EF-500回声测深系统的设计及应用

　　EF-500回声测深系统是根据三峡水文勘探局在三峡蓄水后的长江上游水文勘探要求设计的。长江上游河床地形复杂,水中流沙和悬浮物情况严重,用户要求测深仪测量水深数据的同时,还要获得河床水文信息,以供测量人员了解泥沙,悬浮物等水文情况,及修正干扰数据等。

　　1　测深系统的工作原理

　　水深测量是利用水声学原理设计而成的。测量时,在测量船的一侧安装一个收发合一的水声换能器,向水底垂直发射以某一频率调制的超声波脉冲,并接收反射回来的回波信号。测深系统通过测定声波往返传播时间,根据声波在水中的传播速度公式及发射角度求得水深值;根据回波分布情况形成水文信息。声波在水中的传播速度直接影响测深精度。此速度与水温,含盐度及深度等因素有关,它们之间的关系复杂,其中一个常用于工程测量的公式为:

　　式中:c———声速(m/s),T———水温(℃),S———含盐度(‰),Z———深度(m)。

　　由于本系统主要用于长江水域水文测量,测量深度不大,且含盐度极小,因此在计算声速时可忽略水深变化及含盐度对声速的影响,声速计算公式可简化为:

　　在测量过程中,首先根据上述声速公式给测深系统设置一个声速参数,然后按下面的公式求出水深值。

　　式中:D———水深(m),c———声速(m/s),θ———声波发射角(°),δt———传播时间(s)。

　　2　系统组成

　　系统的组成结构如图1所示:

　　其中GPS全球定位系统主要用于测量点的自动定位。系统测量时,GPS每隔一定的航程给测深仪一个定位信号。为了提高测量的准确性,系统采用差分GPS定位系统(DGPS)和RTK技术,并配合内业处理软件(HYPACK)实现同步定位方式,即在GPS发送定位信号给测深仪的瞬间,测深仪发送测深声波(GPS定位信号为测深仪测深同步触发信号),保证测量点与所定位的测量点为同一点。

　　水声换能器采用纵向振动压电陶瓷式收发两用换能器,它将电能调制成一定频率的超声波在水中发射,并接收反射回来的回波信号,再将回波信号重新转换成脉冲并传送给测深仪,供其计算处理。系统所采用的换能器的工作电压为500V,载波频率100kHz±5%,发射功率可调(根据测深量程来调节发射功率,其最大发射功率为300W)。

　　EF-500回声测深仪是系统的数据信号处理单元,它采用单片机来实现控制和数据处理。其工作原理为:单片机以固定时间间隔给换能器发送启动发射信号,并同时触发内部定时器,换能器接收到启动信号后立即向水中发射声波,并接收反射回来的600个回波脉冲信号(S1),同步送给信号处理模块,信号处理模块将信号放大、整形成标准的TTL电平信号后分两路输入给单片机进行处理。一路信号为收到的第一个回波信号(S2),它通过单片机的外部中断接口输入到单片机中,单片机收到该信号后即刻中断计时器,记录计时器的计时值,并调用深度计算中断处理程序计算出深度数据;另一路信号为所接收到的全部回波信号(S3),它通过P0口输入到单片机中,形成水文信息数据。单片机处理数据完毕后,通过RS-232端口将所测到的水深水文数据传送给计算机,供无纸化数据记录软件处理。其工作原理图如图2所示。