CN115201511A - 一种基于时间频率同步测量原理的海流流速测量仪器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于时间频率同步测量原理的海流流速测量仪器，所述测量仪器包括6个超声波换能器、换能器连接杆、电子耐压仓和通讯缆接头，超声波换能器既能实现超声波的发送，又能实现超声波的接收，超声波换能器连接杆顶部和底部分别设置有3个延伸臂爪，底部的延伸臂爪长度要大于顶部延伸臂爪的长度，超声波换能器的结构布局为正四面体结构，换能器连接杆顶端3个超声波换能器，形成Janus结构，换能器连接杆顶部和底部的3个延伸臂爪是均匀分布且相互对应的。本发明将声学多普勒频率法和声学时差法的两者测流仪器的换能器布局结合起来，使其既可以实现对多普勒反射频率的接收，又可以实现对时差法顺逆流传播时间的测量。

Description

一种基于时间频率同步测量原理的海流流速测量仪器
技术领域
本发明涉及一种海水流速测量仪器，尤其本发明涉及一种基于时间频率同步测量原理的海流流速测量仪器。
背景技术
进行海流观测应用最广泛的海洋仪器是超声波声学原理的海流计，包括多普勒声学频率法海流计和时差法声学原理海流计。多普勒海流计优点是不容易受到外界扰流的影响，测量的数据精度准确，可测量三维流速，测量效率高，缺点是有测量盲区，借助于水中微粒的反射才能测流速，清水中不适合测流。这样就很难完成全球深海大洋海洋环境各参数全面获取这样的科学需求。声学时差原理的海流计拥有ADCP海流计的测流精度且适合多种水体条件下的测流。缺点是为单点式测量，流速测量范围小，产生的流速等数据不够具体，对数据分析处理会有一定影响，海流流经仪器附近时换能器连接杆处的流体会对数据准确度有影响。而这两种海流计的共同缺陷是在移动平台测流时需要配合其他仪器(如GPS,DVL等)的使用才能测得海流的绝对流速，因此，本发明提出一种基于时间频率同步测量原理的海流流速测量仪器，在声学海流计上实现时间频率的同步测量，同时实现海流相对流速和运动平台速度的测量，进而计算得到海流的绝对流速。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷和不足，本发明提供了一种基于时间频率同步测量原理的海流流速测量仪器，同时兼顾声学多普勒原理和声学时差法的特点，使发明的换能器结构布局既可以实现对海水中微小颗粒反射信号的接收，又可以实现对超声波信号在两个换能器对之间传播时间的测量。
一种基于时间频率同步测量原理的海流流速测量仪器，所述测量仪器包括6个超声波换能器、换能器连接杆、电子耐压仓和通讯缆接头，6个超声波换能器为具有收发信号一体功能的超声波换能器，超声波换能器连接杆顶部和底部分别设置有3个延伸臂爪，底部的延伸臂爪长度要大于顶部延伸臂爪的长度，顶部的3个延伸臂爪和底部的3个延伸臂爪均均匀分布，顶部的延伸臂爪与底部的延伸臂爪相互一一对应的，六个超声波换能器分别通过延伸臂爪与换能器连接杆固定连接，换能器连接杆底部通过连接杆延伸杆与电子耐压仓相连接，电子耐压仓上设置有与通讯缆连接的通讯缆接头，顶部延伸臂爪连接的超声波换能器与对应的底部延伸臂爪连接的超声波换能器之间的连线构成声学时差法测量时所需的换能器对，实现顺逆流传播时间的测量。
进一步地，顶部延伸臂爪所连接的三个超声波换能器形成Janus结构，实现对水中粒子反射信号频率的接收。
进一步地，顶部延伸臂爪连接的超声波换能器与对应的底部延伸臂爪连接的超声波换能器之间的连线与底座平面之间的夹角为45°，同一平面相邻两延伸臂爪之间的夹角为120°。
进一步地，顶部延伸臂爪连接的超声波换能器与对应的底部延伸臂爪连接的超声波换能器之间的连线长度为12cm。
进一步地，所述电子耐压仓内安装有三维罗盘、电池组、倾斜传感器、信号处理电路、发射电路以及接收电路。
进一步地，所述换能器连接杆与连接杆延伸杆固结，且两者都采用采用不锈钢材料。
有益效果：本发明的有益效果如下：
(1)本发明流速测量仪器采用了正四面体式的换能器布局格式，并且换能器的支撑结构简单且占空间小，其能够有效避免测量仪器的扰流现象。再者，本发明流速测量仪器采用6个换能器，组成3个测量声轴，三个声轴能同时工作使其实时性更好。
(2)本发明是可以将声学多普勒频率法和声学时差法的两者测流仪器的换能器布局结合起来，使其既可以实现对多普勒反射频率的接收，又可以实现对时差法顺逆流传播时间的测量。这样就可以借助所测时间频率数据进行水下移动平台下的海流流速及仪器自身运动速度的计算和求解。
(3)本发明结构设计科学合理，简单，使用效果好，具有很好的推广价值，具有巨大的市场经济前景。
附图说明
图1、为本发明6个超声波换能器结构布局示意图；
图2、为本发明测量仪器的外形结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。
海流流速测量仪器的换能器需要具备发射和接收的功能，所以合理的换能器安装结构布局是保证海流计正常工作的前提。
换能器的布局要保证以下几条原则：一是要能够实现三维流速测量；二是要保证安装的布局要采取流线型抗扰流的工艺设计，减小对测流精度的影响；三是要保证换能器结构能够承受一定的压力，保证在使用过程中不会因变形导致数据测量出现问题。
如图1所示，为实现三维流速测量，设计的四面体式三声轴的换能器布局，总共有三对超声波换能器，图中实线代表连接杆，主要起固定换能器的作用，虚线代表声轴，其中A、B、C、D、E、F各代表一个具有收发信号一体功能的超声波换能器，且AB、CD、EF是三个声轴可以实现顺逆流传播时间的测量。同时，A、C、E三个换能器又组成了ADCP海流计常见的Janus结构，实现对水中粒子反射信号频率的接收。同时，因为超声波信号在海水里进行传播时，信号能量会受到流体介质间的热量传导导致超声波信号能量明显降低，且距离越长，能量衰减程度越大，为使得接收信号有足够的强度便于系统处理，且考虑到换能器本身的检测范围限制，最终确定每个声轴的长度为12cm。相邻两个支撑换能器支架之间的角度为120°，每对声轴与底座平面的夹角为45°。
本发明仪器的外形结构示意图如图2所示，包括6个超声波换能器A、B、C、D、E、F。其中超声波换能器AB构成声轴1，超声波换能器CD构成声轴2，超声波换能器EF构成声轴3。其中A、C、E3个超声波换能器由换能器连接杆1顶部的3个延伸臂爪所固定，形成Janus结构，便于实现对海流中存在散射体微粒的反射频率的接收。进一步的，换能器连接杆1底部同样具有3个延伸臂爪6，实现对换能器D、E、F的固定。所述的顶部和底部的3个延伸臂爪是均匀分布且相关对应的。这样，换能器AB、CD、EF又构成了3对声学时差法测量时所需的换能器对，实现顺逆流时的传播时间测量。此外还包括换能器连接杆6、通讯缆接头2、电子耐压仓3部分，换能器连接杆6底部连接有连接杆延伸杆5。
基于时间频率同步原理的海流流速测量仪器的超声波换能器，6个超声波换能器均为收发一体的，既可作为发射装置发射固定频率的超声波信号，又可以作为接收装置接收超声波信号。
如图2所示，首先换能器A、C、E三个换能器发射固定信号频率的超声波脉冲信号，在海流介质中，此信号经过一段时间传播到超声波换能器B、C、D后，测量到A到B、C到D、E到F3个沿着声轴1、2、3的传播时间；
同时在超声波信号传播的过程中，A、C、E三个超声波换能器发射固定信号频率的超声波脉冲信号受到多普勒效应的影响，海水中水中粒子会接受到一个超声波信号频率(这里水中粒子的运动速度相当于海流的运动速度)。同时海水中的粒子以这个的频率进行反射，因为多普勒效应，使得A、C、E三个超声波换能器接收到水中微粒的反射信号频率。
本发明所述电子耐压仓内安装有三维罗盘、电池组、倾斜传感器、信号处理电路以及发射/接收电路等，方便对数据的保存和处理。由电子仓内的硬件电路实现对超声波信号传播时间以及反射频率的测量。
本发明能够将声学多普勒频率法和声学时差法的两者测流仪器的换能器布局结合起来，使其既可以实现对多普勒反射频率的接收，又可以实现对时差法顺逆流传播时间的测量。这样就可以借助所测时间频率数据进行水下移动平台下的海流流速及仪器自身运动速度的计算和求解。
通过以上方面的讲述，使得此发明能够应用于水下移动平台进行测流，扩大了流速测量技术的应用场合。
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 (6)

