测深仪回波信号接收异常的故障分析及解决方案

刘荣 韦塔 王启兴

摘    要：针对出口南亚某国的某型巡逻艇的回声测深仪在海上试航时，出现回波不稳定、高速航行时甚至出现回波信号完全丢失的异常情况，结合干扰回波信号接收的因素进行梳理。通过对案例进行故障分析，采用了移位安装、工艺改进等措施消除干扰，有效解决了测深仪回波信号接收异常的故障现象，进一步提升了测深仪工作的可靠性和稳定性。同时，也对换能器的安装工艺提出了建议，为今后船厂建造施工以及售后工程师的技术服务提供借鉴。

关键词：测深仪;回波信号;接收异常;故障分析

中图分类号：U666.7                                文献标识码：A

Abstract： The echo sounder of a certain type of military trade patrol ship exported to a country in South Asia has the abnormal situation of unstable echo during sea trial and complete loss of echo signal when sailing at high speed. Combined with the factors that interfere with echo signal reception， through fault analysis of the case， measures such as displacement installation and process improvement are adopted to eliminate the interference and the abnormal receiving of echo signal of the sounder， further enhance the reliability and stability of the sounder. At the same time， the opinions and suggestions on the installation process of the converter are put forward， which can be used for reference for the construction of shipyard and the technical service of after-sale engineers in the future.

Key words： Echo sounder; Echo signal; Abnormal reception; Fault analysis

1     回聲测深仪的系统构成及工作原理

出口南亚某国的某型巡逻艇采用DS2008型垂直型超声波回波测深仪。整机由主机、换能器、钢质导流罩、电源装置组成，其系统结构见图1所示。

图1  测深仪整机的系统结构图

（1）主机

主机是整机测深仪的中枢，其集成了显示、控制、逻辑处理、发射/接收电振荡脉冲信号等功能。

（2）换能器

换能器兼具超声波发射和接收的功能，其向水下发射超声波脉冲，声波经由海水介质向海底传播，触碰到海底后被反射回来，反射回来的声波称之为回波;回波被换能器接收并转换成电振荡信号传递给测深仪主机，由测深仪主机测量超声波从发射到回波被反射接收所历经的时间来计算换能器距离海底的垂直距离，从而达到测深的目的。

（3）导流罩

导流罩主要是用于换能器的安装及保护。

测深仪换能器通过间歇式地向水下发射工作频率为200 kHz的超声波脉冲，超声波经海底目标反射后大部分能量被测深仪换能器所接收，只要测量出超声波从发射到被换能器接收所历经的时间间隔t，即可根据下式准确地计算出水深H：

式中：c—超声波在海水中的传播速度，通常情况下取c=1500 m/s;

t—超声波信号从发射到被换能器接收所历经的时间，s;

D—船舶的吃水深度值，m。

2    干扰回波信号接收的因素

测深仪换能器接收的海底回波信号，其干扰因素主要有：（1）船舶在水中的摇摆状态;（2）海水中夹杂的气泡;（3）船舶的航行速度;（4）换能器工作面的清洁度;（5）海底的底质;（6）声波在海水中的传播损耗。

2.1   船舶在水中的摇摆状态

当船舶在水中发生摇摆时，测深仪换能器的工作面会相应地发生倾斜，换能器所发射的超声波主波束的方向也会随着发生改变。当换能器的工作面水平倾角大于极限角时，换能器的工作效率将会急速下降，从而直接影响到回波接收功能，极容易出现回波信号遗漏的现象，更严重的还可能会出现回波信号完全丢失的异常现象，致使测深仪无法正常工作。

2.2   海水中夹杂的气泡

海水中夹杂的气泡对声能具有很强的削弱作用。若海水中夹杂有大量的气泡则会引起声的混响，混响对于水下声学仪器是一种比较严重的干扰。如果混响发生在测深仪换能器的附近，尤其是混响的信号足够大时，当换能器停止发射超声波后混响将会淹没水下目标的反射回波，致使回波不稳定甚至出现回波丢失的故障现象，严重干扰测深仪的正常工作。

2.3   船舶的航行速度

当船舶在高速行驶过程中，船体会发生剧烈的振动，水流猛烈地冲击着船体外壳，致使干扰噪声的强度增加;与此同时，海水的空化现象也明显加剧，极大地削弱了海底反射的回波信号，最严重的情况就是回波信号直接被强大的干扰信号淹没，从而导致测深仪工作困难，甚至无法正常工作。

2.4   换能器工作面的清洁度

换能器工作面的附着物（如油漆、海生物等）对声能的吸收作用强大，将使回波信号显著减弱，降低换能器的转换效率，最严重的情况就是直接导致换能器无法接收到回波信号，致使测深仪无法正常地工作。

