CN114264721A - 新型声速处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水声技术领域，具体涉及新型声速处理系统，包括绞车、声速仪和计算机；所述声速仪包括压力传感器、声系统、深度声速信号电路和处理存储通讯电路；所述深度声速信号电路分别与所述压力传感器、所述声系统和所述处理存储通讯电路电性相连，所述处理存储通讯电路通过信号传输缆与所述计算机相连。所述声系统由压电陶瓷制式换能器、刚性声程架和光滑反射体组成。所述计算机为加固便携计算机，主要由显示器、键盘、电源模块、接口板、主板和声场计算软件组成，利用压力传感器测量深度信息，整合之后通过数据接口读取声速数据，声速数据进行拟合数据修正提升精度，通过声线计算绘制声场图像的新型声速处理系统。

Description

新型声速处理系统

技术领域

本发明涉及水声技术领域，具体涉及新型声速处理系统。

背景技术

计算机技术与海洋技术相结合，利用计算机解决海洋技术领域知识，必定能够促进海洋事业的大力发展。通过数据接口读取到计算机通过数据接口读取到声速数据，通过声线计算绘制声场图像，声场图像可以提供海区现场水文条件下声波传播状况的信息，有助于确定拖曳声纳和吊放声纳的有利工作深度，声纳基阵的俯仰角，选择潜艇隐蔽活动及其声纳发现目标的最佳深度。各国对能够收集水文数据并绘制声场图像的计算机设备需求越来越大。

声场图像绘制一般基于5种声场模型，分别是射线理论模型、简正波理论模型、多途扩展模型、快速场模型和抛物方程模型。其中BELLHOP模型是基于射线理论下的声场模型，通过高斯波束跟踪方法，计算水平非均匀环境中的声场，能够较为平滑的过渡到声影区，也能较平滑地穿过焦散线。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了新型声速处理系统，是利用时间飞跃法直接获取声速，利用压力传感器测量深度信息，整合之后通过数据接口读取声速数据，声速数据进行拟合数据修正提升精度，通过声线计算绘制声场图像的新型声速处理系统。集合声速数据接收、处理、保存等功能，其中声速处理计算机支持双冗余网络数据传输功能。

本发明通过以下技术方案予以实现：

新型声速处理系统，包括绞车、声速仪和计算机；

所述声速仪包括压力传感器、声系统、深度声速信号电路和处理存储通讯电路；所述深度声速信号电路分别与所述压力传感器、所述声系统和所述处理存储通讯电路电性相连，所述处理存储通讯电路通过信号传输缆与所述计算机相连。

优选的，所述声系统由压电陶瓷制式换能器、刚性声程架和光滑反射体组成。

优选的，所述计算机为加固便携计算机，主要由显示器、键盘、电源模块、接口板、主板和声场计算软件组成；所述绞车将所述声速仪放入海水中，数据采集后，通过RS422串口长距离传输到所述主板，通过所述显示器显示深度-声速剖面。

优选的，还包括打印机和网络；将所述显示器显示的深度-声速剖面，传输至所述打印机上或网络上与其他设备进行连接传输，获取舰船当前位置的深度-声速曲线，在所述计算机的显控软件中显示，通过在所述计算机上设定声源的深度、俯仰角、波束开角和声线条数初始值，绘制出声线轨迹。

优选的，测量时，所述声速仪入水后探头电源接通，所述声速仪下沉过程中，深度声速信号电路板和处理存储通讯电路板将深度声速信号转化为深度-声速数据，存储于处理存储通讯电路板；将所述声速仪收回至甲板后，用信号传输缆与所述声速仪连接，所述计算机读入深度-声速数据。

优选的，所述声场计算软件在进行使用时，包括如下步骤：

步骤一、数据读取；通过串口接收模块，调用串口函数实现字节流的读取，根据读取的字节经过字节数和字节头识别判定，确定串口读取的字节生成被转换为整数型的数据，再经过判断和字符转换生成实际测量的声速和深度值；

步骤二、声速预处理及绘制；通过对声速、深度数据预处理，剔除突变异常值，利用最小二乘法拟合各数据点，通过声速梯度模块，调用绘图函数PlotModel，将串口导入的声梯度数据绘制并呈现在界面上；

步骤三、声场计算和图像绘制；通过声线模块，根据已获得声速深度数据，判断其范围值是否符合声场计算条件，设置边界参数调用BELLHOP模型计算声场，获得声线和声场传播损失数据，绘制声线及传播损失；