1.一种基于时间频率同步测量原理的海流流速测量仪器，其特征在于，所述测量仪器包括6个超声波换能器、换能器连接杆、电子耐压仓和通讯缆接头，6个超声波换能器为具有收发信号一体功能的超声波换能器，超声波换能器连接杆顶部和底部分别设置有3个延伸臂爪，底部的延伸臂爪长度要大于顶部延伸臂爪的长度，顶部的3个延伸臂爪和底部的3个延伸臂爪均均匀分布，顶部的延伸臂爪与底部的延伸臂爪相互一一对应的，六个超声波换能器分别通过延伸臂爪与换能器连接杆固定连接，换能器连接杆底部通过连接杆延伸杆与电子耐压仓相连接，电子耐压仓上设置有与通讯缆连接的通讯缆接头，顶部延伸臂爪连接的超声波换能器与对应的底部延伸臂爪连接的超声波换能器之间的连线构成声学时差法测量时所需的换能器对，实现顺逆流传播时间的测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于时间频率同步测量原理的海流流速测量仪器，其特征在于，顶部延伸臂爪所连接的三个超声波换能器形成Janus结构，实现对水中粒子反射信号频率的接收。
3.根据权利要求1所述的一种基于时间频率同步测量原理的海流流速测量仪器，其特征在于，顶部延伸臂爪连接的超声波换能器与对应的底部延伸臂爪连接的超声波换能器之间的连线与底座平面之间的夹角为45°，同一平面相邻两延伸臂爪之间的夹角为120°。
4.根据权利要求1所述的一种基于时间频率同步测量原理的海流流速测量仪器，其特征在于，顶部延伸臂爪连接的超声波换能器与对应的底部延伸臂爪连接的超声波换能器之间的连线长度为12cm。
5.根据权利要求1所述的一种基于时间频率同步测量原理的海流流速测量仪器，其特征在于，所述电子耐压仓内安装有三维罗盘、电池组、倾斜传感器、信号处理电路、发射电路以及接收电路。
6.根据权利要求1所述的一种基于时间频率同步测量原理的海流流速测量仪器，其特征在于，所述换能器连接杆与连接杆延伸杆固结，且两者都采用采用不锈钢材料。
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