CN115236356A - 一种基于时频同步测海流绝对流速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种时频同步测海流绝对流速的测量方法，所述方法采用基于流速测量仪器的换能器A和换能器B，换能器A既可作为发射装置又可以作为接收装置，换能器B仅作为接收装置，测量过程如下:(1)换能器A作为超声波发送器发出频率为f₀的超声波信号；(2)换能器B作为接收装置接收A发送的信号，测量信号从A发射到B接收的传播时间t₁；(3)同时换能器A测得由水中粒子反射回来接收信号的频率f₂，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。

Description

一种基于时频同步测海流绝对流速的方法

技术领域

本发明涉及海流流速测量领域，具体涉及一种时频同步测海流绝对流速的方法。

背景技术

测量海水流速应用比较广泛的仪器是声学海流计，包括多普勒海流计和时差法海流计。声学多普勒法测流依赖于多普勒效应，根据超声波信号在海水中传播时受到水中粒子反射导致频率改变的原理测流；声学时差法测流是根据超声波信号在顺流逆流时传播时间不同，进而存在时间差的原理测流速，测量精度与多普勒海流计相当。水下移动测流要实现海流绝对速度的测量，需要知道水下移动平台的速度，通常要借助其他仪器来测得，以上两种原理的海流计应用于水下移动平台上时通常结合DVL(底追踪技术)、GPS等仪器来求得移动平台的运动速度，从而进一步实现海流绝对速度的测量。这就给海流测量带来不同仪器同步工作的问题，且DVL在进行测量时，由于换能器的能量有限，使得发出的声波会有一定的射程范围，如果DVL距离海底的距离过大，就会造成测速不准甚至无法测速的情况。此外，当普通海流计应用于水下移动平台进行海流等观测任务时，仅仅能够测得海流的相对流速，无法获得海流的绝对流速。为解决这个问题，一般采取的方式是借助其他仪器，如GPS\DVL等仪器或技术测得水下移动平台的运动速度，从而获得海流的绝对流速。但这类方式存在缺陷，需要借助多种仪器的协同配合才能实现，此外还受到一定的范围限制，像GPS在深海领域无信号等问题，还要考虑到仪器功耗问题，水下移动平台搭载多种仪器功耗太大，不利于长时间的航行。基于此，本发明提出一种时频同步测海流绝对流速的方法，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

为了解决上述问题，本发明提出一种时频同步测海流绝对流速的方法，本发明的方法解决了水下移动平台测流需要借助其他仪器来测得移动平台速度，进而测海水绝对流速的问题。

一种时频同步测海流绝对流速的测量方法，所述测量方法需要基于流程测量仪器的换能器A和换能器B两个换能器，所述换能器A既可作为发射装置又可以作为接收装置，所述换能器B仅作为接收装置；

所述测量方法包括以下步骤：

步骤1、换能器A作为超声波发送器发出频率为f₀的超声波信号；

步骤2、换能器B作为超声波接收装置接收换能器A发送的超声波信号，测量超声波信号从换能器A发射到换能器B并被换能器B接收的传播时间t₁；

步骤3、换能器A测得由水中粒子作为声源反射回来接收信号的频率f₂；

步骤4、推算出海流相对流速V及水下运动载体运动速度V_S沿着声轴方向的计算公式；

步骤5、推算得出沿声轴的海流绝对流速V_a。

进一步地，所述传播时间t₁和接收信号的频率f₂的计算公式为：

式中：L为换能器A与换能器B之间的声轴距离；

C为海水中超声波传播速度；

V为海流相对流速；

V_S水下运动载体的运动速度为；

f₀为换能器A发出的超声波频率。

进一步地，所述步骤4中，海流相对流速V及水下运动载体运动速度V_S沿着声轴方向分量的计算公式为：

进一步地，所述步骤5中，沿声轴的海流绝对流速V_a计算公式为：

当海流流向与水下运动载体的运动方向一致时：

V_a＝V+V_S

当海流流向与水下运动载体的运动方向相反时：

V_a＝V-V_S。

进一步地，所述换能器A和换能器B均搭载在声学海流计上。

从时差法测流和多普勒测流原理公式上出发，虽然两者单独应用于水下移动平台测流时无法获得仪器运动速度，但是两者都包含仪器运动速度这个未知量，且是在时间频率两个不同维度进行描述的，因此如果仪器能够同时测得超声波的传播时间和发射后的超声波频率，即可得到水流速度和仪器的运动速度。