计算声场使用到的是高斯束射线跟踪法，对决定声束宽度和曲率的两个微分方程与标准射线方程一起进行积分，就可计算出声束内中心声线附近的声束场，高斯束射线跟踪给定源点的初始束宽和曲率，允许在离开声源向外传播时增大和减小曲率，声束的演变过程由参数p和c决定，波束宽度p(s)和波束曲率q(s)由下面的一对微分方程控制；

其中c_m是声速c(r,s)在声线路径法线方向上的二阶导数；

上述微分方程与标准射线方程一起进行积分，简单地用代表初始波束半径和曲率的复数初始条件求解，最后把所有的声束加起来，求得复合声压，各个声束的加权按照均匀介质中的标准点源问题；对于点源，声束的相应加权为：

式中，ω是声源的角频率，是声束之间的夹角；

步骤四、网络传输；通过网络发送模块，使用UDP网络传输方式，传输声梯度数据，调用UdpClient函数发送编辑好的数据流，并以广播形式发送。

优选的，所述步骤一中的串口接收模块在进行使用时，包括如下步骤：

S1：开始，接收数据COM1、COM2；

S2：判断接收数据长度是否>0，

若>0，则步入判断isData是否为真；若不>0，则结束；

S3：若isData为真，则Index增加，判断数据长度是否<9；若不为真，则判别数据报文头；

S4：当上述Index增加时，若数据长度<9，则将数据放入buf，结束；

当上述判别数据报文头时，其数据长度<9时，则-isData＝true，数据放入buf，Index赋值，结束；

当上述Index增加或当上述判别数据报文头时，其数据长度不<9，则-isData＝false，计算声速深度，发送数据处理消息，结束。

优选的，所述步骤二中的声速深度预处理在进行使用时，包括如下步骤：

S1：开始，判断深度声速初始值；

S2：判断相邻两个点的斜率的绝对值是否<6，

若<6，则判断深度是否一致，若一致，则Index增加，整合深度声速数据，进行数据拟合，结束；

若不<6，则Index增加，剔除Index位置的深度声速值后，继续返回至步骤S2中判断相邻两个点的斜率的绝对值是否<6；

所述步骤二中的声速梯度模块在进行使用时，包括如下步骤：

S1：开始，输入命令；

S2：判读数据是否遗留，若是，则声速梯度区域清屏后，继续返回至步骤S1；若不是，则输入新数据，画对应的声速梯度线，结束。

优选的，所述步骤三中的声线模块在进行使用时，包括如下步骤：

S1：开始，输入深度-声速数据、环境参数数据；

S2：计算声线，入库，计算对应的坐标，画对应的声线，对声线数据保存后，继续返回至步骤S1开始处。

优选的，所述步骤四中的网络发送模块在进行使用时，包括如下步骤：

S1：开始，判断是否有新数据，

S2：若是，则生成网络报文，数据写入网络缓冲区，向网络发送数据，清空网络缓冲区后，继续返回至步骤S1开始处；

若不是，则返回至步骤S1开始处。

本发明的有益效果为：

该系统包含声速数据测量、读取、保存以及数据后处理。声速仪利用时间飞跃法测量声速，计算机通过串口收集声速仪传送的声速信息，并通过声场计算软件进行数据保存并处理显示，生成声速梯度曲线，根据获得的声速梯度数据设置环境参数绘制声场图像。该系统用于测量、存储和处理水文数据。

该发明是利用时间飞跃法直接获取声速，利用压力传感器测量深度信息，整合之后通过数据接口读取声速数据，声速数据进行拟合数据修正提升精度，通过声线计算绘制声场图像的新型声速处理系统。集合声速数据接收、处理、保存等功能，其中声速处理计算机支持双冗余网络数据传输功能。

主要克服的问题：声速仪数据稳定传导；测量获得的水文数据经过最小二乘法拟合处理声梯度数据并绘制声梯度图像；调用声场模型选择合适的海洋环境计算并绘制声场图像。

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是本发明的电路结构图；

图2是本发明中串口接收模块逻辑流程图；

图3是本发明中声速深度预处理逻辑流程图；

图4是本发明中声速梯度模块程序流程图；

图5是本发明中声线模块程序流程图；

图6是本发明中网络发送模块逻辑流程图；

图7是本发明中软件总流程图；

图8是本发明中软件主操作界面图。

图中：1-绞车、2-声速仪、21-压力传感器、22-声系统、23-深度声速信号电路、24-处理存储通讯电路、3-计算机、31-显示器、32-键盘、33-主板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

