CN117347656A - 一种基于连续时差法的光致超声海流传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海流探测领域，公开了一种基于连续时差法的光致超声海流传感器及其测量方法，海流传感器包括底座和连接于底座下方的密封舱，底座上表面中心设置光纤超声波发射头，底座四周均匀布置有四个空心支撑爪，每个空心支撑爪的端头安装有超声波接收器，四个超声波接收器与光纤超声波发射头构成正四棱锥结构，光纤超声波发射头为正四棱锥的顶点；密封舱内安装有电子罗盘、电池组和信号处理器，密封舱尾部设置水密连接器用于连接外部电缆；光纤超声波发射头连接的光纤穿出密封舱底部。本发明结构设计合理，控制方便，操作灵活，提高了测流的实时性、测流效率和测流精度，对工作环境要求低，适用于更多应用场景，具有巨大的市场前景。

Description

一种基于连续时差法的光致超声海流传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及海流探测领域，特别涉及一种基于连续时差法的光致超声海流传感器及其测量方法。

背景技术

流速传感器是海洋探测领域研究的一个重要方向，广泛应用于海洋科学研究、海洋灾害预警、海洋资源勘探、海洋工程建设与维护以及国防等诸多领域。

传统的海流测量仪器主要有机械式海流计、电磁式海流计、声学多普勒式海流计。最早出现的机械式海流计精度低，且严重扰流；电磁式海流计功耗高，操作繁琐；声学多普勒式海流计测量精度高，且不扰流，是目前海流测量的主要设备，但由于其测量原理的限制，存在一定测量盲区。声学多普勒式海流计通常采用若干个收发一体的超声波换能器，向海水中发射一定频率的超声脉冲，再接收由水中散射体反射回来的声信号，通过测量发射信号与回收信号的频移，进而推算出海水流速。因此，只适用于测量沿海等散射体浓度高于一定值的海域流速。此外，在浑浊水海域，多普勒式海流计接收信号回波干扰较大，测量精度也受影响。

为了克服声学多普勒式海流计的不足，声学时差式海流计得到了越来越多的应用，其原理建立在流体传播声波的基础上，不受海水中散射体浓度、浑浊度的影响。因此，声学时差式海流计保留了声学方法测流的优势外，有着更高的测流精度、更大的测流范围，且无测流盲区，特别适用于湍流、低速流、纯净流、碎波区的流速测量。但传统的时差法测流采用几对收发一体超声波换能器，采样过程中，需要交替控制超声波信号的发射与接收，处于间断性采样状态，且在采样过程中，由于顺、逆流采样并不同时，会因流速波动产生较大误差，不能实现对海流的连续探测，测流的实时性较差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于连续时差法的光致超声海流传感器及其测量方法，以达到测流实时性更好，测流效率更高的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于连续时差法的光致超声海流传感器，包括底座和连接于底座下方的密封舱，所述底座上表面中心设置光纤超声波发射头，底座四周均匀布置有四个空心支撑爪，每个空心支撑爪的端头安装有超声波接收器，四个超声波接收器与光纤超声波发射头构成正四棱锥结构，所述光纤超声波发射头为正四棱锥的顶点；所述密封舱内安装有电子罗盘、电池组和信号处理器，密封舱尾部设置水密连接器用于连接外部电缆；所述光纤超声波发射头连接的光纤穿出密封舱底部。

上述方案中，所述光纤超声波发射头是在光纤末端密封一段充满高吸收性液体的薄壁塑料管而构成。

上述方案中，所述光纤超声波发射头与超声波接收器构成四条测量声轴，每条测量声轴与底座平面的夹角相同，均为30°- 60°。

上述方案中，所述空心支撑爪为具有两个拐角的弯折结构，靠近底座的第一个拐角弯折角度为90°，位于顶部的第二个拐角的弯折角度为120°-150°，端头安装的超声波接收器工作平面与测量声轴垂直。

上述方案中，所述超声波接收器的电线通过空心支撑爪的内部走线，连接密封舱内的电池组和信号处理器。

上述方案中，所述水密连接器与密封舱之间用O型橡胶圈进行密封。

上述方案中，所述光纤超声波发射头与底座之间、光纤与密封舱之间用环氧树脂进行密封。

一种基于连续时差法的光致超声海流测量方法，采用如上所述的一种基于连续时差法的光致超声海流传感器，包括如下步骤：

（1）将海流传感器置于待测海水中，激光信号经光纤传输，到达光纤超声发射头末端，激发出超声脉冲，进入海水中；

（2）四个超声波接收器同时进入接收状态，接收超声脉冲信号，并将接收的超声脉冲信号传输至信号处理器；

（3）信号处理器对接收的信号进行处理，通过测量四条声轴上的超声波传播时间，即可获得二维平面内两个正交方向上的流速分量，经矢量合成便可得到物坐标系下的二维流速矢量信息；

