CN104266738A - 一维声速剖面仪及三维空间声速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一维声速剖面仪及三维空间声速测量方法，所述一维声速剖面仪包括声学换能器、若干个声学反射板、以及用于支撑所述反射板的支架，且反射板的反射面与所述声学换能器的中轴线垂直，各反射板在所述声学换能器表面上的投影不受反射板支架和其他反射板的遮挡。本发明的声速剖面仪采用声学原理直接测量方法进行一维尺度上的空间各点声速测量，适用于各种流体的声速测量，能够实现一个信号周期同时测量一维直线上各点的声速值，扩展了单点式声速剖面仪的空间声速场测量维度。

Description

一维声速剖面仪及三维空间声速测量方法

技术领域

本发明涉及一种声速剖面仪，具体地说，是涉及一种能够快速精确测量目标空间各点声速的声速剖面仪及声速测量方法。

背景技术

各种水下测距、测流速、测流量、成像和导航等领域一般采用声学原理进行测量，因此，必须准确获知空间各点声速是进行各种测量的前提，在海洋测量中更加复杂，由于海水的温度、盐度、深度直接影响声速，现有采用温盐深仪（CTD）间接应用于声速测量，把仪器所在点的温度、盐度、深度参数通过经验公式换算求得仪器所在点声速。由于经验公式不适用于高温（100℃以上）高压液体以及海水以外组分流体的声速计算，其计算精度不理想。

现有采用声学原理直接测量方法进行声速测量的声学剖面仪，通过在已知距离内声学换能器向反射装置发射声音信号，并接受反射信号，测量信号从声学换能器发出到反射装置反射回声学换能器的时间，可以用距离-速度公式直接计算得到声速值，但是目前的声速剖面仪为单点式，若想测量目标空间一维声速梯度场，需要每测量一个点，将反射装置移动至下一位置，重复执行一次测量过程，直至测量完所有目标采样点。这种测量方式测量效率低，而且在反射装置移动过程中，无法保证每次移动距离的精确度，因此相应的测量精度较低。而进行三维空间声速测量时，效率更低。

发明内容

本发明为了解决现有声速剖面仪无法直接对测量目标一维空间各点声速同时进行测量的问题，提出了一种一维声速剖面仪，可以同时测量一维空间各点声速值。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种一维声速剖面仪，包括声学换能器、若干个反射板、以及用于支撑所述反射板的支架，且反射板的反射面与所述声学换能器的中轴线垂直，各反射板在所述声学换能器表面上的投影不受所述支架和其他反射板的遮挡。

进一步的，为了方便测量，所述反射板的支架空间结构保证各反射板在所述换能器表面上的投影不受反射板支架和其他反射板的遮挡，所述支架为圆锥螺旋线结构，所述反射板固定于所述螺旋线上。

进一步的，为了防止位于后方的反射板的反射信号旁瓣被位于前方的反射板的背面反射回，造成回波干扰，所述的反射板的背面设有一层吸声层。

又进一步的，为了能够得到三维的声速场，还包括驱动装置，所述的声学换能器与所述驱动装置的动力输出轴连接，所述驱动装置驱动所述声学换能器在与声学换能器的表面平行的平面上运动。

优选的，所述的支架为形状和性能受环境变化影响小的材质，如316钢，海军青铜等。

基于上述的一种一维声速剖面仪，本发明同时提供了一种三维空间声速测量方法，包括前面任一项所述的一维声速剖面仪，所述的三维空间声速测量方法包括以下步骤，

（1）、声学换能器沿所述声学换能器面轴向发射脉冲时长为△t的声音信号，并记录时刻T₀；

（2）、记录各反射板所反射的信号到达声学换能器的时刻，分别为T₁，T₂，T₃…；

（3）、计算距离声学换能器最近的反射板至声学换能器区间段的声速：

;

以及计算其他反射板距离其前一反射板区间段的声速：

；

上述得到一维声速值，其中，d₀为距离声学换能器最近的反射板至声学换能器的距离，d_i为第i个声学换能器距离其前一个声学换能器的距离。

进一步的，在所述步骤（3）之后，还包括：

（4）、驱动装置驱动所述声学换能器在与所述声学换能器的表面的平行的平面上进行二维运动，得到三维声速场。

又进一步的，所述步骤（1）中，声学换能器沿所述圆锥螺旋线轴向连续发射载波频率分别为f1，f2，f3…的声音信号，各频段信号脉冲时长为△t，并分别记录时间t₀，t’₀，t’’₀…；

（2）、记录各反射板所反射的各频段信号到达声学换能器的时间，分别为

T₁，T₂，T₃…；

T’₁，T’₂，T’₃…；

T’’₁，T’’₂，T’’₃…；

（3）、分别计算在t₀，t’₀，t’’₀…时刻各区间段的声速，得到空间一维和时间一维组成的二维声速值。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的声速剖面仪采用声学原理直接测量方法进行声速测量，适用于高温（100℃以上）高压液体以及海水以外组分流体的声速计算，所设计的反射板支架，能够同时支撑多个反射板而且各反射板之间在声学换能器的投影方向上互不遮挡，也即能够实现一个信号周期同时测量一维空间各点声速值，克服了单点式声速剖面仪只能逐点测量，测量效率低、不能进行一维空间各点声速测量的问题。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所提出的一维声速剖面仪一种实施例结构示意图；

