計程儀及回聲測深儀講課教案

1、計程儀及回聲測深儀一、回聲測深原理一、回聲測深原理1、水聲學(xué)有關(guān)知識、水聲學(xué)有關(guān)知識1）聲源）聲源產(chǎn)生聲波的原因是物體的振動，我們把振動的物體稱為聲源。聲波傳播并非介質(zhì)的質(zhì)點本身的傳播，而是質(zhì)點振動形成的傳播。所以必須把質(zhì)點的振動速度（振速）和聲波在介質(zhì)中的傳播速度（聲速）區(qū)別開來。聲能是機(jī)械能的一種形式。聲波的產(chǎn)生必須具有聲源和彈性介質(zhì)兩個因素。2）聲波的分類）聲波的分類按頻率分：次聲波（20z以下） 可聞聲波（20z20kz） 超聲波（20kz以上）按發(fā)射方式分： 連續(xù)波、脈沖波一、回聲測深原理一、回聲測深原理1、水聲學(xué)有關(guān)知識、水聲學(xué)有關(guān)知識3）聲波的傳播速度）聲波的傳播速度在空氣中：

2、C340ms；在水中： C1500ms聲速只取決于介質(zhì)的物理常數(shù)，而與聲源的振動頻率無關(guān)。聲波在海水中的傳播速度隨溫度、含鹽量和靜壓力的不同而變化的，其中以溫度的影響最為顯著。 溫度增加1C ，聲速平均增加量33 ms 含鹽量增加1 聲速平均增加量15 ms 靜壓力增加1107a（水深增加100米）聲速平均增加量33ms水的靜壓力是隨著水深的增加而增大，而水溫卻隨著水深的增加而降低。所以由于水深的變化使引起的壓力增加和溫度的降低，而影響聲速的變化值幾乎是相互抵消的。航海上，海水中的聲速一般取1500米秒。一、回聲測深原理一、回聲測深原理1、水聲學(xué)有關(guān)知識、水聲學(xué)有關(guān)知識4）聲波在海水中傳播的損

3、耗）聲波在海水中傳播的損耗擴(kuò)散損耗： 直接由于聲能的擴(kuò)散所引起的。衰減損耗，由于吸收和散射共同作用的結(jié)果，它和電能沿導(dǎo)線傳輸所產(chǎn)生的損耗類似。反射、折射一、回聲測深原理一、回聲測深原理1、水聲學(xué)有關(guān)知識、水聲學(xué)有關(guān)知識5）聲波在海水中的傳播干擾）聲波在海水中的傳播干擾混響干擾分類： 體積混響：即散射體分布在整個海區(qū)，它是由于海水的不均勻性而造成的聲散射。 海面混響：即散射體分布在海表面附近，造成了具有一定厚度的散射層。 海底混響類似海面一樣，散射體分布在海底附近，它主要是由于海底的不均勻、不平整和附集在海底附近的氣泡以及靠近海底的生物層等所引起的散射。以上三種混響在海洋中是同時存在而又無法截然

4、分開的。但是在一定條件下，以其中的一種或兩種混響為主要。一、回聲測深原理一、回聲測深原理1、水聲學(xué)有關(guān)知識、水聲學(xué)有關(guān)知識（5）聲波在海水中的傳播干擾）聲波在海水中的傳播干擾海洋噪聲：水聲中的各類噪聲都是一種隨機(jī)過程，現(xiàn)代各種水聲導(dǎo)航儀器都十分重視對噪聲的研究。水中的噪聲主要包括： 海洋自然噪聲A：水動力噪聲，海浪、海流、潮汐、地震、風(fēng)雨等；B：海洋生物噪聲，魚群、蝦群等。鯨魚、海豚獨特的噓叫聲；C：海洋中的人為噪聲 D：海洋熱噪聲 由于海水介質(zhì)熱騷動所產(chǎn)生的噪聲。 目標(biāo)輻射噪聲 船舶的自噪聲其特點： 接收換能器在航行中與水的撞擊和摩擦； 由于海水波浪對船體的沖擊。一、回聲測深原理一、回聲測深

