CN115290175A - 一种海水声速测量装置、方法以及海洋测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于海洋水声探测领域，提供了一种海水声速测量装置、方法以及海洋测距系统，海水声速测量装置包括：第一脉冲发射模块，用于发出第一脉冲光；测量单元，测量单元可将第一脉冲光分束为测量脉冲光和参考脉冲光，且测量脉冲光与参考脉冲光具有用于对待测水域的声波进行探测的平行段；第二脉冲发射模块，用于发出第二脉冲光，第二脉冲光和第一脉冲光在脉冲序列上存在重复频率差；第一接收单元，用于接收干涉信号；第二接收单元，用于接收声光衍射信号；声速确定模块，用于对第一干涉信号、第二干涉信号、第一声光信号、第二声光信号、重复频率差进行处理以确定海水水域声速，从而辅助实现后续对标的距离的测量，提高目标测距准确性。

Description

一种海水声速测量装置、方法以及海洋测距系统

技术领域

本发明属于海洋水声探测领域，尤其涉及一种海水声速测量装置、方法以及海洋测距系统。

背景技术

声波测距的原理是指通过测量声波在介质中传播的时间和声波的传输速度计算可得到距离。水声声速一般是指声波在水下的传播速度，而海水声速，则为声波在海水中传播的速度。水声声速或海水声速作为人们认识海洋、了解海洋的重要指标参数，在海洋探测技术的飞速发展中承担着重要的作用，如对水下目标探测、水下定位、水下导航以及水下精细化地形地貌测量等，这些均需要高精度的水下声速作为测量基础。

对于海水声速来说，其测量可分为间接测量与直接测量法。间接测量声速一般是指通过测量海水的温度、盐度和深度（即压力）等参数建立数学模型，进而总结为经验公式计算出海水声速，然而，在应用间接法计算声速时，人们需先通过传感器获得温盐深等参数，同时针对不同水域环境下，其经验公式也有一定的不同，这会导致在代入经验公式时产生一定的误差，且间接声速测量的溯源性差、精度不高。因此，需要提供一种溯源性好且精度高的声速测量方法。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种海水声速测量装置，旨在解决海水声速测量溯源性差、精度不高的问题，目的在于实现高精度、高采样率以及可溯源的实时海水声速测量，进而提高海洋水声探测、海洋声波测距应用中声波测距工作的准确性。

本发明实施例是这样实现的，一种海水声速测量装置，所述海水声速测量装置包括：

第一脉冲发射模块，所述第一脉冲发射模块用于发出第一脉冲光；

测量单元，所述测量单元所包含的元器件被设置为：可将所述第一脉冲光分束为测量脉冲光和参考脉冲光，且所述测量脉冲光与所述参考脉冲光具有用于对待测水域的声波进行探测的平行段；

第二脉冲发射模块，用于发出第二脉冲光，所述第二脉冲光和所述第一脉冲光的脉冲序列被设置为存在重复频率差；

第一接收单元，所述第一接收单元用于接收所述测量脉冲光与所述第二脉冲光，并获得两者干涉形成的第一干涉信号，以及接收所述参考脉冲光与所述第二脉冲光，并获得两者干涉形成的第二干涉信号；

第二接收单元，所述第二接收单元用于接收测量脉冲光受待测声波的作用而形成的第一声光信号，以及参考脉冲光受待测声波的作用而形成的第二声光信号；以及

声速确定模块，通过预设声速计算模型对第一干涉信号、第二干涉信号、第一声光信号、第二声光信号以及重复频率差进行处理，以确定海水水域声速。

本发明实施例的另一目的在于提供一种海水声速测量方法，所述海水声速测量方法应用于上述任一项所述的海水声速测量装置中，

获取第一干涉信号和第二干涉信号，所述第一干涉信号和第二干涉信号为所述海水声速测量装置获得的第一干涉信号和第二干涉信号；

获取重复频率差，所述重复频率差为所述海水声速测量装置中第二脉冲光和第一脉冲光的脉冲序列被设置为存在的重复频率差；

根据第一干涉信号、第二干涉信号以及重复频率差确定待测声波的飞行距离；

获取第一声光信号、第二声光信号，所述第一声光信号、所述第二声光信号为所述海水声速测量装置获得的第一声光信号、第二声光信号；

根据第一声光信号、第二声光信号确定待测声波的飞行时间；

将所述飞行距离和所述飞行时间做比值，获得海水声速。

本发明实施例的另一目的在于提供一种海洋测距系统，所述海洋测距系统包括声波收发装置、中心处理装置以及包括上述任一项所述的海水声速测量装置，

所述海水声速测量装置，用于测算水域的声速；

所述声波收发装置，用于向待测水域中的待测目标发出测距超声波、接收所述测距超声波反射回波，并确定超声波往返时间；

所述中心处理装置，根据所述超声波往返时间和所述待测水域声速，确定待测目标距离。

本发明实施例提供的一种海水声速测量装置，通过测量单元的设置将第一脉冲发射模块发出的第一脉冲光分束为测量脉冲光和参考脉冲光，且使测量脉冲光与所述参考脉冲光具有用于对待测水域的声波进行探测的平行段，设置了在脉冲序列上与第一脉冲发射模块具有重复频率差的第二脉冲发射模块，通过第一接收单元获得第一干涉信号，以及第二干涉信号；当声波经过平行段时，通过第二接收单元接收到第一声光信号，以及第二声光信号，从而使得声速确定模块通过预设声速计算模型对第一干涉信号、第二干涉信号、第一声光信号、第二声光信号以及重复频率差进行处理，即可确定海水水域声速，方便计算，利用声光衍射效应实现声波探测，实现了高精度、高采样率以及可溯源的实时海水声速测量，进而提高海洋水声探测、海洋声波测距应用中声波测距工作的准确性。