2.5   海底的底质

不同的海底底质反射声波的能力也各不相同，岩石的回波反射能力最强，砂底次之，而淤泥的回波反射能力最差;另外，若海底底质的表面粗糙度过大，极易造成超声波与海底目标接触面的耦合效果变差，其反射回波的能力显著减弱，甚至造成换能器无法接收到超聲波的回波信号。

2.6   声波在海水中的传播损耗

声波经过海水介质的传播，会发生反射、折射、散射和吸收等现象，导致声波能量的减弱，造成了声波的传播损耗。传播损耗包含因声波的反射、折射、散射和吸收等作用引起的衰减损耗，也包含因声能的直接扩散所引起的扩散损耗。

3     案例故障分析及解决方案

3.1   故障分析

出口南亚某国的某型巡逻艇在试航过程中发现：该船静止或中低速航行时测深仪处于正常工作的状态;当航速达到约20 kn时，测深仪就出现回波不稳定的状态，表现为回波不连续且回波信号强度减弱，从而引起主机测深数据不稳定;当船速到达24 kn以上时，测深仪已无法搜索到回波，主机无法显示测深数据，严重影响船舶的安全航行。

针对该巡逻艇高速航行时测深仪出现回波信号接收异常的现象，外方用户和设备供货厂商所持意见各有不同：外方认为DS2008回波测深仪是中国国产品牌的设备，发生故障现象是由于国产换能器的性能不稳定导致的，要求更换成进口品牌的测深仪;设备厂商回复意见为：DS2008回波测深仪为成熟的国产设备，具有优良的工作性能，功能稳定可靠，广泛应用于国内的公务船、军船，在出口的军贸项目中也有诸多成功的案例，发生故障现象并非是测深仪的性能问题。根据以往的工作经验，设备厂商认为发生此类故障现象的主要原因是：船舶在高速行驶过程中，船体外壳底部聚集的大量气泡和湍流干扰到测深仪换能器的正常工作，从而导致回波信号接收异常的故障发生。因此可通过对换能器安装位置的移位及安装工艺的改进等措施进行消除。

结合干扰回波信号接收的因素及以往的经验，下面就针对换能器的性能、安装位置、安装工艺三个方面进行分析：

（1）换能器的性能

经查阅相关资料，DS2008型回波测深仪是根据《船舶与海上设施法定检验规则》2006 修改通版及《关于回声测深仪器性能标准建议案》经海安会MSC.74（69）决议附件4 修正的A.224（VII）决议，满足国际航海和国内航行的测深要求，适用于船速从0 ～30 kn 的船舶。由于本船的最高航速即使达到24 kn，仍属于测深仪技术要求的航速范围，其性能满足技术要求;同时，DS2008型回波测深仪持有中国船级社CCS 船检证书，是成熟的国产产品，在国内的多型军船、公务船以及国外的军贸项目中均有配置，性能稳定，客户体验反馈良好。由此可见，换能器的性能并非是导致回波信号接收异常的直接原因。

（2）安装位置

DS2008测深仪是使用超声波脉冲进行水深测量，换能器的安装位置非常重要，将直接影响超声波信号的发送和接收，从而影响到测量效果。根据肋骨型线图判断换能器的安装位置是否选取得当，这是排查换能器故障最常规也是最重要的第一步。

本船为船长50 m的倾斜船首单体船，为避免螺旋桨、主机、首侧推等的杂声干扰，远离各类海底阀、排水口等其它阻碍水流平顺的凸出物，一般情况下会将换能器安装在距离船首约1/3～1/2船长的位置，针对本船而言就是#52～#70的肋位范围，并选择船体平坦处且尽量靠近龙骨的位置安装。图2为该船#52～#70的肋骨型线图，从图中可以看出：船体横截面为V型结构，#52肋骨型线相对平缓、#70肋骨型线已略显陡峭，说明越往船首船外板的倾斜度越大;靠近船中龙骨的肋骨型线相对平缓;越往舷侧肋骨型线越陡，船外板的倾斜度也越大。

图2   #52～#70的肋骨型线图

为便于换能器的安装和维护，该船在舱底#63～#65设置了测深仪舱，换能器装在测深仪舱#64肋位，见图3所示：

图3  换能器的基座安装图

该船的换能器采用贯穿船外板安装的方式，基座开孔处的船外板倾斜度为21°，超出了换能器安装倾斜度不得超过20°的规定，需要移位修改;同时，换能器基座中心距离船中龙骨600 mm，且未贴近平板龙骨安装，换能器基座和导流罩局部突出船外板部分110 mm，换能器的工作面跟平板龙骨的面板不在同一个水平面，存在有一定的高度差。