5、原理2、回聲測深原理、回聲測深原理v 回聲測深的原理是基于聲波在水中傳播特性的理論，即利用超聲波在水中等速直線傳播和具有反射特性的原理來測定水深。v 由于超聲波較其它聲波的方向性好、穿透性強(qiáng)、放射性顯著和抗可聞聲干擾性好等特點，所以回聲測深儀是利用超聲波進(jìn)行深度測量。二、組成及各部分的主要作用二、組成及各部分的主要作用1、回聲測深儀的組成、回聲測深儀的組成 測量顯示系統(tǒng)（display system）、發(fā)射系統(tǒng)（transmitting system）和接收系統(tǒng)（receiving system）。1）顯示器）顯示器（display unit） （1）作用：）作用：裝有深度指示或記錄機(jī)構(gòu)，發(fā)射

6、控制機(jī)構(gòu)、控制整機(jī)工作狀態(tài)的調(diào)整旋鈕、開關(guān)及指示表等，內(nèi)部還裝有報警器和誤差調(diào)節(jié)裝置等。脈沖產(chǎn)生器(pulse generator)以一定的時間間隔產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，控制計時器開始計時和控制發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生具有一定功率和寬度的電脈沖，推動發(fā)射換能器工作。協(xié)調(diào)整機(jī)工作并控制發(fā)射時刻。計算、顯示測量深度。（2）顯示方式：）顯示方式：閃光式（轉(zhuǎn)盤式） 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速取決于測深儀的最大量程，其計算公式如下： N：轉(zhuǎn)速（r/min） C：聲速 1500m/s 回聲測深儀深度盤上“0”點閃光的時刻，表示超聲波開始發(fā)射。記錄式 IMO規(guī)定，測深儀的顯示裝置必須具有記錄式。數(shù)字式指示式：將超聲波往返的時間轉(zhuǎn)換為電流或電壓，

7、由電流表或電壓表指示。（3）發(fā)射觸發(fā)方式）發(fā)射觸發(fā)方式 機(jī)械觸發(fā)式 電磁觸發(fā)式 光電觸發(fā)式 電子觸發(fā)式 二、組成及各部分的主要作用二、組成及各部分的主要作用1、回聲測深儀的組成、回聲測深儀的組成2）換能器）換能器（1）作用）作用將發(fā)射系統(tǒng)輸出的電振蕩脈沖，轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動，并向水中發(fā)射超聲波振蕩脈沖，而且也能夠把來自海底的反射超聲波振蕩脈沖轉(zhuǎn)換為電振蕩信號，一個可逆的聲電換能器。（2）分類分類按作用分為：發(fā)射換能器(transmitting transducer)和接收換能器(receiving transducer)；發(fā)射換能器向海底發(fā)射超聲波脈沖。按工作原理分為：磁致伸縮換能器(magnet

8、ostrictive transducer)和電致伸縮換能器(piezoelectric transducer)（3）安裝要求）安裝要求具有良好的指向性（半擴(kuò)散角 。1015）。位置應(yīng)在距船首1213船長處（不要小于1/5船長處）。換能器平面力求水平，偏差不得大于1度（指南上為05）；不能降低船體強(qiáng)度，并應(yīng)保持良好的水密；電纜要屏蔽，不能有接頭。換能器不應(yīng)安裝在排水管、海底閥或其它突出物的附近。（4）注意事項）注意事項船出塢前應(yīng)檢查換能器表面不得有碰傷，不得涂油漆（因為油漆對聲能的吸收很大），應(yīng)保持清潔；磁致伸縮換能器初次使用或較長時間沒有使用，必須對其進(jìn)行充磁，否則，測深儀不能正常工作。二、

9、組成及各部分的主要作用二、組成及各部分的主要作用1、回聲測深儀的組成、回聲測深儀的組成3）電源系統(tǒng)）電源系統(tǒng)作用：將船電轉(zhuǎn)換為測深儀的工作電源，可采用變壓器、逆變器或變流機(jī)。二、組成及各部分的主要作用二、組成及各部分的主要作用2、回聲測深儀的重要作用三、回聲測深儀的使用及注意事項三、回聲測深儀的使用及注意事項1、回聲測深儀的主要技術(shù)指標(biāo)、回聲測深儀的主要技術(shù)指標(biāo)1）最大測量深度（）最大測量深度（hmax）最大測量深度hmax(maximal detectable depth)是表示測深儀所能測得的最大深度。最大測量深度與發(fā)射功率和脈沖重復(fù)周期（）（或脈沖重復(fù)頻率）有關(guān)。以脈沖方式工作的回聲測深