附图说明

图1为本申请一个实施例提供的海水声速测量装置中的内部结构图；

图2为本申请一个实施例提供的通过平衡探测器接收的干涉条纹图；

图3为本申请一个实施例提供的第一干涉条纹或第二干涉条纹的局部展开图；

图4为本申请一个实施例中声探头发出的线性调频信号图；

图5为本申请一个实施例通过光电探测器采集到的第一声光信号（左）或第二声光信号（右）；

图6为本申请一个实施例提供的测量脉冲光、第二脉冲光以及第一干涉光的采样信号图；

附图中：1、铷钟；2、第一脉冲发射模块；3、第二脉冲发射模块；4、第一准直器；5、第二准直器；6、第一分束装置；7、第一反射镜；8、第二反射镜；9、第二分束装置；10、第三分束镜；11、第三反射镜；12、第四反射镜；13、光电探测器；14、平衡探测器；15、声探头；16、待测水域；M1、第一脉冲光；M2、第二脉冲光；M26、第一脉冲光光段；M78、测量平行段；M69、参考平行段；M67、第一分束装置6和第一反射镜7之间的测量脉冲光光段；M89、第二反射镜8和第二分束装置9之间测量脉冲光光段。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件、构件或元素，但除非特别说明，这些元件、构件或元素不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件、构件或元素与另一个元件、构件或元素区分。

以下结合具体实施例对本申请的具体实现进行详细描述。

如图1所示，为本申请实施例提供的海水声速测量装置的内部结构图，包括第一脉冲发射模块2，所述第一脉冲发射模块2用于发出第一脉冲光；

测量单元，所述测量单元所包含的元器件被设置为：可将所述第一脉冲光分束为测量脉冲光和参考脉冲光，且所述测量脉冲光与所述参考脉冲光具有用于对待测水域16的声波进行探测的平行段；

第二脉冲发射模块3，用于发出第二脉冲光，所述第二脉冲光和所述第一脉冲光的脉冲序列被设置为存在重复频率差；

第一接收单元，所述第一接收单元用于接收所述测量脉冲光与所述第二脉冲光，并获得两者干涉形成的第一干涉信号，以及接收所述参考脉冲光与所述第二脉冲光，并获得两者干涉形成的第二干涉信号；

第二接收单元，所述第二接收单元用于接收测量脉冲光受待测声波的作用而形成的第一声光信号，以及参考脉冲光受待测声波的作用而形成的第二声光信号；以及

声速确定模块，通过预设声速计算模型对第一干涉信号、第二干涉信号、第一声光信号、第二声光信号以及重复频率差进行处理，以确定海水水域声速。

在本申请实施例中，海水水域声速为声波在海水待测水域中传播的速度。第一脉冲发射模块2为发出第一脉冲光的光源结构或装置，第二脉冲发射模块3为发出第二脉冲光的光源结构或装置；对第一脉冲发射模块2和第二脉冲发射模块3的选择不做限制，例如，第一脉冲发射模块2和第二脉冲发射模块3是飞秒光频梳，第一脉冲发射模块2可以包括信号脉冲激光器SL，其中，作为示例，信号脉冲激光器2的型号可以为：Menlo System-515；第二脉冲发射模块3可以包括本振脉冲激光器LO，其中，作为示例，本振脉冲激光器3的型号可以为：Menlo System-515；优选地，选择的第一脉冲发射模块2和第二脉冲发射模块3之间具有微小重频差，以满足第一脉冲光和第二脉冲光在脉冲序列上存在重复频率差。对于第一脉冲发射模块2和第二脉冲发射模块3的设置位置不做限定，优选地，将第一脉冲发射模块2和第二脉冲发射模块3良好锁定至原子钟或铷钟1上，其中，作为示例，铷钟1的型号可以为：Microsemi 8040，以保证光学频率梳的频率和相位稳定性。第二接收单元为接收声光衍射信号的结构或装置，对于第二接收单元的选择不做限制，例如，第二接收单元可以是光电探测器13，作为示例，光电探测器13的型号为：Thorlabs，APD430A；声速确定模块能够通过预设声速计算模型对第一干涉信号、第二干涉信号、第一声光信号、第二声光信号以及重复频率差进行处理，以确定海水水域声速的结构或装置，例如声速确定模块可以是处理装置或计算机。