实施例一：

请参阅图1～8所示，本实施例具体公开提供了新型声速处理系统的技术方案，包括绞车1、声速仪2和计算机3；

声速仪2包括压力传感器21、声系统22、深度声速信号电路23和处理存储通讯电路24；深度声速信号电路23分别与压力传感器21、声系统22和处理存储通讯电路24电性相连，处理存储通讯电路24通过信号传输缆与计算机3相连。

具体的，声系统22由压电陶瓷制式换能器、刚性声程架和光滑反射体组成。

具体的，计算机3为加固便携计算机3，主要由显示器31、键盘32、电源模块、接口板、主板33和声场计算软件组成；绞车1将声速仪2放入海水中，数据采集后，通过RS422串口长距离传输到主板33，通过显示器31显示深度-声速剖面。上述显示器31是17寸的高亮液晶屏，分辨率是1920X1080，标准键盘32，触摸板鼠标带左右键，主板33内处理器是Intel低功耗CPU,主频不低于1.46GHz，运行内存是容量8GB的DDR3，存储空间提供256G的SSD。电源模块能将220V的交流电转换成正负12V的直流电源，提供主控板工作。

具体的，还包括打印机和网络；将显示器31显示的深度-声速剖面，传输至打印机上或网络上与其他设备进行连接传输，获取舰船当前位置的深度-声速曲线，在计算机3的显控软件中显示，通过在计算机3上设定声源的深度、俯仰角、波束开角和声线条数初始值，绘制出声线轨迹。

具体的，测量时，声速仪2入水后探头电源接通，声速仪2下沉过程中，深度声速信号电路23板和处理存储通讯电路24板将深度声速信号转化为深度-声速数据，存储于处理存储通讯电路24板；将声速仪2收回至甲板后，用信号传输缆与声速仪2连接，计算机3读入深度-声速数据。

具体的，声场计算软件在进行使用时，包括如下步骤：

步骤一、数据读取；通过串口接收模块，调用串口函数实现字节流的读取，根据读取的字节经过字节数和字节头识别判定，确定串口读取的字节生成被转换为整数型的数据，再经过判断和字符转换生成实际测量的声速和深度值；

步骤二、声速预处理及绘制；通过对声速、深度数据预处理，剔除突变异常值，利用最小二乘法拟合各数据点，通过声速梯度模块，调用绘图函数PlotModel，将串口导入的声梯度数据绘制并呈现在界面上；

步骤三、声场计算和图像绘制；通过声线模块，根据已获得声速深度数据，判断其范围值是否符合声场计算条件，设置边界参数调用BELLHOP模型计算声场，获得声线和声场传播损失数据，绘制声线及传播损失；

计算声场使用到的是高斯束射线跟踪法，对决定声束宽度和曲率的两个微分方程与标准射线方程一起进行积分，就可计算出声束内中心声线附近的声束场，高斯束射线跟踪给定源点的初始束宽和曲率，允许在离开声源向外传播时增大和减小曲率，声束的演变过程由参数p和c决定，波束宽度p(s)和波束曲率q(s)由下面的一对微分方程控制；

其中c_m是声速c(r,s)在声线路径法线方向上的二阶导数；

上述微分方程与标准射线方程一起进行积分，简单地用代表初始波束半径和曲率的复数初始条件求解，最后把所有的声束加起来，求得复合声压，各个声束的加权按照均匀介质中的标准点源问题；对于点源，声束的相应加权为：