（4）结合电子罗盘所测得的大地坐标，将物坐标系下的二维流速矢量信息转化为大地坐标系下流速信息。

通过上述技术方案，本发明提供的一种基于连续时差法的光致超声海流传感器及其测量方法具有如下有益效果：

1、本发明采用光纤的方式传输光信号，延长了海流探测范围，控制方便，操作灵活；

2、本发明将超声波发射与接收装置分离，四个超声波接收器可以同时接收光纤超声发射头单次发射的超声波，四条测量声轴同时工作，无需交替控制声信号的发射与接收，测流的实时性更好，测流效率更高；

3、本发明所采用的空心支撑爪结构，对流场干扰较小，且可进行内部走线，简化了流速传感器结构；

4、本发明通过检测与计算超声波在流体内传播的时间差来获得流速，不要求水中含有散射体，对工作环境要求低，适用于更多应用场景；

5、本发明流速响应快，所采用的信号处理器采样率可达百万次，能够测量快速变化的湍流；

6、本发明所采用的流速计算方法不需要温度、压力补偿，简化了测流步骤，提高了测流精度；

7、本发明可通过电子罗盘读取出当前位置的大地坐标，与计算得出的物坐标下的流速信息进行转化，可以获得大地坐标系下的流速信息。

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。

图1为本发明实施例1所公开的一种基于时差法的光致超声海流传感器示意图。

图2为光纤超声波发射头结构示意图。

图3为本发明测海水流速的方法原理图。

图4为本发明密封舱内部结构示意图。

图中，1、底座；2、密封舱；3、光纤超声波发射头；4、空心支撑爪；5、超声波接收器；51、超声波接收器一；52、超声波接收器二；53、超声波接收器三；54、超声波接收器四；6、电子罗盘；7、电池组；8、信号处理器；9、水密连接器；10、光纤；11、聚四氟乙烯管；12、环氧树脂；13、聚乙烯薄膜；14、饱和硝酸铜溶液；15、气泡。

具体实施方式

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。

本发明提供了一种基于连续时差法的光致超声海流传感器，如图1所示，包括底座1和连接于底座1下方的密封舱2，底座1上表面中心设置光纤超声波发射头3，本实施例中，如图2所示，光纤超声波发射头3是在光纤10末端密封一段充满高吸收性液体的薄壁塑料管而构成。具体结构如下：光纤10末端通过环氧树脂12密封一段聚四氟乙烯管11，聚四氟乙烯管11的内径1mm左右，壁厚0.2mm左右，聚四氟乙烯管11的前端通过环氧树脂12密封聚乙烯薄膜13，聚四氟乙烯管11填充有饱和硝酸铜溶液14。基于汽化光致超声原理，连续波激光不断地加热管内的液体，以发生液-气相变，产生如图2中的空化气泡15，气泡15周期性地生长与溃灭，伴随产生一系列高频率、大带宽的全向超声脉冲，使得超声波接收器可在不同方向上都接收到超声信号。

本发明实施例中，光纤选择125μm的单模光纤。

底座1四周均匀布置有四个空心支撑爪4，空心支撑爪4为具有两个拐角的弯折结构，靠近底座1的第一个拐角弯折角度为90°，位于顶部的第二个拐角的弯折角度为120°-150°。每个空心支撑爪4的端头安装有超声波接收器5，如图3所示，四个超声波接收器5与光纤超声波发射头3构成正四棱锥结构，光纤超声波发射头3为正四棱锥的顶点，四个超声波接收器可以同时接收光纤超声发射头单次发射的超声波。光纤超声波发射头3与超声波接收器5构成四条测量声轴，实现对流速的测量，每条测量声轴与底座1平面的夹角相同，均为30°- 60°。空心支撑爪4端头安装的超声波接收器5工作平面与声轴垂直。

如图4所示，密封舱2内安装有电子罗盘6、电池组7和信号处理器8，超声波接收器5的电线通过空心支撑爪4的内部走线，连接密封舱2内的电池组7和信号处理器8，用以将四个超声波接收器5所产生的电信号进行及时处理。电子罗盘6用来确定流速传感器的地理坐标，通过换算即可将物坐标系下的流速转化为大地坐标系下的流速。

密封舱2尾部设置水密连接器9用于连接外部电缆；水密连接器9与密封舱2之间用O型橡胶圈进行密封，用以传输携带流速信息的电信号至计算机，从而对信号进一步分析与处理。

光纤超声波发射头3连接的光纤10穿出密封舱2底部，光纤10尾端将与外部的激光器连接，传输980nm的连续波激光，进而在光纤超声波发射头3产生一定频率与带宽的超声波。光纤超声波发射头3与底座1之间、光纤10与密封舱2之间用环氧树脂进行密封。

