高精度声速剖面测量系统研究

发布时间：2020-03-19 09:19

【摘要】：随着科学技术的发展以及陆地资源的匮乏,人类已经将资源开发的重点转向了海洋。水中声速剖面是确保声呐设备正常工作的重要参数之一,声速剖面测量系统在海洋测绘、水文测量、水下导航与定位、水下信道测量等方面有着广泛的应用。本论文的研究目的是设计并实现一套高精度声速剖面测量系统,该系统的声速测量部分采用基于门延迟的时间-数字转换技术(TDC),本文的主要研究内容分为以下几部分:⒈研究了海水分布的规律以及影响因子,进而研究了三种常用的经验公式,分析它们在不同环境下的适用性。介绍了四种典型的直接测量法的原理,分析了它们在工程上实现的难易程度以及测量精度。研究了TDC-GP22芯片的测量原理,即基于门延迟的测时技术,介绍了该芯片在声速测量方面的优越性。⒉设计了高精度声速剖面测量系统的整体方案与硬件部分,硬件系统采用STM32作为主控芯片,选用工作频率为2MHz的超声波换能器。硬件系统具体包括控制模块、电源模块、串口通信模块、存储模块、声速与温度测量模块、压力测量模块等。⒊设计了系统的软件部分,包括嵌入式软件和上位机显控软件。嵌入式软件部分包括主程序、中断回调函数、定时器、实时时钟以及各个接口的驱动,并在存储卡中移植了FATFS文件系统。该系统成功的完成了水中声速、温度、深度的测量,并根据测量开启的时间,新建文件后开始存储测量数据,出水后关闭文件。在VS2017的开发环境下,为该系统设计了基于MFC对话框的上位机软件。设计了串口配置窗口、声速仪配置窗口、文件列表以及声速剖面显示窗口。上位机与下位机之间通过RS232串口通信,在上位机软件与下位机中实现了通信协议,完成了上位机对下位机的控制以及数据的读取与删除。⒋系统功能完成后,搭建校准环境,对声速测量和温度测量进行校准。首先,验证在不同温度下TDC-GP22的测量的稳定性,然后研究了声速仪的校准方法,根据最小二乘法完成测量数据与真实值的拟合。校准后在1400m/s~1550m/s范围内,声速测量精度达到±0.05 m/s。最后在青岛某海域进行外场实验,与国际上的主流声速仪进行比较,测量结果良好。
【图文】：

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开发潜力巨大的空间领域[1]。在经济全球化和世界多极化的条件下，海洋对世界政治经济秩序和国家安全与发展的影响越来越大，已经成为人类生存与发展空间拓展的主要领域[2]。我国于 20 世纪末制定了 21 世纪的发展战略，其宗旨是发展成为世界级的海洋强国。随着科学技术的发展以及陆地资源的匮乏，人类已经将资源开发的重点转向了海洋。在海水各种辐射形式中，包括声、光、电，其中声波在海水中的传播效果最好，电磁波与光不能在海水中长距离传播。这些特性使水声成为了海洋工程的重要工具，水声技术被广泛的用于军用与民用领域。人类对于水声的研究追溯到 1490 年，达芬奇对水声现象的描述；“如果船停航，将长管一端插入水中，而将管的开口放在耳旁，便能听到远处航船的声音。”1826 年，来自瑞士的物理学家 D.Colladon 和来自法国的数学家 C.Sturn 在日内瓦湖中进行了声速测量。如图 1.1 所示，两船相距 13847 米，在发射船上用链条将一口钟吊入水中，敲击钟的同时引爆船上炸药发光。在接收船上，看到火光时开始计时，直到水下的喇叭形声波接收器传来声音为止。经过计算得出声速值为 1435m/s，当时湖水温度大概为 8.1℃，与现代测量值相当接近，这也是人类历史上第一次定量测出水中声速[3]。

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呐设备来完成对海底地形地貌以及水深的测量，使用域需要测量声速剖面，采用声线跟踪的方法，计算波到声线的传播，而且还会影响到后续的计算，对深度定位中，将目标点到各接收点之间的传播时间与声速，然后计算目标坐标。与水声探测领域类似，为了提速剖面，进行声线修正[4]。综上所述，海水声速测量水下通信、水下定位、声场分析以及国防应用上起着速测量仪器概述方法大致分为两类，一类是直接测量声速相关物理量式计算的间接法。测声速的设备称之为 CTD(温盐深仪)，目前国外有名的 RBR 公司以及 AML 公司、美国海鸟公司、英国设备在测量精度以及稳定性上都遥遥领先，国内的
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P229;U666.7

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