10、儀，它的最大測量的時間間隔t只能是在兩次發(fā)射的間隔時間T內(nèi)（即tT），故應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)射間隔時間，即脈沖重復(fù)周期。hmax750 一般為200米1000米，最大2000米2）最小測量深度（）最小測量深度（hmin）（米）（米）最小測量水深hmin(minimum detectable depth)是表示測深儀可能測量并能顯示出來的最小深度。最小測量深度取決于發(fā)射脈沖寬度。因此，最小測量深度hminhminC/2750一般為01米1米。hmin/750三、回聲測深儀的使用及注意事項三、回聲測深儀的使用及注意事項1、回聲測深儀的主要技術(shù)指標(biāo)、回聲測深儀的主要技術(shù)指標(biāo)3）脈沖重復(fù)頻率（）脈沖重復(fù)頻率

11、（）（次秒）脈沖重復(fù)頻率(pulse repetition frequency PRF)、脈沖重復(fù)周期(pulse repetition period PRP) 1 與測深儀的最大測量深度有關(guān)，一般為0306s。4）脈沖寬度（）脈沖寬度（）（ms）持續(xù)發(fā)射超聲波脈沖的時間稱為脈沖寬度（pulse duration），它是決定最小測量深度的關(guān)鍵。一般取01ms13ms（毫秒）。5）工作頻率）工作頻率（operating frequency）測深儀的工作頻率指發(fā)射超聲波的頻率。超聲波的工作頻率一般為2060kz之間，最大可達(dá)200kz。6）發(fā)射功率）發(fā)射功率（transmitting power）

12、發(fā)射功率指脈沖功率。它的數(shù)值一般在幾十瓦至幾百瓦之間。7）消耗功率）消耗功率8）換能器及換能器指向性）換能器及換能器指向性0稱為半擴(kuò)散角。半擴(kuò)散角越小，波束就越尖銳，指向性越好，測深儀或聲相關(guān)計程儀的0一般在10-15，而多普勒計程儀的0則為1. 5 -3。測深儀換能器的波束一般不宜過于尖銳，否則會因為船舶搖擺而接收不到信號。三、回聲測深儀的使用及注意事項三、回聲測深儀的使用及注意事項2.影響正常測深的主要因素影響正常測深的主要因素1）水中氣泡的影響）水中氣泡的影響超聲波在空氣中的吸收損耗遠(yuǎn)大于在水中。因此超聲波在水中傳播過程中遇到氣泡時，強(qiáng)度將受到很大削弱。另外氣泡還有反射、散射能力，這也將

13、使回波受到干擾。船倒車（此時不宜使用測深儀因水中產(chǎn)生氣泡影響）；船變更航向或輕載高速航行時；風(fēng)浪較大，船舶搖擺時；船首上翹較高時；換能器安裝不理想時。2）船舶傾斜（搖擺）的影響）船舶傾斜（搖擺）的影響當(dāng)船傾斜時，發(fā)射換能器也隨之傾斜，當(dāng)其傾角大于發(fā)射角的二分之一時，即。/2時，就接收不到海底的回波信號。也就無法進(jìn)行測深。風(fēng)浪大，船舶搖擺劇烈時將無法進(jìn)行測深。3）海底底質(zhì)的影響）海底底質(zhì)的影響不同的海底底質(zhì)，對超聲波反射能力也不同；下列底質(zhì)反射能力逐漸變差：巖石、碎石、沙底、淤泥。4）海底地形的影響）海底地形的影響從當(dāng)進(jìn)行淺水水域測深時，在記錄紙上可能出現(xiàn)一較寬的信號帶，應(yīng)以回波信號帶的前沿讀取

14、測量深度為宜（最淺的水深信號）。在高低不平巖石海底的淺水中，若靈敏度很高，在測深儀的顯示器上可能出現(xiàn)多次回波信號，應(yīng)將第一次回波信號為正確回波，并以此讀取水深。5）船底污物、雜草等的影響）船底污物、雜草等的影響三、回聲測深儀的使用及注意事項三、回聲測深儀的使用及注意事項3.回聲測深的誤差回聲測深的誤差1）聲速誤差）聲速誤差(acoustic velocity error)產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因?qū)嶋H聲速與設(shè)計聲速不一致，使測量產(chǎn)生誤差。當(dāng)實際聲速大于設(shè)計聲速時，測量水深小于實際水深。當(dāng)實際聲速小于設(shè)計聲速時，測量水深大于實際水深。消除方法消除方法一般不進(jìn)行消除。要求測深精度高的回聲測深儀，設(shè)置“溫度補(bǔ)