图2是图1中个反射板的投影图；

图3是图1中声速剖面仪的发射信号与接收信号的时-频图；

图4是本发明所提出的一维声速测量方法的一种实施例发射信号的时-频图；

图5是图1中声速剖面仪串接时空间结构示意图；

图6是实施例二中声学换能器进行二维扫描的一种扫描方式；

图7中实施例二中声学换能器进行二维扫描的另外一种扫描方式。

 

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对目前的声速剖面仪为单点式，需要逐点测量声速值，测量效率低，而且空间定位精度不高的问题，本发明提出了一种一维声速剖面仪，在一个支架上设置多个反射板，所述支架与各反射板互不遮挡，可以实现每发一次声音信号同时测量声速梯度场中的多个区间段的声速值。下面将结合具体实施方式详细说明本发明的技术方案。

实施例一，本实施例提供了一种一维声速剖面仪，如图1所示，包括声学换能器101、若干个反射板102、以及用于支撑所述反射板的支架103，此实例所示支架103为圆锥螺旋线结构，所述反射板102固定于所述螺旋线上，且反射板102的反射面与所述声学换能器的中轴线L垂直，如图2所示，为各反射板在声学换能器表面上的投影，由图2可知，各反射板102在所述声学换能器面上的投影互不遮挡，且各反射板102在所述声学换能器面上的投影同时不受支架103的影响。本一维声速剖面仪工作时，声学换能器101沿所述声学换能器表面的轴向向反射板102发射声波信号，由于各反射板102之间互不遮挡，因此声波信号能够抵达任何一个反射板102，且被反射面反射回来，由于各反射板在所述声学换能器面轴向投影间距为已知，在一个测量周期内，只需记录各反射板所反射的信号到达声学换能器的时间，即可利用距离与速度的公式差分计算出在所述声学换能器面轴向上各区间段之间的声速值。其中，各区间段包括相邻两反射板102之间的区间段以及声学换能器与离其最近的反射板102之间的区间段。本实施例的一维声速剖面仪，采用声学原理直接测量方法进行声速测量，适用于高温（100℃以上）高压液体以及海水以外组分液体的声速计算，所设计实例的圆锥螺旋线结构的支架103，能够同时支撑多个反射板102而且各反射板之间在声波信号传输方向上互不遮挡，也即能够实现一个信号周期同时测量一维空间各点声速值，克服了单点式声速剖面仪只能逐点测量测量效率低的问题。

作为一个优选的实施例，为了方便测量，在更加均匀的空间采集数据，各相邻两反射板102在所述声学换能器面轴向间距可以相等。由于相邻反射板102间距决定一维空间各点声速测量空间分辨率，间距越小，一维空间各点声速的空间分辨率越高，可以根据实际需要设定相邻反射板102间距，相应的将反射板102固定在支架103上。

为了防止位于后方的反射板的反射信号被位于前方的反射板的背面反射回，而位于后方的反射板接收该反射信号再次将该信号反射至声学换能器，造成多次回波干扰，所述的反射板的背面设有一层吸声层。

本实施例的一维声速剖面仪，若固定一维声速剖面仪不动，能够得到声学换能器面轴向一维空间各点声速剖面测量值，如图3所示，声学换能器101在T0时刻发出的单一频率f1的信号P1，脉冲时长Δt，分别在T₁，T₂，T₃…时间依次收到各反射板102的反射信号，相应的距离声速剖面仪越远，反射信号反射回来的时间越长，直至接收完距离声速剖面仪最远的一个反射板的反射信号，完成一次测量周期，由于反射板间距离已知，根据反射时间差分即可得到各反射板间区间段的声速值，由图3可知，该声速值是在空间一维的，若以大于一次测量一个测量周期的时间间隔再次发射声音信号，可以将测量数据扩展到时间维度，空间仍然是一维。为了能够得到空间三维的声速场，还包括驱动装置，所述的声学换能器与所述驱动装置的动力输出轴连接，所述驱动装置驱动所述声学换能器在与所述声学换能器的表面平行的平面上二维运动。因此，实现了声学换能器101在声学换能器面的平行面上进行二维点阵式扫描，从而得到三维声速场。本装置结构简单易于实现，而且可以快速、高精度的获得声速的三维声速场，这是目前现有的声速测量装置无法实现的。

为了提高本声速剖面仪的环境适应能力，尤其适合高温、高压、高盐度的极端海洋环境，所述的支架应采用耐高温、高压、热形变小、以及耐腐蚀的材质，比如，可以采用316不锈钢、海军青铜等材质。

此外，作为本实施例的声速剖面仪的一种应用扩展，如图5所示，还可以多个声速剖面仪串联后，扩展一维声速剖面仪的测量范围。

实施例二，基于实施例一中的一种一维声速剖面仪，本实施例提供了一种一维声速测量方法，包括实施例一中所记载的一维声速剖面仪，如图1-图3所示，在此不做赘述，本实施例的声速测量方法包括以下步骤，

