:
测量深度<实际深度
滞后发射:
测量深度>实际深度
处理方法:
调整发射触发器的触发时间,使其在零位发射。
3.3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电机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,讲直接影响测深仪显示深度的准确性。
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。
时间电机的转速可以通过旋转电机内离心调速器的固定螺钉予以调整。
3.3.1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﹚×显示水深
当电机转速高于额定转速时,测量深度要大于实际深度;电机转速慢于额定转速时,测量深度要小于实际深度。
所以要求电机转速稳定。
引起不稳定的原因:
一是船舶电源电压和频率不稳定;二是时间电机故障或调速装置失调。
处理方法:
在时间电机无故障的情况下调整时间电机的调速机构。
3.4基线误差
基线误差指的是发射换能器与接受换能器之间的距离大小引起的测量误差。
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,故产生了基线误差。
测量水深越深,基线误差就越小。
当水深大于5m时,基线误差就可以忽略不计。
采用收、发兼用换能器的测深仪则不存在基线误差。
要求:
浅水测深仪的基线一般不应大于300mm;深水测深仪的基线可以为0.5~1m。
4、影响测深仪工作的其他因素
4.1船舶摇摆对测深仪的影响
当船舶发生摇摆时,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,主波束的反射回波扔可被接收换能器接收;当倾斜角度大于极限值,将可能产生回波信号“遗漏”现象,严重时回波信号全部消失,测深仪无法工作
4.2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。
处理方法:
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。
处理方法:
为了保证船舶航行安全,此时应该从信号带前沿读取水深。
4.3航速的影响
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。
处理方法:
选择适当的换能器安装位置,可以帮助减小上述影响。
4.4水中气泡的影响
海水产生气泡的主要原因如下:
(1)风浪使大量空气混在海水表层;
(2)船舶倒车,在船底和螺旋桨处会产生大量气泡‘
(3)测深仪换能器安装位置不恰当,影响了水流的平滑性而产生气
泡。
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正常工作。
4.5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较强的吸收作用,尤其是长期不用的换能器表面会有大量的生物生长,对换能器工作影响较大,所以,应及时清洁换能器工作面。
还应该注意换能器的工作面不能涂敷油漆。
4.6换能器剩磁消失的影响
对于磁致伸缩换能器,剩磁因为时间太久会逐渐消失,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。
5、结束语
现代的船用回声测深仪普遍采用了先进的数字处理技术,通过软件控制超声波的发射和接收;同时使用高清晰度的液晶显示屏(LED)和菜单式的人机友好界面,可通过键盘操作来控制整机工作,而且可显示回波图像或储存数字水深信息,发出深度警报,数据打印等功能。
测深仪发挥着越来越重要的作用,因此要正确使用测深仪,注意测深仪的误差及时修正,同时要尽力克服影响测深仪工作的外部因素,发挥测深仪的最大作用,避免给水面航行带来不必要的损失。
参考文献:
《回声测深仪在水深测量中的误差修正》
济南大学理工学院作者:
崔晓军
《回声测深仪》
海军工程学院作者:
毛裕国
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- 关 键 词:
- 回声 测深 误差 分析 修正