CN106153173B - 一种水中声速测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水中声速测量方法。该方法具体包括以下步骤：测量电信号在超声收发电路中传播时间与声信号在水中固定距离D传播时间的总和T_S；测量电信号在超声收发电路中传播时间T_b；测量内温传感器温度T₁和水温传感器温度T₂；使用带温度补偿的计算方法计算声速值c。该方法使用时间差技术消除了电路元件延迟对测量结果的影响，并通过多个温度传感器进行温度修正，减小环境温度变化对声速测量的影响，同时，该方法还使用了基于门延迟测时技术的高精度测时单元，进一步提高水中声速测量精度。保证了单次测量即可获得高精度测量结果，极大提高了测量效率和声速测量精度。

Description

一种水中声速测量方法及装置

技术领域

本发明涉及水中声速的测量技术，详细而言，涉及在使用超声装置测量液体中声音传播速度的方法和装置。

背景技术

水中声速作为所有声纳设备的一个重要参数在海洋调查、水下工程、水下测绘、水下导航定位等诸军事、民用领域得到广泛应用。随着各种声纳设备的升级，对声速测量的精度也提出了越来越高的要求，因此高精度的水中声速测量装置也在相关领域技术提升方面起着至关重要的作用。

作为基础物理参数之一的水中声速，其范围一般在1400米/秒至1600米/秒之间，主要与水中的温度、盐度和水压力三个基础物理参数相关，因此一种通过测量水中的温度、盐度和水压力三个物理参数，再通过关系式反算水中声速的方法被提出，并得到了较长时间的应用，这种测量方法被称为间接测量法。但是，由于到目前为止，科学界尚未找到声速与另外三个物理量之间确切的解析表达关系式，因此间接测量法所使用的声速与温度、盐度、水压力的关系式均为试验统计得到的经验公式，相对精度较低。

另外一种基于解析表达式V＝D/T的声速测量方法叫直接测量法。式中，D为某一固定距离，T为声波传播所需要的时间。传统直接声速测量方法一般采用检波比较电路提取回波信号的包络信息，由于信号包络受温度、压力和盐度的影响较大，因此传统直接声速测量单次测量误差较大。

传统直接声速测量方法中直接测量信号从发射到接收电路所经历的时间，由于电路元器件参数受温度影响较大，导致电路传播延迟变化较大；另外，由于测时芯片时钟温度稳定性不佳，最终导致测量时间误差较大。

自然界中所有的物质都存在热胀冷缩效应，一般物质的外形尺寸会随温度变化，所以测量装置无法制作一个理想的固定测量距离D。传统直接声速测量方法中未考虑D随温度变化引起的测量误差，这也是导致其单次测量误差较大的原因之一。

由于传统直接声速测量方法单次测量精度较低，当声速测量精度确定后，已知的距离越大，对测时精度要求越低，所以为了提高精度通常是测量声波在已知距离内往返多次的时间，即用接收到的反射回波信号去触发发射电路，再发射下一个脉冲，这样不断地循环下去，以降低对测时精度的要求，这种方法被称为“环鸣法”。“环鸣法”测量精度一般最高只能达到±0.2米/秒，已无法满足对高精度声速测量的需求。同时，“环鸣法”由于需要多次循环，因此其测量速率相对较低，难以满足声速快速变化场合的测量应用。

发明内容

鉴于此，本发明公开了一种水中声速测量方法，该方法包含以下步骤：

步骤S1：微控制器(202)控制高精度测时单元(203)测量电信号在超声收发电路(210)传播时间与声信号在水中固定距离D传播时间的总和T_s，具体过程如下，微控制器(202)控制高精度测时单元(203)发射一个脉冲串，发射脉冲信号依次经过具有升压功能的功率放大电路(204)、发射匹配电路(205)、收发转换电路(206)和声学换能器(106)转换为声信号，声信号遇到反射板(107)后再依次经过声学换能器(106)、收发转换电路(206)、模拟开关电路(208)和电压比较电路(207)后进入高精度测时单元(203)内部，完成高精度时间测量，得到信号经过电路与水中固定距离D的测量时间T_s。

步骤S2：微控制器(202)控制高精度测时单元(203)测量电信号在超声收发电路(210)传播时间T_b，具体过程如下，微控制器(202)控制高精度测时单元(203)发射一个脉冲串，发射脉冲信号依次经过具有升压功能的功率放大电路(204)、发射匹配电路(205)、收发转换电路(206)、模拟开关电路(208)和电压比较电路(207)后进入高精度测时单元(203)内部，完成一次信号在电路板上传播时间T_b的测量。