S1、声学换能器沿所述圆锥螺旋线轴向发射脉冲时长为△t的声音信号，并记录时刻T₀；

S2、记录各反射板所反射的信号到达声学换能器的时刻，分别为T₁，T₂，T₃…；

S3、计算距离声学换能器最近的反射板至声学换能器区间段的声速：

;

以及计算其他反射板距离其前一反射板区间段的声速：

；

上述得到一维声速值，其中，d₀为距离声学换能器最近的反射板至声学换能器的距离，d_i为第i个声学换能器距离其前一个声学换能器的距离。

本实施例的声速测量方法，基于独特的圆锥螺旋线结构支架，由于设置于该支架上的各反射板在声波传输方向互不遮挡，因此声波信号能够抵达任何一个反射板102，且被反射面反射回来，由于各反射板在所述声学换能器面轴向间距为已知，在一个测量周期内，只需记录各反射板所反射的信号到达声学换能器的时间，即可利用距离与速度的公式计算出在所述圆锥螺旋线轴向上各区间段之间的声速值，这是目前单点式声速测量装置远不能及的，快速、高效。

本实施例的声速剖面仪，若固定一维声学剖面仪不动，能够得到声学换能器面轴向一维空间各点声速剖面测量值，如图3所示，声学换能器101在T0时刻发出的单一频率f1的信号P1，脉冲时长Δt，分别在T₁，T₂，T₃…时刻依次收到各反射板102的反射信号，相应的距离声速剖面仪越远，反射信号反射回来的时间越长，直至接收完距离声速剖面仪最远的一个反射板的反射信号，完成一次测量周期，在所述步骤S3之后，还包括：

S4、驱动装置驱动所述声学换能器在与所述声学换能器的表面平行的平面上进行二维运动，并做二维扫描，得到三维声速场。

除此之外，还可以如图7所示的在圆柱坐标系扫描：驱动装置驱动本一维声速剖面仪上下运动和水平旋转扫描，从而得到圆柱坐标系下的三维空间声速值。

所述步骤（1）中，声学换能器沿所述圆锥螺旋线轴向连续发射载波频率分别为f1，f2，f3…的声音信号，各频段信号脉冲时长为△t，并分别记录时间t₀，t’₀，t’’₀…；

（2）、记录各反射板所反射的各频段信号到达声学换能器的时间，分别为

T₁，T₂，T₃…；

T’₁，T’₂，T’₃…；

T’’₁，T’’₂，T’’₃…；

（3）、分别计算在t₀，t’₀，t’’₀…时刻各区间段的声速，得到空间一维和时间一维组成的二维声速值。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种一维声速剖面仪，其特征在于，包括声学换能器、若干个反射板、以及用于支撑所述反射板的支架，且反射板的反射面与所述声学换能器的中轴线垂直，各反射板在所述声学换能器表面上的投影不受所述支架和其他反射板的遮挡。

2.根据权利要求1所述的一维声速剖面仪，其特征在于，所述支架为圆锥螺旋线结构，所述反射板固定于所述螺旋线上。

3.根据权利要求1所述的一维声速剖面仪，其特征在于，所述的反射板的背面设有一层吸声层。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一维声速剖面仪，其特征在于，还包括驱动装置，所述的声学换能器与所述驱动装置的动力输出轴连接，所述驱动装置驱动所述声学换能器在与声学换能器的表面平行的平面上运动。

5.根据权利要求4所述的一维声速剖面仪，其特征在于，所述的支架为316钢或者海军青铜材质。

6.一种三维空间声速测量方法，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的一维声速剖面仪，所述的三维空间声速测量方法包括以下步骤，

（1）、声学换能器沿所述声学换能器面轴向发射脉冲时长为△t的声音信号，并记录发射时刻T₀；

（2）、记录各反射板所反射的信号到达声学换能器的时刻，分别为T₁，T₂，T₃…；

（3）、计算距离声学换能器最近的反射板至声学换能器区间段的声速：

;

以及计算其他反射板距离其前一反射板区间段的声速：

；

上述得到一维声速值，其中，d₀为距离声学换能器最近的反射板至声学换能器的距离，d_i为第i个声学换能器距离其前一个声学换能器的距离。

7.根据权利要求6所述的三维声速测量方法，其特征在于，在所述步骤（3）之后，还包括：

（4）、驱动装置驱动所述声学换能器在与所述声学换能器的表面平行的平面上运动，进行二维空间扫描，得到三维空间声速场。

8.根据权利要求6或7所述的三维空间声速测量方法，其特征在于，所述步骤（1）中，声学换能器沿所述圆锥螺旋线轴向连续发射载波频率分别为f1，f2，f3…的声音信号，各频段信号脉冲时长为△t，并分别记录时间t₀，t’₀，t’’₀…；

（2）、记录各反射板所反射的各频段信号到达声学换能器的时间，分别为

T₁，T₂，T₃…；

T’₁，T’₂，T’₃…；

T’’₁，T’’₂，T’’₃…；

（3）、分别计算在t₀，t’₀，t’’₀…时刻各区间段的声速，得到空间一维和时间一维组成的二维声速值。