在本申请中，如图1中，第一脉冲光为从第一脉冲发射模块发出到测量单元之间的光段，在此记作M1；第二脉冲光为从第二脉冲发射模块到第一接收单元之间的光段，在此记作M2。测量脉冲光和参考脉冲光为用于对声波进行测量的光段，其中，测量脉冲光光段中有与参考脉冲光光段平行的光段，测量脉冲光光段中与参考脉冲光光段中相互平行的平行段用于对待测水域声波进行探测。第一干涉信号为测量脉冲光与第二脉冲光干涉形成的干涉信号，该干涉信号可以是干涉光；第二干涉信号为参考脉冲光与第二脉冲光干涉形成的干涉信号，该干涉信号可以是干涉光。第一声光信号为测量脉冲光受待测声波作用而形成的声光衍射信号，第二声光信号为参考脉冲光受待测声波作用而形成的声光衍射信号。

在本申请的一个实施例中，通过测量单元的设置将第一脉冲发射模块2发出的第一脉冲光分束为测量脉冲光和参考脉冲光，且使测量脉冲光与所述参考脉冲光具有用于对待测水域16的声波进行探测的平行段，设置了在脉冲序列上与第一脉冲发射模块2具有重复频率差的第二脉冲发射模块3，通过第一接收单元获得第一干涉信号以及第二干涉信号；当声波经过平行段时，通过第二接收单元接收到第一声光信号以及第二声光信号，从而使得声速确定模块通过预设声速计算模型对第一干涉信号、第二干涉信号、第一声光信号、第二声光信号以及重复频率差进行处理，即可确定海水水域声速，方便计算，且利用声光衍射效应实现声波探测，同时将第一脉冲发射模块2和第二脉冲发射模块3良好锁定至原子钟铷钟1上，以保证光学频率梳的频率和相位稳定性。基于飞秒光频梳的高精度高采样率对海水声速进行测量，在保证海水实时探测精度的同时，以其高采样率（一般可达到上kHz的采样率）可满足水下声剖测量的基本要求。同时，光学频率梳的各频率成分可精确锁定至时钟源，使其频率稳定性达到10^-12以上的量级，这同时表现出光频梳具有量传溯源的特性。因此，应用双光梳完成高精度高采样率的声速测量，可在保证声速溯源特性的同时，实现海水声速的高精度高采样率测量。本实施例以具有微小重频差的两台飞秒光频梳作为光源，探测时，光频梳可稳定的锁定至原子钟上。这不仅可以保证探测的测量精度，同时，为声速测量的溯源性提供了参考基准；以声光衍射效应作为探测手段，实现能够高精度、高采样率、可溯源的实时海水声速测量。本实施例在应用光学频率梳的基础之上，借助双光梳无机械移动部件的光学采样原理实现了kHz以上的采样率，保证了声速实时探测和高精度测量；同时，为声速剖面仪的实时测量奠定了良好基础。

作为本申请的一种优选实施例，所述测量单元包括：

第一分束装置6，所述第一分束装置6用于将所述第一脉冲光分束为测量脉冲光和参考脉冲光；

第一反射镜7和第二反射镜8，所述第一反射镜7和所述第二反射镜8用于构造所述测量脉冲光的光路，且第一反射镜7和所述第二反射镜8之间的测量脉冲光光段与所述参考脉冲光平行；

第二分束装置9，用于接收经第一分束装置6产生的参考脉冲光，以及经第二反射镜8反射出的测量脉冲光；

所述测量脉冲光经所述第二分束装置后分为第一测距光束和第一测时光束，所述第一测距光束发射到第一接收单元，所述第一测时光束发射到第二接收单元；所述参考脉冲光经所述第二分束装置后分为第二测距光束和第二测时光束，所述第二测距光束发射到第一接收单元，所述第二测时光束发射到第二接收单元。

在本实施例中，第一分束装置为能够对第一脉冲光进行分束的装置，对第一分束装置6的选择不做限制，例如，第一分束装置6可以是分束镜，作为示例，该分束镜的型号可以为Thorlabs，BS013；第二分束装置9为能够对测量脉冲光和参考脉冲光进行分束的装置，对于第二分束装置9为能够对的选择不做限制，例如，第二分束装置9可以是分束镜，作为示例，该分束镜的型号可以为Thorlabs，BS013；如图1中，在第一反射镜7和第二反射镜8构造的测量脉冲光的光路中；第一反射镜7和第二反射镜8均为反射镜，作为示例，其型号均可以为Thorlabs，BB1-E02；在本申请中，对于第一反射镜7和第二反射镜8的设置先后位置不做限制，例如，第一反射镜7设置在第一分束装置后，经第一分束装置形成的测量脉冲光依次经过第一反射镜7、第二反射镜8后发射到第二分束装置9。如图1中，经第一分束装置6产生的参考脉冲光直接向第二分束装置9发射。如图1中，第一脉冲光的光段为第一脉冲发射模块2和第一分束装置6之间的光段，在此记作M26。