15、償”、“鹽分補(bǔ)償”、“水深補(bǔ)償”，來消除聲速誤差。2）基線誤差）基線誤差（ground line error）產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因（發(fā)射和接收換能器之間的距離引起的誤差）在水深大于5米時，回聲測深儀的基線誤差可忽略不計。消除方法消除方法發(fā)射和接收采用同一個換能器，或不消除。三、回聲測深儀的使用及注意事項三、回聲測深儀的使用及注意事項3.回聲測深的誤差回聲測深的誤差3）時間電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差）時間電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差(speed of revolution error of timing-motor)產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因時間電機(jī)轉(zhuǎn)速與其額定轉(zhuǎn)速不一致。轉(zhuǎn)速快（時間電機(jī)轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速），顯示水深大于實際水深；轉(zhuǎn)速慢，

16、顯示水深小于實際水深。消除方法消除方法如果是由于船電不穩(wěn)定引起的轉(zhuǎn)速不均勻，則應(yīng)采用穩(wěn)定的電源如果船電是穩(wěn)定的，而且時間電機(jī)的轉(zhuǎn)速一直是大于或小于額定轉(zhuǎn)速，那么應(yīng)調(diào)節(jié)時間電機(jī)的轉(zhuǎn)速為設(shè)計轉(zhuǎn)速。4）零點誤差）零點誤差（zero point error）產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因顯示的發(fā)射零點標(biāo)志不在水深刻度零點的位置上。消除辦法消除辦法調(diào)整發(fā)射零點位于水深刻度零點上。第九章 船用計程儀（SS ）概述1、發(fā)展簡史、發(fā)展簡史19世紀(jì)70年代，英國出現(xiàn)了拖曳（ye）式計程儀，它是利用水渦輪原理測速的；19世紀(jì)末，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪式計程儀；本世紀(jì)，出現(xiàn)了四代計程儀：1）水壓計程儀（20世紀(jì)初）2）電磁計程儀（20世紀(jì)5

17、0年代）3）多普勒計程儀（20世紀(jì)70年代）4）聲相關(guān)計程儀（20世紀(jì)70、80年代）2、分類、分類（按測量參考坐標(biāo)系來劃分）1）相對計程儀測量對水的速度，計風(fēng)不計流水壓計程儀電磁計程儀2）絕對計程儀測量對地的速度，計風(fēng)計流多普勒計程儀聲相關(guān)計程儀說明何為計風(fēng)不計流，以及何為計流計風(fēng)。 一、電磁計程儀一、電磁計程儀 電磁計程儀(electromagnetic log)是利用電磁感應(yīng)原理來測量船舶相對于對水的速度和航程的計程儀。1、測速、計程原理、測速、計程原理 電磁計程儀的測速器件是安裝在船底的電磁傳感器，船在靜水中不動時，傳感器不產(chǎn)生感應(yīng)電壓（無信號），當(dāng)船相對于水運(yùn)動時，即水相對于傳感器流

18、動（運(yùn)動導(dǎo)體）切割傳感器磁場，產(chǎn)生感應(yīng)電壓，作為船速信號，此電壓的大小與水流速度（船速）成正比關(guān)系 EgMBLV=KV EgM（BD）EgM/k EgM：感應(yīng)電動勢（伏） B：交變磁感應(yīng)強(qiáng)度（韋伯/米2） L：兩電極之間的水平距離（米） V：傳感器下水的流速（即航速）原理(1)利用電磁感應(yīng)原理來測量船舶航行時相對于水的速度，并累計航程的計程儀。 E=BLV10-8 V=E/（BL10-8 ）(2)實現(xiàn):傳感器(3)計程原理:S=Vdt 0t一、電磁計程儀一、電磁計程儀2、主要組成及作用、主要組成及作用1）傳感器）傳感器-測速器件將船舶相對于水流的速度，轉(zhuǎn)換成與該速度成正比的電信號的器件。傳感器

