1.深度测量基本原理

单波束测深的基本原理：通过垂直向下发射单一波束的声波，并接收自水底返回的声波，利用收发时间差根据已知的声速，确定深度。所谓单一波束的声波，是指声波的能量聚集在一定的波束宽度范围内，声波波阵面上任一点接触目标物发射后被接收单元接收，不顾及在波束范围内回波点的位置差异，声波传播满足射线声学的特性。该原理简单地描述为回声测深原理，所依据的过程为时深转换。

若声波传播速度C为已知的常量，声波的收发装置合一，单次声波发射和接收的时刻分别为t1和t2，声波在水介质中的传播（旅行）时间为Δt＝t2-t1，则观测点到水底的回声距离为：

实际上，声在水介质中的传播环境是可变的，声的传播速度亦为变量，因此水声距离将严密地表示为：

在不考虑声波收发装置与瞬时海面的垂直差异时，可粗略地将测定的回声距离称为瞬时水深，因此这一过程称回声测深。回声测深的基本原理图如图5-2所示。

图5-2　回声测深基本原理图

2.单波束测深仪基本组成

实现单波束测深的仪器称为单波束测深仪或回声测深仪，是声波收发和水声信号检测记录设备。单波束测深仪的基本组成由发射机、接收机、发射换能器、接收换能器、显示记录设备和电源等部分组成，这些功能模块及工作机制如图5-3所示。现将各部分分述如下：

图5-3　单波束测深仪各功能模块及工作机制

控制器：通过发布指令信号，控制整个仪器协调工作的控制单元，由相关电路和软硬件组成。早期的测深仪主要通过模拟电路实现有关功能。现代产品则主要以数字电路和软件代替。

发射机：产生电脉冲的装置。在控制器的控制下周期性地产生一定频率、一定宽度、一定功率的电震荡脉冲，激发发射换能器向水中发射声波。发射机一般由震荡电路、脉冲产生电路和功率放大电路所组成。

发射换能器：将电能转换为机械能，进一步通过机械震荡转换为声能的电声转换装置。正是换能器的机械震荡推动水介质的周期性波动，在水中传播声波。

接收换能器：将声能转化为电能的声电转换装置。水底返回的声波使得接收换能器的接收面产生机械振动，并将该机械振动转化为电信号送达接收机。(www.daowen.com)

接收机：处理返回的电信号的装置。将换能器接收的微弱回波信号进行检测放大，经处理后送达记录及显示设备。一般采用现代相关检测技术和归一化技术，采用回波信号自动鉴别电路、回波水深抗干扰电路、自动增益电路和时控放大电路等实现回波信号的接收功能，使处理后的回波信号不论从强度上还是从波形的完好性上都能满足记录显示的要求。

显示设备：测量时实时显示及记录水深数据的装置。以往的记录设备多为模拟式的，即在记录纸上用记录针以一定的比例（决定于走纸速度）绘出断面上的水深曲线，同时它也作为一般实时显示设备。当今的新型测深仪上带有数字显示屏，同时也可以进行数字记录（如记录在磁盘、磁带上），大多具有标准RS-232等接口，易于与定位仪器等一起组成自动水深测量系统。

T/R开关：控制发射与接收的转换。

电源部分：用于提供全套仪器所需要的电能。

应当指出，换能器为防止发射时产生的大功率电脉冲信号损坏接收机，通常在发射机、接收机和换能器之间设置一个自动转换电路。当发射时，将换能器与发射机接通，切断与接收机的联系，而接收时，则将换能器与接收机接通。另外，为了减小发射和接收声波传播路径不同引起的测深误差，现代测深仪的收、发换能器多采用一体化结构。

3.回声测深的主要性能参数

发射声波的宽度（波束角）通常为5°～15°的适当波束宽度，一方面是由换能器尺寸所决定的，另一方面，较大的波束角对海底探测具有较大的脚印（照射覆盖区），可以保证在测量载体纵横摇的观测条件下有效接收回波。且考虑测量载体的结构和运行特点，横摇往往大于纵摇，换能器的结构通常为矩形，安装时，长轴方向与载体运行方向一致。因为较大的波束对应较小的换能器尺寸，单波束换能器具有小型化和便携等特点。

单波束测深仪利用声波的往返时间和声速测定水深，对应的声呐方程为：

式中，DT为仪器对接收声波的声强级检测指标，即检测阈值；SL为发射器的声源级，发射能量大小，通常可调；TL为信号传播损失，指声波在水介质中单程传播的能量损失。TS为目标发射强度，与目标物的材质有关，主要涉及目标介质的声阻抗；NL为噪声级，由仪器的自噪声级NL1和环境噪声级NL2组合而成，即NL＝NL1+NL2，NL1与换能器元件、电子电路有关，通常为定值，但随设备使用时间增长而增大，NL2主要来源是介质中所存在的声阻抗面的反射等；DI为接收指向性指数，在声轴上接收器灵敏度最大。

该声呐方程表明，测深仪必须能够在各种传播损失和噪声环境下检测到所发射声波的回声信号，方能确定声波收发的时间差，确定到目标点的距离，获得深度值。

海底目标探测的分辨力：声波在传播的过程中，碰到遮蔽物时，如果声波波长远大于遮蔽物尺寸，会发生透射现象，当波长接近遮蔽物尺寸时，会发生衍射和绕射。只有当声波波长小于遮蔽物尺寸时才发生反射。因此，声波波长是对海底目标分辨程度的决定性因素。但考虑到声波在传播过程中的衰减，简单地将声波波长作为仪器探测的分辨力是不合理的，通常会使用一个经简化的计算参量——第一菲涅尔带半径作为仪器可识别尺寸，即分辨力指标，描述为：

式中，λ为声波长波，z为水深。

测深仪声脉冲的脉冲宽度一般为10-4～10-3S，采用的声波频率与测量深度有关，用于深水的测深仪采用较低频率的声波，频率范围基本为10k～25kHz，而浅水用测深仪采用高频声波，频率范围基本为200k～700kHz。为了保证由浅水到深水的正常过渡，适合不同水深情况，可采用Chirp信号。声波的收发频率（Ping率）基本根据测程确定。