超声波技术在船舶导航设备中的应用
时间：2020-12-14 20:08:20 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要 超声波技术应用范围广泛，利用其在水中和空气中传播特性，分别应用到船用导航设备测深仪、多普勒计程仪、声相关计程仪、船舶气象仪中，为船舶系统提供水深、航速、风向、风速、温度等导航信息，对于船舶航行安全具有重要意义。
【关键词】超声波 导航设备 应用 声相关 多普勒 换能器
1 引言
超声波技术应用范围广泛，发展日趋成熟。船用导航设备主要用于船舶的航行导航，它为船舶系统提供航向、航速、航程、航迹、位置、水平姿态、水深、气象要素等导航信息。超声波技术从上世纪第二次世界大战期间开始应用到船舶导航系统中，最典型的应用是水深测量，通过半个多世纪的发展，目前各种测深仪产品和技术已经非常成熟和普及。随着技术进步，超声波技术在导航设备中的应用领域越来越广泛，逐步应用到测量航速、风速风向、温度等领域，二十世纪六十年代初美国研制了第一台多普勒计程仪，二十世纪七十年代后期美国通用电气公司提出了声相关测速的理论并研制了声相关计程仪样机，二十世纪八十年代意大利研制了超声波风速仪原理样机。国内相关领域的研究相对滞后，目前测深仪研究比较成熟，产品较多；多普勒计程仪、超声波风传感器研究方兴未艾，陆续有新产品推出；声相关计程仪的研究起步较晚，产品进入样机阶段。本文着重论述超声波应用到船舶导航领域的主要技术及产品。
2 超声波技术
2.1 超声波
超声波是指频率大于20kHz的声波，因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。一般把频率大于15kHz的声波认为是超声波。超声波可在不同介质中以不同的速度传播，具有定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点。声波是目前人类掌握的唯一能在大海中远距离传递信息和能量的载体，声波之所以成为水下最佳信息载体，是因其与电磁波等其它物理场相比，在水介质中衰减系数最小，可以远距离传播。
超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；另一类是用机械方式产生超声波，有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。较为常用的是压电式超声波发生器。
基于超声波的研究成果很多，广泛应用到医疗、勘探、测量、导航等领域，下面介绍应用到船舶导航领域的主要技术。
2.2 回声测距原理
声波可以借助于水这个良好的介质传播很远的距离，当声波在水中遇到不同的介质如海底、鱼群、水中气泡等，会产生反射。由于声波在水中传播的平均速度约为1500m/s，因此，只要知道声波脉冲从发射出去到收到回波的时间就可以计算出目标的距离。假定向被测目标发射声波脉冲到接收到从该目标返回的声波脉冲的时间为Δt，平均声速为C，则被测目标的距离H为：
式中C为海水中声速。如果要获得更精确的结果，需要对声速进行修正。
2.3 多普勒效应
1842年奥地利物理学家Christian Johann Doppler发现了多普勒效应（Doppler effect），即当声波被一物体反射回来时，若声波发射源与反射体之间存在相对运动，反射波将产生一个多普勒频移。根据多普勒效应，当船舶以θ角度向海底或某一水层发射超声波、接收反射回波时，船舶航速为V，其在超声波发射及接收方向上的速度分量为Vcosθ，f为发射频率，则回波的多普勒频移Δf（回波频率与入射频率之间的差值）为：
式中，c为海水中的声速（m/s）。将上式变换可以求得V值：
在计程仪安装好之后，
为固定值，只要测得Δf就可以求出航速V。公式（3）为单波束多普勒计程仪测速公式。
2.4 波形不变性
向海底发射声波的回波的幅度主要取决于海底底质的反射系数及水深。当船舶航行时，由于返回的信号是由大量海底散射体的回波干涉而形成，因而幅度有起伏。这种干涉状况随着接收器的位置的变化而变化，但对于不同位置的接收器，如果发射器的位置也不同，那么它们有可能遇到相同的干涉效果。也就是说，如果在一条移动的船上，用单一的一个发射器，那么在两个分开的接收器上接收的信号，除了有一个时延外，没有什么不同，这就是“波形不变性”原理。因此，如果已知接收器间隔和时延，就可以求出船舶的航行速度。
假设船首和船尾接收器之间的距離为S（称为换能器基线），发射器位于中间S/2处。当船舶以航速V航行时，船首接收换能器在t1时刻接收到由发射换能器发射的沿垂直方向传播到海底某点后被反射的回波信号f1（t1），船舶继续航行了S/2距离，船尾接收换能器在t2时刻接收到了来自海底同一位置反射的回波信号f2（t2）。由于f1（t1）和f2（t2）是海底同一位置反射的回波信号，两者的传播路径及所含的水声信息完全相同，因此f1（t1）和f2（t2）是两个相关的信号，两者的接收时间差τ称为相关延时。则船舶的航速为：
上式称为声相关计程仪的测速原理公式，式中S为已知常数，只需求得τ就可以计算出航速V的值。
2.5 脉冲声时法
声波在空气中的传播速度会受空气流动（即风）的影响，同向时声波传播速度加快，反向时声波传播速度减慢。为此提出了利用测量声波在已知距离的两点之间传播时间的变化来逆向推导两点间风速的方法--脉冲声时法，又称时差法。其原理如下：在不考虑其它因素影响的理想状态下，由发射探头发射的一组超声波脉冲到达接收探头的传播时间t1为：
其中，L为传播距离，v0为静风下的声速，v为风速，当风向和超声波传播方向一致时为正，反之为负。采用双向测量，反向上超声波的传输时间t2为：
消去v0，得到风速v的测量公式为：
该结果是探头所在方向上的相对风速。要测量二维平面上的风速，可以同时测量互相垂直的两个方向上风速后计算而得。要测量三维空间的风速大小还需增加测量竖直方向上的风速。