19、的輸出電壓Eg與航速成正比。也就是說測量出Eg的大小，即可換算出船舶相對海水的速度。傳感器有兩種：測桿式（管道式）和平面式；傳感器一般安裝在船底距首12船長處，不能安裝在測深儀換能器的前方。 進(jìn)塢時應(yīng)檢查傳感器電極有無損傷，并進(jìn)行清潔；每三年進(jìn)行一次水密實驗；定期檢查傳感器艙室內(nèi)是否有積水，是否存在高溫；平面型傳感器，若船舶在海水中停泊較長時，應(yīng)定期向傳感器供電，以防海生物寄生。2）放大器）放大器將傳感器送來的微弱電信號進(jìn)行足夠的放大，并去除干擾和變換，輸出直流航速信號。題計程儀輸出至其他導(dǎo)航儀器的航速信息規(guī)定為200P/海里。3）顯示器）顯示器航速顯示將放大器輸出的直流航速信號轉(zhuǎn)換成航速。例

20、如：如果用05mA代表一節(jié)航速，那么125mA代表25節(jié)。航程顯示一、電磁計程儀一、電磁計程儀3.使用與注意事項使用與注意事項1）開機(jī)）開機(jī)（1）接通開關(guān)箱上的“電源”開關(guān)(main switch)，傳感器和放大器工作（放大器內(nèi)的電源開關(guān)平時應(yīng)放在“接通”位置）。（2）接通指示器上的“電源”開關(guān)(power)，顯示器工作，航速表指示航速。（3）將顯示器上的“儲存-顯示”開關(guān)(storage-display)置于“顯示”位置，航程顯示窗口以數(shù)字顯示航程；若“儲存-顯示”開關(guān)置于“儲存”位置，則航程顯示窗口不顯示航程，但仍繼續(xù)累計航程。（4）當(dāng)需要將航程復(fù)零時可按下“復(fù)零”按鈕(reset)，航程

21、顯示為零。但航行中切勿觸動“復(fù)零”按鈕，否則航程將被清除。（5）使用顯示器內(nèi)的“航程選擇”開關(guān)(distance change)根據(jù)需要選擇航程顯示的小數(shù)點位數(shù)為小數(shù)后1位或2位。（6）放大器內(nèi)的“工作-自校”轉(zhuǎn)換開關(guān)(operation-self correcting change)，平時置于“工作”位置，當(dāng)需要自校時轉(zhuǎn)換到“自?！蔽恢?，自校完成后仍放在“工作”位置。2）關(guān)機(jī)）關(guān)機(jī) 斷開顯示器上的“電源”開關(guān)和放大器上的“電源”開關(guān)。3）使用注意）使用注意（1）按規(guī)定測量計程儀改正率。（2）電磁計程儀是相對計程儀，只能測量相對航速與航程，當(dāng)需要求真航速和航程時，需要按計程儀改正率進(jìn)行改正。

22、（3）必要時可利用儀器本身的“自?！惫δ?，對顯示航速的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢測與校正。（4）按規(guī)定維護(hù)保養(yǎng)好傳感器，使其始終保持良好狀態(tài)。（5）經(jīng)常清潔放大器和顯示器內(nèi)，防止灰塵等影響電子器件的正常工作。二、多普勒計程儀二、多普勒計程儀（DOPPLER LOG） 多普勒計程儀是一種利用多普勒效應(yīng)測量船舶絕對測速和航程或相對于水層的速度和航程的計程儀?，F(xiàn)代船舶上大多使用此種計程儀。 多普勒計程儀與電磁計程儀比較，具有下列優(yōu)點優(yōu)點： 1、測速精度可達(dá)001kn（0005ms），測量誤差小于05%； 2、可同時測量縱向和橫向速度； 3、在跟蹤深度范圍內(nèi)提供絕對（船對地）速度。 滿足大型船舶要求，為雷達(dá)真運(yùn)動顯

23、示和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供絕對速度。 跟蹤海底時（淺水中），測量的是對地速度，即絕對速度；當(dāng)跟蹤水層時，測量的是對水的速度，即相對速度。 缺點缺點 所測船速受聲速的影響較大。 船速隨聲速變化而變化。二、多普勒計程儀二、多普勒計程儀（DOPPLER LOG）1.測速、計程原理測速、計程原理1)多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)是奧地利物理學(xué)家多普勒（CJDoppler）于一個世紀(jì)前發(fā)現(xiàn)的一種物理現(xiàn)象，即聲源與觀測者之間存在相對運(yùn)動時，觀測者所接收到的頻率與聲源發(fā)射頻率之間出現(xiàn)一個頻差，這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。在日常生活中，說明多普勒效應(yīng)的實例是很多的，其中最明顯的例子是高速行駛的火車的汽笛聲調(diào)的變化。聲調(diào)