在本实施例中，如图1中，第一反射镜7和所述第二反射镜8之间的测量脉冲光光段M78（以下称为测量平行段M78，如图1中为第一反射镜7和第二反射镜8之间的光段）与参考脉冲光中的光段M69（如图1中为第一分束装置6和第二分束装置9之间的光段，以下称参考平行段M69）平行，测量平行段M78与参考平行段M69的距离为声波的待测飞行距离。第一测距光束为测量脉冲光经第二分束装置9分束后入射到第一接收单元之间的光束，第二测距光束为参考脉冲光经第二分束装置9分束后到第一接收单元之间的光束。第一测时光束为测量脉冲光经第二分束装置9分束后入射到第二接收单元之间的光束，第二测时光束为参考脉冲光经第二分束装置9分束后入射到第二接收单元之间的光束。

在本申请的一个实施例中，通过第一接收单元接收第一测距光束、第二测距光束，第一测距光束与第二脉冲光干涉形成第一干涉信号，第二测距光束与第二脉冲光形成第二干涉信号，通过第一接收单元获取第一干涉信号、第二干涉信号，并将第一干涉信号、第二干涉信号传输到声速确定模块；声波经过测量平行段M78产生第一声光信号，声波经过参考平行段M69产生第二声光信号，第二接收单元接收第一声光信号、第二声光信号，并将第一声光信号、第二声光信号传输到声速确定模块，声速确定模块根据预设的重复频率差、以及接收到的第一干涉信号、第二干涉信号、第一声光信号、第二声光信号确定声波在海水水域中的声速。

作为本申请的一种优选实施例，所述第一分束装置6和所述第一反射镜7之间的测量脉冲光光段与所述第二反射镜8和所述第二分束装置9之间的测量脉冲光光段平行；

所述第一分束装置6和所述第一反射镜7之间的测量脉冲光光段与所述参考脉冲光垂直。

在本实施例中，如图1所示，在第一脉冲发射模块2和第一分束装置6之间设置了第一准直器4，作为示例，第一准直器4的型号可以为：Thorlabs，F110APC-532。在搭建测量脉冲光光路与参考脉冲光光路时，需要保证第一反射镜7和第二反射镜8之间的测量脉冲光光段与第一分束装置6和第二分束装置9之间的参考脉冲光光段平行且等高，即测量平行段M78与参考平行段M69平行且等高。在对海水声速测量装置中的器件进行布置后，在调试时，需要在光经过每个器件后都进行严格的调整，如在第一脉冲光经过第一分束装置6后的参考脉冲光，在其近处放置一靶标，并调整靶标高度，使光能通过中心部位的小孔；而后，将靶标放置于尽量远的位置处，看光是否还能完美的从靶标中心通过。若能通过，则表示光已经呈等高状态；若不能，则表示不呈现等高状态，需通过调节第一分束装置6中的俯仰偏摆来调节光路的高度，使其呈等高状态。而后，在光路呈现等高状态以后，对光路进行准直性调节：将靶标固定于高精度线性位移台上，并将位移台固定于光学气浮平台上。首先，在近处，脉冲光可从靶标中心通过，而后移动线性位移台，将靶标移动至远处。这时，如果光还能从靶标中心通过，则表示其具有良好的准直性。若未能通过，则需要调节第一分束装置6中的偏摆角来调节其左右角度，使光从靶标中心通过，完成准直性的调节。同理，对于测量脉冲光来说，其也需要逐步进行等高，准直性的调节。

在本实施例中，第一分束装置6和第一反射镜7之间的测量脉冲光光段记作M67，第二反射镜8和第二分束装置9之间测量脉冲光光段记作M89，即M67平行于M89。第一分束装置6和第一反射镜7之间的测量脉冲光光段M67与M69垂直。

在本申请的一个实施例中，第一脉冲发射模块2经过第一准直器4发射出一系列准直、等高的第一脉冲光，在经过第一分束装置6后，分为测量脉冲光和参考脉冲光；测量脉冲光依次第一反射镜7、第二反射镜8入射到第二分束装置9中后：第一测距光束入射到第一接收单元，和第一测时光束入射到第二接收单元；经第一分束装置6产生的参考脉冲光入射到第二分束装置9中后：第二测距光束入射到第一接收单元，和第二测时光束入射到第二接收单元。通过对光路进行等高、准直性的调节，可保证声波在经过测量平行段和参考平行段时，声波传播的距离与测量平行段和参考平行段光之间的距离严格相等，以保证计算的准确性和精度。

本申请的一种优选实施例，第一接收单元包括第三分束镜10，所述第三分束镜10用于接收第一测距光束、第二测距光束以及第二脉冲光，所述第三分束镜10用于实现第一测距光束和第二脉冲光进行干涉形成第一干涉光，以及实现第二测距光束和第二脉冲光进行干涉形成第二干涉光；