步骤S3：微控制器(202)控制温度测量单元(209)，依次测量内温传感器(104)温度T₁和水温传感器(105)温度T₂。

步骤S4：将步骤S1和步骤S2测得的时间T_s和T_b作差得到信号在声学换能器(106)和水中传播的测量时间T＝T_s-T_b；信号在水中实际传播时间为T_w＝Tf(T₁)，考虑电路温度对测量时间的影响，取f(T₁)＝aT₁ ²+bT₁+d；信号在水中传播时，超声反射板(107)与声学换能器(106)之间的距离受水温有微小影响，取D＝eT₂ ²+fT₂+g；故实际测量声速c＝(T_s-T_b)(aT₁ ²+bT₁+d)/(eT₂ ²+fT₂+g)，其中，c为声速，T_s为接收到的声波传输时间，T_b为电路板上直接信号传播时间，T₁为PCB板上温度，T₂为水中温度，a、b、d、e、f、g为温度补偿参数。

本发明所公开的一种水中声速测量方法，其校准方法是将声速测量仪(303)放入纯水环境中，测量8个不同温度点下的T_s、T_b、T₁、T₂以及高精度温度测量仪(306)测量的温度T_i，纯水的声速只与温度有关，通过T_i与纯水温度对应关系计算出实际声速c，将测量结果代入步骤S4公式，解算出a、b、d、e、f、g的值。

本发明所公开的一种水中声速测量方法，其高精度测时单元(203)采用高精度门延迟测时技术进行时间测量。高精度测时单元(203)由依次相连的高速门延迟计时电路(401)、高速动态存储器(402)、高位计数器(403)和计时后处理电路(404)组成。高速动态存储器(402)用于实时存储高速门延迟计时电路计时结果，高位计数器(403)用于存储低位计数器的进位结果。高精度测时单元(203)的测时从发射信号开始，到电压比较电路(207)输出接收信号结束。测时完成后高速动态存储器(402)的数据作为低位计数器值，高位计数器(403)的计数结果作为高位计数器值分别传入计时后处理电路(404)，组合形成计时结果。

本发明所公开的一种水中声速测量方法，其模拟开关电路(208)用于阻断和通过测量信号，用于控制高精度测时单元(203)测量步骤S1和步骤S2中两种时间。在步骤S1中，微控制器(202)控制模拟开关电路(208)断开接收通路，在发射完成后再控制模拟开关电路(208)接通接收通路，接入回波信号。

本发明所公开的一种水中声速测量方法，其优点在于电压比较电路(207)中采用自动门限调整技术，该技术包含以下几个步骤：1、将门限值设定为较大值，保证稳定捕捉到某一个固定回波的周期信号；2、检测到回波信号上升沿后将门限值自动设定为0V；3、准确比较检测回波的过零点上升沿。

本发明所公开的一种水中声速测量方法，其校准系统包括以下结构：循环纯水装置(301)，用于实时对恒温水槽(305)中的水进行提纯；进水管(302)和出水管(307)，用于连接循环纯水装置(301)和恒温水槽(305)；低速搅拌机(304)，用于搅拌恒温水槽(305)中的纯水，使之匀速流动；恒温水槽(305)，用于控制水温，使其稳定在校准温度上；高精度温度测量仪(306)，用于测量恒温水槽(305)中纯水的实时温度。

本发明所公开的一种水中声速测量方法，其优点在于采用基于门延迟测时技术的高精度测时单元(203)进行超声往返时间的精确测量，使测时精度达到皮秒量级，大大提高测时精度；该方法使用信号传播路径时间差测量技术，从测量源头上消除了电路延时带来的误差影响；该方法还使用多传感器融合技术，通过多次多温度点的测量校准过程可以精确计算拟合出高精度测时单元(203)的测量精度温度漂移量和反射面连接杆(108)由于温度变化引起的形变量。该方法使用单次测量即可获得高精度测量结果，极大提高了测量效率和声速测量精度，使得水中声速测量的精度达到±0.03米/秒。

由此可见，本发明设计新颖、技术含量高、易于实现且成本较低，非常适合于海洋调查、水下工程、水下测绘、水下导航定位等多个领域的应用。

附图说明

为了使本发明的内容更利于相关专业技术人员理解，下面对附图进行简单说明。

图1为本发明所述的水中声速测量方法流程图。

图2为本发明所述的水中声速测量装置结构图。

图3为本发明所述的水中声速测量方法使用的电路原理框图。

图4为本发明所述的水中声速测量方法使用的高精度测时单元内部原理框图。

图5为本发明所述的水中声速测量方法使用的校准装置的结构框图。

具体实施方案

下面结合附图和本发明一种较佳的具体实施例对本发明作进一步说明。

作为本发明的一种较佳施例，该水中声速测量装置，圆柱形机壳(101)采用奥氏体不锈钢制作，一个雷莫防水连接器(102)固定于机壳(101)一端、一个不锈钢声反射板(107)通过反射面连接杆(108)固定于机壳(101)另一端，一个频率为2MHz的活塞型声学换能器(106)固定于机壳(101)的反射板(107)侧，同时在该位置安装水温传感器(105)，内温传感器(104)与功能电路(103)安装于机壳(101)内部。