24、的變高和變低，說明站臺上的人們所聽到的頻率變高或變低了。這說明由于觀察者（站臺上的人們）與聲源（火車汽笛）之間存在相對運(yùn)動，觀察者所接收到的頻率與聲源發(fā)射頻率之間出現(xiàn)了頻差。多普勒一次效應(yīng)： f1f1f0f0C多普勒二次效應(yīng)： f2f2f0f02C （96）由上式可以看出，聲源與接收機(jī)同裝于船舶點上，當(dāng)船舶以速度向反射體D處駛近時，接收頻率比發(fā)射頻率增加一個f2。f2比f1在數(shù)值上增加一倍，故稱這種情況為多普勒二次效應(yīng)。用同樣的方法分析，船舶以速度遠(yuǎn)離發(fā)射體行駛時，接收頻率比發(fā)射頻率減少一個f ，與船舶駛近發(fā)射體所得到的接收頻率增加一個f 的數(shù)值相等，但符號相反。二、多普勒計程儀二、多普勒計程

25、儀（DOPPLER LOG）1、測速、計程原理、測速、計程原理1）多普勒效應(yīng)）多普勒效應(yīng) 由多普勒頻移公式可以看出，若發(fā)射超聲波頻率f 固定不變，超聲波在水中的傳播速度速度C視為常量，則多普勒頻移與船舶航速成正比，因而可以通過測量多普勒頻移的方法來測量船舶航速。即考慮超聲波遇到海底能夠散射回來被接收，又考慮到其傳播方向不能與船舶航速方向相垂直（因垂直時不產(chǎn)生多普勒效應(yīng)），則將超聲波發(fā)射方向選擇與船速方向成某一角度，被稱為發(fā)射波束俯角，一般取60。船舶以速度向前航行，在船底安裝超聲波發(fā)射換能器和接收換能器（聲電換能器）。發(fā)射換能器向海底發(fā)射一束超聲波信號（其頻率為f ，波束開角一般為36），其中

26、一部分將沿與發(fā)射路徑相反的方向反射回來，被接收換能器接收，產(chǎn)生了多普勒二次效應(yīng)。將船速在超聲波傳播方向上的分量cos代入（96） 式，即得船用多普勒頻移公式： f 2f0cosC上式可變換為： Cf （2f0cos）kf由上式可以看出，若超聲波在水中的傳播速度C、發(fā)射頻率f 、及波束發(fā)射俯角均為已知常量，則測得多普勒頻移f 后，即可換算出船舶航速，求航速對時間的積分即得船舶的航程。船舶在風(fēng)浪天氣航行時，由于搖擺或顛簸的影響，會引起船速對垂直方向的敏感，而產(chǎn)生測量誤差。2.單波測速原理單波測速原理在船底裝置一個發(fā)射與接收兼在船底裝置一個發(fā)射與接收兼用的換能器用的換能器,將超聲波發(fā)射方向?qū)⒊暡òl(fā)

27、射方向選擇與航速方向成某一角度選擇與航速方向成某一角度(一般取一般取60)向海底發(fā)射超聲向海底發(fā)射超聲波波 則船速則船速 ffCVocos2VO Vcos 為了消除船舶（上下）顛簸和（縱向）搖擺對單波束測速帶來的誤差，提高測速精度，船用多普勒計程儀普遍應(yīng)用雙波束測速原理。其辦法是采用兩個相互對稱的發(fā)射波束。即在船底安裝兩個相同的發(fā)射換能器（兼作接收器使用），其中一個發(fā)射面朝向船首方向，另一個朝向船尾方向，以同樣大小的波束發(fā)射俯角，分別向船首和船尾方向的海底發(fā)射超聲波脈沖信號。VO Vcos 船舶垂直運(yùn)動速度對測速的影響船舶垂直運(yùn)動速度對測速的影響USinU 當(dāng)船舶具有向前的速度當(dāng)船舶具有向前的