平衡探测器14，用于接收所述第一干涉光和所述第二干涉光；

第三反射镜11，用于使所述第一干涉光和所述第二干涉光形成平衡探测器14接收所述第一干涉光和所述第二干涉光所需要的两路光路。

平衡探测器是光电探测器的一种，作为示例，平衡探测器14的型号可以为：Thorlabs，PDB230A。

在本实施例中，第三分束镜10为分束镜，作为示例，该分束镜的型号可以为Thorlabs，BS013；两束光在第三分束镜10这里进行合束干涉，其中主要的作用与原因是因为测量脉冲光路与参考脉冲的光路所携带的距离信息不同，同时，由于第一脉冲发射模块2所发射脉冲的重复频率固定，因此，参考脉冲光与测量脉冲光在第二分束装置9处无法形成干涉。当参考脉冲光或测量脉冲光直接打入到光电探测器或平衡探测器中，因为光电探测器的响应时间和有限电带宽限制，使其检测分辨率仅为ps量级，因此只能测量mm量级的距离。然而此毫米量级误差对于高精度测量来说，误差太大，因此需要借助第三分束镜10对第一测距光束、第二测距光束分别和第二脉冲光进行合束和干涉，从而形成干涉信号，使其精度达到微米及纳米量级。

在本实施例中，第一干涉光为第一干涉信号，第二干涉光为第二干涉信号。如图1，还设置了第四反射镜12，第四反射镜12用于构造第二脉冲光的光路，使第二脉冲光入射到第三分束镜10。在第二脉冲发射模块3和第四反射镜12之间还设置了第二准直器5，第二准直器5与第一准直器4的型号相同；第二脉冲发射模块3发射的第二脉冲光依次第二准直器5、第四反射镜12入射到第三分束镜10。第一测距光束和第二脉冲光入射到第三分束镜10进行合束与干涉，形成第一干涉光；第二测距光束和第二脉冲光入射到第三分束镜10进行合束与干涉，形成第二干涉光。平衡探测器在探测时需要两路通道，即需要两个光电转换的二极管，目的是为了一路直接接收，另一路加入延迟线，调整其相位反偏。而后，后端加入差分放大器，放大差模信号，从而抑制共模信号。通过此方法，将平衡探测器中的两路信号进行相加后，噪声相抵，大幅度放大输出信号，从而完成对有用信号的探测和能量提高。如图1，第一干涉光和第二干涉光经第三分束镜10分别分束成两路光，一路光直接入射到平衡探测器14中，另一路光经第三反射镜11后入射到平衡探测器14中，后可以通过示波器采集干涉条纹。本申请以平衡探测器接收第一干涉光和第二干涉光，应用平衡探测器可使噪声减小，使探测器的灵敏度得到提高。

在本申请的一个实施例中，通过平衡探测器14接收第一干涉光和第二干涉光，入射到平衡探测器14中第一干涉光或第二干涉光的两路信号相加后，噪声相抵，大幅度放大输出信号，从而完成对有用信号的探测和能量提高，应用平衡探测器14可使噪声减小，探测接收光信号的灵敏度更高，有利于提高计算声速的准确性。

作为本申请的一种优选实施例，如图1所示，所述海水声速测量装置还包括：待测声波声源；

所述待测声波声源设置在所述第一反射镜7和所述第二反射镜8之间的光路远离所述参考脉冲光的一侧；所述待测声波声源的声波输出方向与参考脉冲光垂直且共面。

待测声波声源为用于发出用于测量海水声速的待测声波的声源的结构或装置，在本实施例中，待测声波声源包括声探头15，作为示例，声探头15的型号为：HPCTB-510-75-2。待测声波声源设置在所述第一反射镜7和所述第二反射镜8之间的光路远离所述参考脉冲光的一侧，对待测声波声源的设置位置不做限制，例如，待测声波声源到第一反射镜7的距离和待测声波声源到第二反射镜8的距离可以相等。对待测声波声源发出用于进行声速测量的声波信号不做限制，优选的，对声波信号进行线性调频（LFM）编码，是因为水下环境相较于空气中更为复杂和不稳定，因此我们选择了这种LFM编码技术，目的是为了获得更高信噪比的信号，进而有利于后续计算得到准确的海水声速。而后由声探头15发射该声波信号,使用声探头发射线性调频（LFM）信号，这样是为了保证声波具有良好的抗干扰能力，以便更好地在探测过程中获得信噪比较高的信号，从而得到高精度的海水声速。

在本申请的一个实施例中，第二接收模块可以是光电探测器13，光电探测器是能把光信号转换为电信号的器件。当发射的声波LFM信号通过测量脉冲光中的测量平行段，由于超声波通过光波会产生声光衍射效应，从而调制测量脉冲光形成第一声光信号，第一声光信号入射到光电探测器13中；而后，声波LFM信号继续向前传播到参考平行段，从而调制参考脉冲光，形成第二声光信号，第二声光信号入射到光电探测器13中。在本实施例中，使用光波来接收超声波，是因为光具有较高的灵敏特性，其可将声信号的信息完整记录，而且相较于传统的压电效应来说，声光衍射效应具有更好地时间分辨率和更优秀的测量特性。如图4和图5所示，其中图4为声探头15发射的线性调频信号，图5为光电探测器13通过声光衍射效应采集到的信号。本实施例使用的超声波信号为线性调频信号，这不仅可以防止在探测过程中与其他信号发生混叠，而且其优良的信号特性使其具有良好的信噪比和优秀的探测分辨力，从而保证测量的精确度，即通过借助线性调频的脉冲压缩技术，进一步提高飞行时间测量方法的时间分辨率，保证海水声速的测量精度。本实施例使用声光衍射效应去接收超声波，这相较于压电效应来说，具有更好地时间分辨率和更优秀的测量特性。本申请为海水声速测量提供了一种新的思路和探测手段。其在保证高精度测量的同时，又提供了较高的采样率，这对以后仪器的集成以及声剖的实时探测具有极大的应用前景。

