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摘要：文中介绍船用回声测深仪的工作原理以及测量误差的产生原因，进一步分析测深仪测量的局限性。回声测深仪是测量船底到海底的水深，是测量船底换能器位置到海底的水深，如果海底地形不平坦时，回声测深仪显示的水深并不是整个船底的水深。当船舶处于海况复杂的区域，应充分考虑到测深仪自身的测量误差的影响并结合其他助航仪器防止船舶搁浅。
关键词：超声波，换能器，测深仪
1.引言
回声测深仪是利用测量超声波自发射到被反射接收的时间间隔，来确定所在的海域水深的一种水声仪器。回声测深仪的主要作用：船舶在情况不明的海域或狭窄水道航行时，测量水深以确保航行安全；在能见度不良或导航仪器失效时，用测量水深来辨认航位；对海域的水深进行精密测量，提供确保船舶安全航行的水深资料；现代化多功能的船用测深仪还可实现水下勘测、鱼群探测跟踪等功能。因此，回声测深仪在水下地形测量，海洋工程，船舶中有着广泛的应用。
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2.基本工作原理
声波在介质中传播的有以下特性：（1）声波在同一介质中的传播速度基本恒定，在不同介质中传播速度不同。（2）声波在水介质中直线传播。（3）声波传播经过不同介质时，会发生反射、折射、散射和绕射等物理现象。（4）声波在介质中传播，由于扩散和吸收的作用，声波的能量将逐渐衰减。根据物理学知识，声波在海水中传播速度将取决于海水的温度、含盐量、静压力的等，显然，声波在海水中传播的速度并非一个常量，为了简化设计，船用回声测深仪的通常选用1500m/s作为标准声速。
回声测深原理如图1所示，在船底装有发射超声波的换能器A和接收超声波的换能器B，A与B之间的距离为基线S。发射换能器A间歇方式向水下发射20kHz-200kHz(船用回声测深仪常用的声波频率为50kHz和200kHz)超声波脉冲，声波经海底反射回来的部分回波能量被接收环能器B接收。
由图1得知，只要测量出声波A发射到B接收的所经历的时间。就可以由公式1求得水深：
公式1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，标准声速为1500m/s；t为声波自发射到接收所需要的时间。现取基线AB=S=0，C=1500m/s,得到测量水深公式
公式(2)中，将超声波在水中的传播速度C作为已知恒速，换能器基线S看作零，通过测量超声波往返海底的时间t，计算得出水深h。式2中存在的缺陷：水深精度将受到超声波在水中传播速度C变化的影响和换能器基线S不为零的影响，从而产生测深误差。
3.回声测深误差
回声测深仪的误差主要有：声速误差、时间电机转速误差、零点误差和基线误差等等。此外，船舶摇摆、海水中的气泡、海底底质与坡度、船速、换能器工作面附着物等因素影响测深仪的测量。
（1）声速误差
回声测深仪的设计声速取标准声速1500m/s,而实际声波在海水传播的速度会随着海水的温度、含盐量和静压力的变化而变化，回声测深仪的声速误差是不可避免的。声速误差的修正公式如下：
公式3中， 为实际水深， 声波在海水中传播的实际速度， 标准声速， 测量深度。回声测深仪换能器内含温度传感器，在软件设置中增加了温度补偿温度补偿、盐分补偿、水深补偿，来减少声速误差。
（2）基线误差
使用发射换能器与接收换能器分离的测深仪，换能器基线是不为零的，而测量显示的水深是利用h 750t计算得来的，由此而产生的测深误差称为测深仪的基线误差。测量水深越小，基线误差越大。当测量水深小于5m时，基线误差较大，应考虑其对测深精度的影响。如采用收发兼用换能器的测深仪则不存在基线误差。
4.其他影响测深误差的因素
(1)水中气泡的影响。水泡会对声波有吸收作用，导致声波在传输过程中产生损耗。大量的气泡会引起声波的混响，从而严重干扰了测深仪正常工作。当船舶倒车或处在风浪中时，船底换能器周围水层中存在大量气泡，吸收换能器发射的超声波能量和海底反射回来的微弱的超声波回波，导致换能器无法接受到经过海底反射回来的回波，从而导致侧深仪无法测量水深。
(2）船舶倾斜（摇摆）的影响。船舶倾斜或摇摆角度b大于波束开角q的一半时 ，海底反射回来的超声波回波，将不能到达接收换能器的接收面即接收不到回波信号，测不到水深。回声测深仪发射超声波的波束开角q一般为20° ～30°。
(3)海底底质的影响。光滑的岩石对超声波的反射效果最好，淤泥对超声的反射效果最差，碎石、沙子对超声波的反射效果一般。为了达到更好的测量效果，通常是采用软件根据不同的海底底质来调整测深仪的发射功率和接收灵敏度。
(4)换能器工作面的附着物的影响。换能器表面附着物对声波有较强的吸收作用，尤其是长期不用的换能器表面会有大量的海生物，对换能器的工作影响较大，所以清洁换能器表面。
（5）海底地形的影响。从回声测深原理可知，回声测深仪是测量船底到海底的水深，严格地说应该是测量船底换能器位置到海底的水深，如果海底地形不平坦时，回声测深仪显示的水深并不是整个船底的水深。当船舶处于浅水区时，应充分注意这种影响，防止船舶搁浅。
5.结束语
测深的误差分析得知，换能器在船底的安装位置应使其周围的噪声干扰最少。比如，应考虑使气泡影响最小，且船舶在最小吃水和最大摇摆时，换能器始终保持在水下部位。如果只安装一只换能器，建议安装在船艏部；如果采用双换能器，通常分别安装在船艏与船尾。为了避免产生气泡或涡流干扰，换能器避免安装在船尾靠近螺旋桨的地方、船底进出水管附近。换能器前4-5米内不能有突出物。应尽可能的平滑并且靠近龙骨或者龙骨左右附近，换能器平面应与船底齐平，换能器平面与水平面的最大倾角不大于7°；远离其它水声换能器，若船舶同时装有其它水声换能器时，应分别安装在龙骨两侧，间距不得小于1m，且越远越好，尽量避免其他声波的干扰。
测深仪是一种重要的航海仪器，测深仪的可以将测得水深数据可以直接发送到雷达、电子海图、VDR等设备上，对保证船舶机动和安全航行具有重要的意义。除了作为船舶导航仪器外，还可以用作海岸地形测量、航道测量、水文测量、海洋工程测量、扫海测量、地貌探测、海底工程和海洋测绘等等。
参考文献:
[1]邹友家等.船舶导航技术手册[M].上海交通大学出版社,2017.
[2]毛裕国等.回声测深仪.海军工程学院.2005
[3]FURUNO NAVIGATIONAL ECHO SOUNDER FE-800