28、速度V的的同時具有向上的速度同時具有向上的速度U,此時此時向前發(fā)射的超聲波的頻移量向前發(fā)射的超聲波的頻移量為為:f1 =2f0(Vcos -Usin )CVO船舶垂直運(yùn)動速度對測速的影響船舶垂直運(yùn)動速度對測速的影響USinU 當(dāng)船舶具有向前的速度當(dāng)船舶具有向前的速度V的的同時具有向上的速度同時具有向上的速度U,此時此時向后發(fā)射的超聲波的頻移量向后發(fā)射的超聲波的頻移量為為:f2 =-2f0(Vcos +Usin )C 3.雙波測速原理雙波測速原理cfvcvfcvffffAF000cos4cos2cos2為消除船舶搖擺時垂向為消除船舶搖擺時垂向分速度而產(chǎn)生的測速誤分速度而產(chǎn)生的測速誤差差,目前多普

29、勒計程儀都目前多普勒計程儀都采用雙波束測速系統(tǒng)采用雙波束測速系統(tǒng),如如右圖右圖由左式可知由左式可知,船舶顛船舶顛簸搖擺引起的垂向簸搖擺引起的垂向運(yùn)動速度對測速的運(yùn)動速度對測速的影響已完全消除影響已完全消除二、多普勒計程儀二、多普勒計程儀（DOPPLER LOG）2.主要組成及作用主要組成及作用1)換能器換能器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件。2)收發(fā)器收發(fā)器控制發(fā)射系統(tǒng)，使其產(chǎn)生足夠功率的電信號，激勵發(fā)射換能器達(dá)到所要求的聲能向海底發(fā)射超聲波。3)顯示器顯示器顯示航速、航程顯示航速、航程顯示器的作用是將收發(fā)器送來的航速信號變?yōu)楹剿伲⒁詳?shù)字方式或其它方式，在顯示器和航速復(fù)示器顯示。同時顯示器還將航速信號變換

30、為海里/脈沖信號，一路經(jīng)電子積分器累計航程并顯示，另一路送給ARPA、電子海圖、綜合導(dǎo)航儀等儀器作為自動航速輸入。二、多普勒計程儀二、多普勒計程儀（DOPPLER LOG）3.影響多普勒計程儀測速精度的主要因素影響多普勒計程儀測速精度的主要因素1）聲速的變化）聲速的變化C1500米秒2）船舶上下顛簸的影響）船舶上下顛簸的影響搖擺或顛簸。二、多普勒計程儀二、多普勒計程儀（DOPPLER LOG）4.多普勒計程儀的分類多普勒計程儀的分類1）一元多普勒計程儀）一元多普勒計程儀（monogenesis doppler log）即單軸多普勒計程儀,簡稱為多普勒計程儀。采用雙波束系統(tǒng)。只能測量船舶的縱向速

31、度，通常只作常規(guī)導(dǎo)航之用。2）二元多普勒計程儀）二元多普勒計程儀（dual doppler log）即雙軸多普勒計程儀，又稱多普勒導(dǎo)航儀。采用四波束系統(tǒng)。可以同時測量船舶的縱向速度和橫向速度，可作為船位推算導(dǎo)航使用。3）三元多普勒計程儀）三元多普勒計程儀（ternary doppler log）即三軸多普勒計程儀（three-axial），又稱多普勒進(jìn)港系統(tǒng)及速度計程儀。采用六波束系統(tǒng)?？梢酝瑫r測量船舶縱向速度、船首橫移速度和船尾橫移速度，能反映船舶運(yùn)動的全貌，用作船舶進(jìn)出港靠離碼頭及錨泊使用。 三、聲相關(guān)計程儀三、聲相關(guān)計程儀 聲相關(guān)計程儀于20世紀(jì)70年代初開始研制，1976年瑞典扎納公司

32、生產(chǎn)出第一臺聲相關(guān)計程儀，SALACCOR LOG。 聲相關(guān)計程儀是應(yīng)用對水聲信息的相關(guān)處理技術(shù)來測量船舶航速的儀器。其特點是采用垂直向發(fā)射和接收超聲波信號，并對回波信號的幅值包絡(luò)進(jìn)行相關(guān)信息處理來測量航速、累計航程。亦可兼作回聲測深儀使用。三、聲相關(guān)計程儀三、聲相關(guān)計程儀1、聲相關(guān)計程儀組成及各部分的主要作用、聲相關(guān)計程儀組成及各部分的主要作用1）換能器）換能器(transducer)（發(fā)射換能器Bt和接收換能器Bf、Ba） 發(fā)射換能器Bt安裝在船底中部，由電子柜中發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生的電信號推動，以較大的波束寬度向垂直方向和船首、船尾（雙軸聲相關(guān)計程儀還向左右舷方向發(fā)射）方向發(fā)射超聲波。安裝在船底