作为本申请的一种优选实施例，声速确定模块还包括第一波形处理单元，所述第一波形处理单元用于获取平衡探测器14采集的第一干涉光的第一干涉条纹、第二干涉光的第二干涉条纹，以及根据所述第一干涉条纹、所述第二干涉条纹确定第一干涉条纹峰值、第二干涉条纹峰值对应的第一时间值、第二时间值，以及确定第一时间值和第二时间值的测距时间间隔τ；

声速确定模块还包括第二波形处理单元，所述第二波形处理单元用于接收获取第一声光信号、第二声光信号对应的第一衍射条纹、第二衍射条纹，以及根据第一衍射条纹和第二衍射条纹确定第一衍射条纹峰值、第二衍射条纹峰值对应的第一测时值、第二测时值，以及确定第一测时值和第二测时值的测时时间间隔T。

在本实施例中，声速确定模块可以是计算机、处理设备等装置。第一干涉条纹为第一干涉光的干涉条纹；第二干涉条纹为第二干涉光的干涉条纹。第一时间值为第一干涉条纹峰值对应的时间值，第二时间值为第二干涉条纹峰值对应的时间值。第一衍射条纹为第一声光信号对应的声光衍射条纹，第二衍射条纹为第二声光信号对应的声光衍射条纹。第一测时值为第一衍射条纹峰值对应的时间值，第二测时值为第二衍射条纹峰值对应的时间值。

在本实施例中，如图2到图3中，图2为通过平衡探测器14采集到的第一干涉条纹和第二干涉条纹，图3为第一干涉条纹或第二干涉条纹的局部展开图；第一波形处理单元获取第一干涉条纹、第二干涉条纹后，通过以下步骤对第一干涉条纹、第二干涉条纹进行处理确定时间间隔τ：首先，分别对第一干涉条纹、第二干涉条纹通过希尔伯特变换，可以得到第一干涉条纹的峰值对应的时间值t _mea 、第二干涉条纹的峰值对应的时间值t _ref ；其次，则时间间隔τ =t _mea -t _ref 。在发射声信号时，对声信号进行了线性调频（LFM）的编码，而后，在通过光电探测器接收后，也会接收到类似于LFM的信号（这里用类似一词是因为，在传播过程中，可能由于环境等影响因素，使信号有一定的失真情况，所以采用类似一词，若无失真情况等，采集到的信号与发射信号应一致）。然后第二波形处理单元获取第一衍射条纹和第二衍射条纹，分别对第一衍射条纹和第二衍射条纹通过匹配滤波算法处理，确定第一测时值和第二测时值，其中，测时时间间隔T=第二测时时值减去第一测时值。由于线性调频信号具有良好的相干性和抗干扰能力，因此在经过匹配滤波后可得到高分辨率的测时时间间隔T，从而提高后续海水声速的准确性。

在本申请的一个实施例中，通过第一波形处理单元确定第一干涉条纹峰值、第二干涉条纹峰值对应的第一时间值、第二时间值的测距时间间隔τ；通过第二波形处理单元确定测时时间间隔T，可以避免由于探测环境影响以及其他影响因素会导致直接读取光电探测器13或平衡探测器14中光波条纹峰值时，结果不准确而影响探测结果，从而提高后续声速确定的准确性。

作为本申请的一种优选实施例，所述预设声速计算模型包括距离确定模型以及声速确定模型。

所述距离确定模型用于确定测量距离L，所述距离确定模型的计算公式如下：

，其中，n _w 为水下群折射率，c为真空中光速，f _r 为第一脉冲发射模块2的重复频率，Δf _r 为第二脉冲光和所述第一脉冲光的重复频率差；

声速确定模型，用于根据飞行距离和飞行时间确定海水声速V，所述声速确定模型的计算公式如下：

。

在本实施例中，以测量脉冲光的采样过程为例，两台具有一定重复频率差的脉冲激光器，其重复频率可分别表示为f _r 和f _r +Δf _r 。其中，第一脉冲发射模块2包括重复频率为f _r 的信号脉冲激光器，第二脉冲发射模块3包括重复频率为f _r +Δf _r 的激光器为本振脉冲激光器，或者fr为第一脉冲发射模块2的重复频率，f _r +Δf _r 为第二脉冲发射模块3的重复频率，即Δf _r 为第二脉冲光和所述第一脉冲光的重复频率差。假设某时刻两序列的脉冲相对位置如图6所示：图6中（A）为第一脉冲发射模块2的第一测量脉冲的采样信号，图6中（B）为第二脉冲发射模块3的采样信号，图6中（C）为平衡探测器14接收的第一干涉光的采样信号。本振脉冲激光器每隔一个脉冲周期1/(f _r +Δf _r )就会对测量脉冲进行一次采样，并通过探测器产生一个采样点，因此采样点之间的间隔为1/(f _r +Δf _r )。同时，由于两个脉冲序列之间存在重复频率差，因此，第二脉冲光每过一个周期就会相对测量脉冲光产生一个时间位移ΔT _r ：