时频同步原理的海流计需要同时兼顾两者的特点，既要实现对海水中微小颗粒反射信号的接收，又要实现对超声波信号在两个换能器对之间传播时间的测量。因此海流计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。

有益效果：本发明解决了水下移动平台测流需要借助其他仪器来测得移动平台速度，进而测海水绝对流速的问题，解决了不同仪器使用导致的时间难以同步的问题。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，此外，本发明结合高精度的时间频率测量电路可以精确测量传播时间和接收信号的频率，原理简单，易于实现。本发明方法解决了水下移动平台测流需要借助其他仪器测量移动平台运动速度的问题，扩大了流速测量技术的应用场合。

附图说明

图1、时频同步测流示意图。

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。

本发明所采用的技术方案是：基于流速测量仪器的换能器A和换能器B，换能器A既可作为发射装置又可以作为接收装置，换能器B仅作为接收装置。A、B两个换能器之间的声轴距离为L，海水中超声波传播速度为C，海流相对流速为V，水下运动载体平台的运动速度为V_S，t₁为换能器A发射超声波到换能器B接收到超声波信号的传播时间，换能器A发出的超声波频率为f₀,换能器A接收到水中粒子3作为声源反射回来接收信号的频率为f₂，V_a为最终求解的海流绝对流速。

如图1所示，换能器A发射信号频率为f₀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换能器B后，测量到A到B的传播时间；同时在超声波信号传播的过程中，受到多普勒效应的影响，海水中水中粒子接受到的信号频率为f₁(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f₁的频率进行反射，因为多普勒效应，换能器A接收水中微粒的反射信号频率为f₂。

测量过程如下:(1)换能器A作为超声波发送器发出频率为f₀的超声波信号；(2)换能器B作为接收装置接收A发送的信号，测量信号从A发射到B接收的传播时间t₁；(3)同时换能器A测得由水中粒子作为声源反射回来接收信号的频率f₂，则：

推得海流相对流速V及载体运动速度V_s沿着声轴方向分量的公式：

最终推得沿声轴的海流绝对流速：

V_a＝V±V_S

当海流流向与水下运动载体的运动方向一致时：

V_a＝V+V_S

当海流流向与水下运动载体的运动方向相反时：

V_a＝V-V_S。

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 (5)

1.一种时频同步测海流绝对流速的测量方法，其特征在于，所述测量方法需要基于流程测量仪器的换能器A和换能器B两个换能器，所述换能器A既可作为发射装置又可以作为接收装置，所述换能器B仅作为接收装置；

所述测量方法包括以下步骤：

步骤1、换能器A作为超声波发送器发出频率为f₀的超声波信号；

步骤2、换能器B作为超声波接收装置接收换能器A发送的超声波信号，测量超声波信号从换能器A发射到换能器B并被换能器B接收的传播时间t₁；

步骤3、换能器A测得由水中粒子作为声源反射回来接收信号的频率f₂；

步骤4、推算出海流相对流速V及水下运动载体运动速度V_S沿着声轴方向的计算公式；

步骤5、推算得出沿声轴的海流绝对流速V_a。

2.根据权利要求1所述的一种时频同步测海流绝对流速的测量方法，其特征在于：所述传播时间t₁和接收信号的频率f₂的计算公式为：

式中：L为换能器A与换能器B之间的声轴距离；

C为海水中超声波传播速度；

V为海流相对流速；

V_S水下运动载体的运动速度为；

f₀为换能器A发出的超声波频率。

3.根据权利要求2所述的一种时频同步测海流绝对流速的测量方法，其特征在于：所述步骤4中，海流相对流速V及水下运动载体运动速度V_s沿着声轴方向分量的计算公式为：

4.根据权利要求2所述的一种时频同步测海流绝对流速的测量方法，其特征在于：所述步骤5中，沿声轴的海流绝对流速V_a计算公式为：

当海流流向与水下运动载体的运动方向一致时：

V_a＝V+V_S

当海流流向与水下运动载体的运动方向相反时：

V_a＝V-V_S。

5.根据权利要求2所述的一种时频同步测海流绝对流速的测量方法，其特征在于：所述换能器A和换能器B均搭载在声学海流计上。

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