33、靠近船首的接收換能器Bf和靠近船尾的接收換能器Ba，分別接收反射回波信號并送到電子柜。2）電子柜）電子柜(electronic unit) 包括電源系統(tǒng)(supply system)、發(fā)射系統(tǒng)(transmitting system)、放大器I、II(amplifiers)和相關(guān)處理器III(correlation processor)等。 電源系統(tǒng)將船電轉(zhuǎn)換為計程儀所需要的電源； 發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生具有較大功率的電信號推動發(fā)射換能器工作； 放大器I、II分別放大來自兩個接收換能器的回波信號； 相關(guān)處理器III對經(jīng)放大后的兩路回波信號進(jìn)行延時、乘法、積分等相關(guān)運(yùn)算處理，解算出航速信息、航程信息和水深

34、信息，送給顯示器。 航速信息還送給ARPA等其他航海儀器，作為其自動航速輸入。3）顯示器）顯示器(display unit) 顯示器將電子柜解算出的航速信息、航程信息和水深信息轉(zhuǎn)換為航速、航程和水深，并以數(shù)字方式顯示。 三、聲相關(guān)計程儀三、聲相關(guān)計程儀 2.測速原理測速原理v用相關(guān)技術(shù)處理聲波發(fā)射與接收信息，通過測量相關(guān)延時來計算船速。v沿船底縱向等間距安裝有前向接收換能器Bf、發(fā)射換能器Bt、后向接收換能器 Ba；Bf和Ba的間距為定值S。vBt以一定的時間間隔垂直向海底發(fā)射超聲波脈沖信號，當(dāng)某一瞬間tt1時，船舶所在的位置如圖9-8（a）所示，即發(fā)射換能器Bt恰好位于海底A點的垂直上方。B

35、t所發(fā)射的超聲波脈沖信號，經(jīng)A點放射后，剛好被前向接收器Bf所接收，其接收信號幅值包絡(luò)假定為如圖9-9（A）所示的形狀，可記為f1（t）。經(jīng)過時間間隔后，即tt2時，船舶已向前行駛一段距離，所在位置如圖（b）所示，即后向接收換能器Ba位于海底A點的垂直上方。此時Bt發(fā)射的超聲波脈沖信號，經(jīng)A點反射后，被后向接收換能器Ba所接收，其接收信號幅值包絡(luò)如圖（B）所示，可記為函數(shù)f2（t）。v顯然，接收信號幅值包絡(luò)取決于海底地貌，超聲波傳播路徑中散射體的散射，介質(zhì)吸收等物理條件。因此，可以認(rèn)為接收信號幅值包絡(luò)是隨機(jī)變量，即f1（t）和f2（t）皆為隨機(jī)變量。當(dāng)船速不為零時，兩個接收換能器收到的回波信號

36、除存在時間延時量外，其信號包絡(luò)幅值和波形幾乎相同。在船底安裝兩個接收換能器在船底安裝兩個接收換能器Rf在前、在前、Ra在后，其間距為在后，其間距為S，發(fā)射，發(fā)射換能器換能器T位于中間。位于中間。T垂直向海底發(fā)射超聲波，在某時刻垂直向海底發(fā)射超聲波，在某時刻t1，Rf收到經(jīng)收到經(jīng)A點反射的回波；經(jīng)點反射的回波；經(jīng)過一段時間過一段時間、到、到t2時刻，時刻，Ra也收到經(jīng)同一點也收到經(jīng)同一點A反射的回波。反射的回波。(非非A點反點反射的回波，射的回波，Ra一概不收，到達(dá)一概不收，到達(dá)Ra的聲波（波形）只有與前面的聲波（波形）只有與前面Rf收到收到的聲波（波形）相關(guān)才能被接收的聲波（波形）相關(guān)才能被接收)在在內(nèi)船前行了內(nèi)船前行了S/2的路程，的路程，航速航速 航速乘時間得到航程，航速乘時間得到航程，