ΔT _r 相当于时间采样分辨率，同时，由于重频差Δf _r 远小于f _r 。因此，ΔT _r 可约等于Δf _r /f _r ² 。在经过1/Δf _r 时间的测量后，我们可以看到，完成一个周期的测量，即完成对测量脉冲的一次完整扫描，同时，我们在平衡探测器14上获得与测量脉冲形状一样的信号。同理，参考脉冲信号也是同样的原理获得。

根据如图6所示的光学采样原理图，测量脉冲光（或参考脉冲光）进行一次完整的光学扫描，其周期为ΔT=1/Δf _r 。这相当于在采样时，将原来的测量脉冲时间（或参考脉冲时间）T _r 给拉长了N倍，从而形成一个等效展宽。其中，T _r =1/f _r ，且N可表示为：

在进行实际距离的计算时，由于线性光学采样对原有的测量时间进行了一个N倍的等效展宽。因此，我们需要除以展宽因子N，进而求得待测距离L：

。

在本申请的一个实施例中，在声速测量过程中，我们可将其分为距离测量和时间测量。在距离L的高精度测量中，依据双光梳干涉测量原理，借助频率梳的高重频稳定性和可溯源性，实现kHz量级的采样率和微纳米量级的飞行距离测量。在声速的飞行时间测量中，依据声光衍射效应记录超声波的飞行时间。同时，借助线性调频的脉冲压缩技术，进一步提高飞行时间测量方法的时间分辨率，保证海水声速的测量精度。由于利用第二脉冲光和测量脉冲光进行干涉形成的干涉条纹，对于采样的一个完整周期ΔT来说，这就相当于进行了一个N倍的等效展宽，对于第一接收模块来说，应用这种方法可以将快速变化、探测器无法直接探测的光脉冲信号，转换到探测器可以响应的慢变化信号，从而精确地获得采样时间，进而实现对探测距离L的测量与计算。

本申请实施例还提供一种海水声速测量方法，所述海水声速测量方法应用于上述任意一项实施例中所述的海水声速测量装置中，方法包括：

步骤S202，获取第一干涉信号和第二干涉信号，所述第一干涉信号和第二干涉信号为所述海水声速测量装置获得的第一干涉信号和第二干涉信号；

步骤S204，获取重复频率差，所述重复频率差为所述海水声速测量装置中第二脉冲光和第一脉冲光的脉冲序列被设置为存在重复频率差；

步骤S206，根据第一干涉信号、第二干涉信号以及重复频率差确定待测声波的飞行距离；

步骤S208，获取第一声光信号、第二声光信号，所述第一声光信号、所述第二声光信号为所述海水声速测量装置获得的第一声光信号、第二声光信号；

步骤S2010，根据第一声光信号、第二声光信号确定待测声波的飞行时间；

步骤S2012，将所述飞行距离和所述飞行时间做比值，获得海水声速。

在本实施例中，飞行距离为测量距离L，飞行时间为测时时间间隔T。海水声速为声波在海水待测水域中传播的速度，通过上述方法可实现对海水声速的确定。

本申请实施例还提供一种海洋测距系统，所述海洋测距系统包括声波收发装置、中心处理装置以及包括上述任一项实施例所述的海水声速测量装置，

所述海水声速测量装置，用于测算水域的声速；

所述声波收发装置，用于向待测水域中的待测目标发出测距超声波、接收所述测距超声波反射回波，并确定超声波往返时间；

所述中心处理装置，根据所述超声波往返时间和待测水域声速，确定待测目标距离。

在本实施例中，声波收发装置为用于发出声波和接收声波反射回波的装置，该声波收发装置设置有微处理设备，可以驱动发出声波的时间以及接收声波反射的时间，并且可以以此确定声波往返时间差；中心处理装置可以是计算机、处理设备等。

在本申请的一个实施例中，可以利用海水声速测量装置获取海水声速，通过声波收发装置确定超声波往返时间，然后中心处理装置将超声波往返时间和海水声速做乘积，即可确定目标距离，可以适用于不同海水环境下的标的测距要求。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

Claims (10)

1.一种海水声速测量装置，其特征在于，所述海水声速测量装置包括：

第一脉冲发射模块，所述第一脉冲发射模块用于发出第一脉冲光；

测量单元，所述测量单元所包含的元器件被设置为：可将所述第一脉冲光分束为测量脉冲光和参考脉冲光，且所述测量脉冲光与所述参考脉冲光具有用于对待测水域的声波进行探测的平行段；

第二脉冲发射模块，用于发出第二脉冲光，所述第二脉冲光和所述第一脉冲光的脉冲序列被设置为存在重复频率差；

第一接收单元，所述第一接收单元用于接收所述测量脉冲光与所述第二脉冲光，并获得两者干涉形成的第一干涉信号，以及接收所述参考脉冲光与所述第二脉冲光，并获得两者干涉形成的第二干涉信号；