式中，ω是声源的角频率，是声束之间的夹角；

步骤四、网络传输；通过网络发送模块，使用UDP网络传输方式，传输声梯度数据，调用UdpClient函数发送编辑好的数据流，并以广播形式发送。

具体的，步骤一中的串口接收模块在进行使用时，包括如下步骤：

S1：开始，接收数据COM1、COM2；

S2：判断接收数据长度是否>0，

若>0，则步入判断isData是否为真；若不>0，则结束；

S3：若isData为真，则Index增加，判断数据长度是否<9；若不为真，则判别数据报文头；

S4：当上述Index增加时，若数据长度<9，则将数据放入buf，结束；

当上述判别数据报文头时，其数据长度<9时，则-isData＝true，数据放入buf，Index赋值，结束；

当上述Index增加或当上述判别数据报文头时，其数据长度不<9，则-isData＝false，计算声速深度，发送数据处理消息，结束。

具体的，步骤二中的声速深度预处理在进行使用时，包括如下步骤：

S1：开始，判断深度声速初始值；

S2：判断相邻两个点的斜率的绝对值是否<6，

若<6，则判断深度是否一致，若一致，则Index增加，整合深度声速数据，进行数据拟合，结束；

若不<6，则Index增加，剔除Index位置的深度声速值后，继续返回至步骤S2中判断相邻两个点的斜率的绝对值是否<6；

步骤二中的声速梯度模块在进行使用时，包括如下步骤：

S1：开始，输入命令；

S2：判读数据是否遗留，若是，则声速梯度区域清屏后，继续返回至步骤S1；若不是，则输入新数据，画对应的声速梯度线，结束。

具体的，步骤三中的声线模块在进行使用时，包括如下步骤：

S1：开始，输入深度-声速数据、环境参数数据；

S2：计算声线，入库，计算对应的坐标，画对应的声线，对声线数据保存后，继续返回至步骤S1开始处。

具体的，步骤四中的网络发送模块在进行使用时，包括如下步骤：

S1：开始，判断是否有新数据，

S2：若是，则生成网络报文，数据写入网络缓冲区，向网络发送数据，清空网络缓冲区后，继续返回至步骤S1开始处；

若不是，则返回至步骤S1开始处。

本实施例的技术方案还包括声场计算软件总流程，该软件使用的编译语言是C#，编译环境为Visual Studio 2017，设置的运行环境为.NET Framework 4。具体采用如下步骤：

S1：开始，系统初始化，创建主操作界面；

S2：当进行输入命令后，分别：

创建手工输入界面、创建计算机3读入界面、创建存储数据界面、创建刻度选择界面、创建声源数据界面、创建图片保存界面、读取吊放测量数据和投放测量工作；

S3：进行串口接收-声速梯度模块-声线模块-网络发送。

本实施例的技术方案还包括操作主界面：

操作主界面具体包括菜单区、声梯度显示区、声线轨迹显示区、传播损失显示区、参数和按钮显示区：

a：菜单区：菜单区在操作主界面的上方，包括“Serial Port”菜单和“RSVP”和“XSVP”子菜单。用户可以通过鼠标或者主机触摸板进行操作；

b：声速梯度显示区：声速梯度显示区在操作主界面的左边，横坐标为声速，纵坐标为海深。用来显示海洋中的深度—声速曲线，根据用户的选择显示不同的声速梯度数据，包括声速仪2数据、用户手工输入数据、计算机3读入的存储文件中的数据；

c：声线轨迹显示区：声线轨迹显示区在操作主界面的右边，横坐标为水平距离，纵坐标为海深。用来显示具有不同深度、不同开角和不同俯仰角的声源的声线轨迹；

d：传播损失显示区：可通过传播损失图像，更直观地看到声能量分布图像，便于进行分析；

e：参数显示区：参数显示区在操作主界面的下方，左边用来实时显示串口传送来的深度值和声速值，深度声速打开和保存窗口，以及手动输入深度声速窗口。右边用来显示根据网络接口传输过来的当前时间及经纬度；

f：蓝色按钮控件分布在主操作界面中，各个蓝色按钮控件的功能按照控件名分布在主操作界面中。

该发明是利用时间飞跃法直接获取声速，利用压力传感器21测量深度信息，整合之后通过数据接口读取声速数据，声速数据进行拟合数据修正提升精度，通过声线计算绘制声场图像的新型声速处理系统。集合声速数据接收、处理、保存等功能，其中声速处理计算机3支持双冗余网络数据传输功能。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.新型声速处理系统，包括绞车(1)、声速仪(2)和计算机(3)，其特征在于：

所述声速仪(2)包括压力传感器(21)、声系统(22)、深度声速信号电路(23)和处理存储通讯电路(24)；所述深度声速信号电路(23)分别与所述压力传感器(21)、所述声系统(22)和所述处理存储通讯电路(24)电性相连，所述处理存储通讯电路(24)通过信号传输缆与所述计算机(3)相连。

2.根据权利要求1所述的新型声速处理系统，其特征在于，所述声系统(22)由压电陶瓷制式换能器、刚性声程架和光滑反射体组成。

3.根据权利要求2所述的新型声速处理系统，其特征在于，所述计算机(3)为加固便携计算机(3)，主要由显示器(31)、键盘(32)、电源模块、接口板、主板(33)和声场计算软件组成；所述绞车(1)将所述声速仪(2)放入海水中，数据采集后，通过RS422串口长距离传输到所述主板(33)，通过所述显示器(31)显示深度-声速剖面。

4.根据权利要求3所述的新型声速处理系统，其特征在于，还包括打印机和网络；将所述显示器(31)显示的深度-声速剖面，传输至所述打印机上或网络上与其他设备进行连接传输，获取舰船当前位置的深度-声速曲线，在所述计算机(3)的显控软件中显示，通过在所述计算机(3)上设定声源的深度、俯仰角、波束开角和声线条数初始值，绘制出声线轨迹。