一种基于连续时差法的光致超声海流测量方法，采用如上的一种基于连续时差法的光致超声海流传感器，测量原理为：超声波在海流中进行传播时，其总的传播速度为静止海流中的固有速度与海流流速的叠加。超声波信号在海流中顺流传播和逆流传播时速度不同，导致在测量声轴长度相等的情况下，同一超声发射信号到达各超声波接收器5的时间不同。通过测量不同测量声轴上超声波的传播时间，可以推导计算出海水流速。

具体测量方法包括如下步骤：

（1）将海流传感器置于待测海水中，激光信号经光纤传输，到达光纤超声波发射头3末端，激发出超声脉冲，进入海水中；

（2）四个超声波接收器5同时进入接收状态，接收超声脉冲信号，并将接收的超声脉冲信号传输至信号处理器8；

（3）信号处理器8对接收的信号进行处理，通过测量四条声轴上的超声波传播时间，即可获得二维平面内两个正交方向上的流速分量，经矢量合成便可得到物坐标系下的二维流速矢量信息。

具体为：相对设置的超声波接收器一51、超声波接收器三53分别与光纤超声波发射头3之间定义了一个测量声轴，测量声轴的路径长度为L，海流速度为v， c为超声波在静水中的传播速度。记超声波接收器一51、超声波接收器三53连线方向为x方向，超声波接收器二52、超声波接收器四54连线方向为y方向，θ为流速在x方向上的分量与测量声轴之间的夹角。以x方向上流速的计算为例说明：

声信号从发出到超声波接收器一51与超声波接收器三53的传播时间与分别 为：

。

两式经变形与推导，易得海水流速在x方向的流速分量：

。

同理可得，海水在y方向的流速分量：

。

则二维平面上的流速可以表示为：

。

在上述流速计算的公式推导中，消除了超声波在静水中的速度c。由于海水温度对 c影响很大，因此公式推导中抵消掉c后，所得流速便不受温度影响，因此无需温度补偿。

（4）结合电子罗盘6所测得的大地坐标，将物坐标系下的二维流速矢量信息转化为大地坐标系下流速信息。

将本发明安装或悬挂在浮标、潜标、锚定船、岸基台站、测流固定架等海洋测流平台上可进行定点测流，亦可实现对指定区域海流长期连续观测。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于连续时差法的光致超声海流传感器，其特征在于，包括底座和连接于底座下方的密封舱，所述底座上表面中心设置光纤超声波发射头，底座四周均匀布置有四个空心支撑爪，每个空心支撑爪的端头安装有超声波接收器，四个超声波接收器与光纤超声波发射头构成正四棱锥结构，所述光纤超声波发射头为正四棱锥的顶点；所述密封舱内安装有电子罗盘、电池组和信号处理器，密封舱尾部设置水密连接器用于连接外部电缆；所述光纤超声波发射头连接的光纤穿出密封舱底部。

2.根据权利要求1所述的一种基于连续时差法的光致超声海流传感器，其特征在于，所述光纤超声波发射头是在光纤末端密封一段充满高吸收性液体的薄壁塑料管而构成。

3.根据权利要求1所述的一种基于连续时差法的光致超声海流传感器，其特征在于，所述光纤超声波发射头与超声波接收器构成四条测量声轴，每条测量声轴与底座平面的夹角相同，均为30°- 60°。

4.根据权利要求3所述的一种基于连续时差法的光致超声海流传感器，其特征在于，所述空心支撑爪为具有两个拐角的弯折结构，靠近底座的第一个拐角弯折角度为90°，位于顶部的第二个拐角的弯折角度为120°-150°，端头安装的超声波接收器工作平面与测量声轴垂直。

5.根据权利要求1所述的一种基于连续时差法的光致超声海流传感器，其特征在于，所述超声波接收器的电线通过空心支撑爪的内部走线，连接密封舱内的电池组和信号处理器。

6.根据权利要求1所述的一种基于连续时差法的光致超声海流传感器，其特征在于，所述水密连接器与密封舱之间用O型橡胶圈进行密封。

7.根据权利要求1所述的一种基于连续时差法的光致超声海流传感器，其特征在于，所述光纤超声波发射头与底座之间、光纤与密封舱之间用环氧树脂进行密封。

8.一种基于连续时差法的光致超声海流测量方法，采用如权利要求1-7任一所述的一种基于连续时差法的光致超声海流传感器，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将海流传感器置于待测海水中，激光信号经光纤传输，到达光纤超声发射头末端，激发出超声脉冲，进入海水中；

（2）四个超声波接收器同时进入接收状态，接收超声脉冲信号，并将接收的超声脉冲信号传输至信号处理器；

（3）信号处理器对接收的信号进行处理，通过测量四条声轴上的超声波传播时间，即可获得二维平面内两个正交方向上的流速分量，经矢量合成便可得到物坐标系下的二维流速矢量信息；

（4）结合电子罗盘所测得的大地坐标，将物坐标系下的二维流速矢量信息转化为大地坐标系下流速信息。