第二接收单元，所述第二接收单元用于接收测量脉冲光受待测声波的作用而形成的第一声光信号，以及参考脉冲光受待测声波的作用而形成的第二声光信号；以及

声速确定模块，通过预设声速计算模型对第一干涉信号、第二干涉信号、第一声光信号、第二声光信号以及重复频率差进行处理，以确定海水水域声速。

2.根据权利要求1所述的海水声速测量装置，其特征在于，所述测量单元包括：

第一分束装置，所述第一分束装置用于将所述第一脉冲光分束为测量脉冲光和参考脉冲光；

第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜用于构造所述测量脉冲光的光路，且第一反射镜和所述第二反射镜之间的测量脉冲光光段与所述参考脉冲光平行；

第二分束装置，用于接收经第一分束装置产生的参考脉冲光，以及经第二反射镜反射出的测量脉冲光；

所述测量脉冲光经所述第二分束装置后分为第一测距光束和第一测时光束，所述第一测距光束发射到第一接收单元，所述第一测时光束发射到第二接收单元；所述参考脉冲光经所述第二分束装置后分为第二测距光束和第二测时光束，所述第二测距光束发射到第一接收单元，所述第二测时光束发射到第二接收单元。

3.根据权利要求2所述的海水声速测量装置，其特征在于，

所述第一分束装置和所述第一反射镜之间的测量脉冲光光段与所述第二反射镜和所述第二分束装置之间的测量脉冲光光段平行；

所述第一分束装置和所述第一反射镜之间的测量脉冲光光段与所述参考脉冲光垂直。

4.根据权利要求2所述的海水声速测量装置，其特征在于，

第一接收单元包括第三分束镜，所述第三分束镜用于接收第一测距光束、第二测距光束以及第二脉冲光，所述第三分束镜用于实现第一测距光束和第二脉冲光进行干涉形成第一干涉光，以及实现第二测距光束和第二脉冲光进行干涉形成第二干涉光；

平衡探测器，用于接收所述第一干涉光和所述第二干涉光；

第三反射镜，用于使所述第一干涉光和所述第二干涉光形成平衡探测器接收所述第一干涉光和所述第二干涉光所需要的两路光路。

5.根据权利要求2所述的海水声速测量装置，其特征在于，

所述海水声速测量装置还包括：待测声波声源；

所述待测声波声源设置在所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的光路远离所述参考脉冲光的一侧；所述待测声波声源的声波输出方向与参考脉冲光垂直且共面。

6.根据权利要求4所述的海水声速测量装置，其特征在于，

所述声速确定模块用于获取平衡探测器采集的第一干涉光的第一干涉条纹、第二干涉光的第二干涉条纹，以及根据所述第一干涉条纹、所述第二干涉条纹确定第一干涉条纹峰值、第二干涉条纹峰值对应的第一时间值、第二时间值，以及确定第一时间值和第二时间值的测距时间间隔τ。

7.根据权利要求6所述的海水声速测量装置，其特征在于，

声速确定模块用于获取第一声光信号、第二声光信号对应的第一衍射条纹、第二衍射条纹，以及根据第一衍射条纹和第二衍射条纹确定第一衍射条纹峰值、第二衍射条纹峰值对应的第一测时值、第二测时值，以及确定第一测时值和第二测时值的测时时间间隔T。

8.根据权利要求7所述的海水声速测量装置，其特征在于，

所述预设声速计算模型包括距离确定模型以及声速确定模型，

所述距离确定模型用于确定测量距离L，所述距离确定模型的计算公式如下：

，

其中，n _w 为水下群折射率，c为真空中光速，f _r 为第一脉冲发射模块的重复频率，Δf _r 为第二脉冲光和所述第一脉冲光的重复频率差；

声速确定模型，用于根据飞行距离和飞行时间确定海水声速V，所述声速确定模型的计算公式如下：

。

9.一种海水声速测量方法，所述海水声速测量方法应用于所述权利要求1-8任一项权利要求所述的海水声速测量装置中，其特征在于，

获取第一干涉信号和第二干涉信号，所述第一干涉信号和第二干涉信号为所述海水声速测量装置获得的第一干涉信号和第二干涉信号；

获取重复频率差，所述重复频率差为所述海水声速测量装置中第二脉冲光和第一脉冲光的脉冲序列被设置为存在的重复频率差；

根据第一干涉信号、第二干涉信号以及重复频率差确定待测声波的飞行距离；

获取第一声光信号、第二声光信号，所述第一声光信号、所述第二声光信号为所述海水声速测量装置获得的第一声光信号、第二声光信号；

根据第一声光信号、第二声光信号确定待测声波的飞行时间；

将所述飞行距离和所述飞行时间做比值，获得海水声速。

10.一种海洋测距系统，其特征在于，所述海洋测距系统包括声波收发装置、中心处理装置以及包括权利要求1-8任一项权利要求所述的海水声速测量装置，

所述海水声速测量装置，用于测算水域的声速；

所述声波收发装置，用于向待测水域中的待测目标发出测距超声波、接收所述测距超声波反射回波，并确定超声波往返时间；

所述中心处理装置，根据所述超声波往返时间和待测水域声速，确定待测目标距离。

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