5.根据权利要求4所述的新型声速处理系统，其特征在于，测量时，所述声速仪(2)入水后探头电源接通，所述声速仪(2)下沉过程中，深度声速信号电路(23)板和处理存储通讯电路(24)板将深度声速信号转化为深度-声速数据，存储于处理存储通讯电路(24)板；将所述声速仪(2)收回至甲板后，用信号传输缆与所述声速仪(2)连接，所述计算机(3)读入深度-声速数据。

6.根据权利要求4所述的新型声速处理系统，其特征在于，所述声场计算软件在进行使用时，包括如下步骤：

步骤一、数据读取；通过串口接收模块，调用串口函数实现字节流的读取，根据读取的字节经过字节数和字节头识别判定，确定串口读取的字节生成被转换为整数型的数据，再经过判断和字符转换生成实际测量的声速和深度值；

步骤二、声速预处理及绘制；通过对声速、深度数据预处理，剔除突变异常值，利用最小二乘法拟合各数据点，通过声速梯度模块，调用绘图函数PlotModel，将串口导入的声梯度数据绘制并呈现在界面上；

步骤三、声场计算和图像绘制；通过声线模块，根据已获得声速深度数据，判断其范围值是否符合声场计算条件，设置边界参数调用BELLHOP模型计算声场，获得声线和声场传播损失数据，绘制声线及传播损失；

计算声场使用到的是高斯束射线跟踪法，对决定声束宽度和曲率的两个微分方程与标准射线方程一起进行积分，就可计算出声束内中心声线附近的声束场，高斯束射线跟踪给定源点的初始束宽和曲率，允许在离开声源向外传播时增大和减小曲率，声束的演变过程由参数p和c决定，波束宽度p(s)和波束曲率q(s)由下面的一对微分方程控制；

其中c_m是声速c(r,s)在声线路径法线方向上的二阶导数；

上述微分方程与标准射线方程一起进行积分，简单地用代表初始波束半径和曲率的复数初始条件求解，最后把所有的声束加起来，求得复合声压，各个声束的加权按照均匀介质中的标准点源问题；对于点源，声束的相应加权为：

式中，ω是声源的角频率，是声束之间的夹角；

步骤四、网络传输；通过网络发送模块，使用UDP网络传输方式，传输声梯度数据，调用UdpClient函数发送编辑好的数据流，并以广播形式发送。

7.根据权利要求6所述的新型声速处理系统，其特征在于，所述步骤一中的串口接收模块在进行使用时，包括如下步骤：

S1：开始，接收数据COM1、COM2；

S2：判断接收数据长度是否>0，

若>0，则步入判断isData是否为真；若不>0，则结束；

S3：若isData为真，则Index增加，判断数据长度是否<9；若不为真，则判别数据报文头；

S4：当上述Index增加时，若数据长度<9，则将数据放入buf，结束；

当上述判别数据报文头时，其数据长度<9时，则-isData＝true，数据放入buf，Index赋值，结束；

当上述Index增加或当上述判别数据报文头时，其数据长度不<9，则-isData＝false，计算声速深度，发送数据处理消息，结束。

8.根据权利要求6所述的新型声速处理系统，其特征在于，所述步骤二中的声速深度预处理在进行使用时，包括如下步骤：

S1：开始，判断深度声速初始值；

S2：判断相邻两个点的斜率的绝对值是否<6，

若<6，则判断深度是否一致，若一致，则Index增加，整合深度声速数据，进行数据拟合，结束；

若不<6，则Index增加，剔除Index位置的深度声速值后，继续返回至步骤S2中判断相邻两个点的斜率的绝对值是否<6；

所述步骤二中的声速梯度模块在进行使用时，包括如下步骤：

S1：开始，输入命令；

S2：判读数据是否遗留，若是，则声速梯度区域清屏后，继续返回至步骤S1；若不是，则输入新数据，画对应的声速梯度线，结束。

9.根据权利要求6所述的新型声速处理系统，其特征在于，所述步骤三中的声线模块在进行使用时，包括如下步骤：

S1：开始，输入深度-声速数据、环境参数数据；

S2：计算声线，入库，计算对应的坐标，画对应的声线，对声线数据保存后，继续返回至步骤S1开始处。

10.根据权利要求6所述的新型声速处理系统，其特征在于，所述步骤四中的网络发送模块在进行使用时，包括如下步骤：

S1：开始，判断是否有新数据，

S2：若是，则生成网络报文，数据写入网络缓冲区，向网络发送数据，清空网络缓冲区后，继续返回至步骤S1开始处；

若不是，则返回至步骤S1开始处。

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