作为本发明的一种较佳施例，功能电路包括通信接口电路(201)、微控制器(202)、高精度测时单元(203)、功率放大电路(204)、发射匹配电路(205)、收发转换电路(206)、电压比较电路(207)、模拟开关电路(208)和温度测量单元(209)。

作为本发明的一种较佳施例，声速测量校准装置包括：循环纯水装置(301)，用于实时对恒温水槽(305)中的水进行提纯；进水管(302)和出水管(307)，用于连接循环纯水装置(301)和恒温水槽(305)；低速搅拌机(304)，用于搅拌恒温水槽(305)中的纯水，使之匀速流动；恒温水槽(305)，用于控制水温，使其稳定在校准温度上；高精度温度测量仪(306)，用于测量恒温水槽(305)中纯水的实时温度。

以上所述仅为发明的一种较佳可行施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种水中声速测量方法，其特征在于，包括以下几个步骤：S1.微控制器(202)控制高精度测时单元(203)测量电信号在超声收发电路(210)传播时间与声信号在水中固定距离D传播时间的总和T_s；S2.微控制器(202)控制高精度测时单元(203)测量电信号在超声收发电路(210)传播时间T_b；S3.微控制器(202)控制温度测量单元(209)测量内温传感器(104)温度T₁和水温传感器(105)温度T₂；S4.微控制器(202)使用带温度补偿的计算方法计算声速值c；

测量信号经过电路与水中固定距离D所用时间T_s，同时测量信号直接经过电路所用时间T_b，使用两个测量时间的差得到信号在水中传播的时间，再经过温度补偿计算出水中声速，计算模型如下：

c＝(eT₂ ²+fT₂+g)/[(T_s-T_b)(aT₁ ²+bT₁+d)]

式中，c为声速，T₁为PCB板上温度，T₂为水中温度，a、b、d、e、f、g为温度补偿参数。

2.根据权利要求1所述的水中声速测量方法，其特征在于，使用校准试验确定温度补偿计算方法中的温度补偿参数值；在恒温纯水环境中测量8个温度点的T_s、T_b、T₁、T₂，使用高精度测量设备测量水中温度T_w，根据纯水中声速与温度的对应关系得到当时水中的声速c，将之带入所述计算模型，拟合出其中的参数a、b、d、e、f、g。

3.一种水中声速测量装置，用于实现权利要求1中所述方法，其特征在于，包括机壳(101)、防水连接器(102)、功能电路(103)、内温传感器(104)、水温传感器(105)、声学换能器(106)、声反射板(107)和反射面连接杆(108)，其中，防水连接器(102)固定于机壳(101)一端；声反射板(107)通过反射面连接杆(108)固定于机壳(101)另一端；声学换能器(106)固定于机壳(101)的声反射板(107)侧，同时在该位置安装水温传感器(105)；内温传感器(104)与功能电路(103)安装于机壳(101)内部；所述水中声速测量装置采用权利要求1所述的方法进行水中声速测量；

所述功能电路(103)包括通信接口电路(201)、微控制器(202)、高精度测时单元(203)、功率放大电路(204)、发射匹配电路(205)、收发转换电路(206)、电压比较电路(207)、模拟开关电路(208)和温度测量单元(209)；

微控制器(202)控制高精度测时单元(203)测量电信号在超声收发电路(210)传播时间与声信号在水中固定距离D传播时间的总和T_s；微控制器(202)控制高精度测时单元(203)测量电信号在超声收发电路(210)传播时间T_b；微控制器(202)控制温度测量单元(209)测量内温传感器(104)温度T₁和水温传感器(105)温度T₂；微控制器(202)使用带温度补偿的计算方法计算声速值c；

测量信号经过电路与水中固定距离D所用时间T_s，同时测量信号直接经过电路所用时间T_b，使用两个测量时间的差得到信号在水中传播的时间，再经过温度补偿计算出水中声速，计算模型如下：

c＝(eT₂ ²+fT₂+g)/[(T_s-T_b)(aT₁ ²+bT₁+d)]

式中，c为声速，T₁为PCB板上温度，T₂为水中温度，a、b、d、e、f、g为温度补偿参数。

4.根据权利要求3所述的水中声速测量装置，其特征在于，所述高精度测时单元(203)采用高精度门延迟测时技术进行时间测量。

5.根据权利要求3所述的水中声速测量装置，其特征在于，所述电压比较电路(207)采用自动门限调整技术精确检测回波信号一个周期的过零上升沿位置。

6.根据权利要求3所述的水中声速测量装置，其特征在于，使用模拟开关电路(208) 选通需要的被测信号。

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