由于在船舶前进时，该船倾斜的船首很容易产生大量的气泡，气泡直接灌入船底并顺着水流向船尾扩散和蔓延形成一定厚度的气泡层，而换能器和导流罩局部突出船外板部分的尺寸较短，结果突出部分完全被气泡层所包围。当大量的气泡聚集在换能器周围时就会引起声的混响，如果混响的信号足够强将会淹没目标的反射回波，导致回波不稳定甚至回波丢失的故障现象，从而严重干扰到测深仪的工作。

（3）安装工艺

根据#52～#70的肋骨型线图，#54肋位的船外板倾斜度仍达到17°，船体曲度较大。实船测深仪换能器采用贯穿倾斜船外板垂直安装的方式，钢质导流罩直接与安装基座的圆筒焊接，导致基座圆筒及换能器导流罩局部露出船外板形成凸出物，凸出物与倾斜的船底板之间存在着一定的高度差，且未采取任何有效的导流方案来消除高度差造成的影响。当船舶静止或航速较慢时，船底的水流顺滑、平稳地分层流动，互不混合;但当航速增加时，船底的凸出物就会明显阻碍水流，导致船底的水流呈混沌运动状态，并形成大量的小漩涡，从而产生了湍流。一旦湍流产生在测深仪换能器的周围时，将会严重削弱反射回波的能量，导致回波不稳定甚至回波丢失的故障现象，换能器回波信号接收异常，从而严重干扰测深仪的工作。

综上所述，造成该船回波信号接收异常的根源主要有两个：一个是换能器安装位置选取不当，导致船底大量气泡的干扰，另一个是安装工艺不够完善，导致湍流的干扰。

3.2   解决方案

借鉴其它船舶类似故障的改进方案，结合该船的故障原因分析，决定通过调整换能器的安装位置及改进安装工艺两项举措，来降低气泡和湍流对回波信号接收的干扰：

（1）由于该船较小空间紧张，根据舱底的布置情况，决定将换能器纵向往尾移到船外板倾斜度较小的#54～240 mm肋位、橫向移到距船中212 mm的位置，换能器尽量贴近船中平板龙骨安装且工作面与龙骨面板平齐，以减少气泡对回波信号接收的干扰;

（2）针对该船换能器安装在船体曲度较大处的情况，决定采用在安装基座周围加装大面积导流附板的工艺，整体结构呈流线型，使得换能器工作面与船外板能平滑流线过度，以保证船舶航行时换能器周围水流均匀，避免湍流的产生。

a）改进前的换能器基座图片

b）改进后的换能器基座图片

完成对换能器安装基座的移位和安装工艺的改进后，重新测试了测深仪的工作性能：当航速达到最高航速24 kn左右时，可以观察到测深仪主机显示的回波连续清晰，回波信号仍然保持一定的强度，水深数据显示稳定，测深仪工作性能稳定可靠。由此可见，采取移位安装、加装导流附板的改进方案，可以有效消除气泡和湍流对测深仪回波信号接收的干扰，改进措施切实可行。同时，也有力地证明了中国国产品牌的设备，性能是稳定可靠的。

4    意见和建议

通过上述改进方案，成功地解决了回波信号异常的故障。关于测深仪换能器的安装位置及施工工艺，笔者提出如下建议：

（1）紧密结合船体的肋骨型线图。这是合理选择测深仪换能器安装位置的基础，也是排查换能器故障或信号异常最常规有效的方法之一;

（2）选取气泡及噪声干扰最小的地方安装换能器。换能器的安装位置应尽量避开螺旋桨、主机、侧推装置等噪声和气泡干扰较大的区域;同时，应尽量避开各类海底阀、排水口等其它阻碍船底水流平顺的凸出物;

（3）换能器应安装在船底相对平坦的地方，尽量靠近龙骨安装，换能器的工作面应与船中龙骨齐平且确保工作面的水平。这有利于减小气泡层的干扰，也有助于减小因海况恶劣或船舶高速航行引起的船身摇摆对换能器工作面倾斜角的影响;

（4）换能器的安装基座应采取有效的导流措施。如换能器的周围有台阶或突出物，则要采取加装导流附板等导流措施，保证台阶或突出物与船体外板的平滑过渡，避免因突出物体产生湍流而抑制回声测深的工作;

（5）换能器在安装、打磨和水密试验等作业过程中，对换能器表面要采取有效的保护措施，防止不小心划伤、割伤换能器工作面，更不可跌落、重压等，这些错误操作极易造成换能器的损坏;

（6）换能器的工作面应保持良好的清洁度，不得在工作面上涂敷油漆或者沾染上其它的油污。在船舶下水或出坞前，必须对换能器的工作面进行严格检查，一旦发现换能器的工作面上附有油漆或其它油污，应马上彻底清除干净。

参考文献

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