CN108680234A - 一种跨冰层介质的水深测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跨冰层介质的水深测量方法，涉及水声测量技术领域；一种跨冰层介质的水深测量方法包含发射换能器1、接收换能器2与凹槽3；首先将发射换能器1、接收换能器2固定在凹槽3中；再通过发射换能器1将发射信号以声波的形式发出；然后通过接收换能器2接收到水平方向到达的少量声信号，并记下横坐标记为t₁；再接收到冰层下表面反射回的第二个波峰信号并记下横坐标t₂；最后接收到水域底部发生散射后返回的第三个波峰信号记下横坐标t₃；通过声波在不同介质传播的速度与测得的时间差计算出当前水域的深度值。本发明具有可直接在冰层表面进行水深测量，能测得冰层厚度，数据处理方便快速，易维护等优点。

Description

一种跨冰层介质的水深测量方法

技术领域

本发明涉及水声测量技术领域，具体涉及一种跨冰层介质的水深测量方法。

背景技术

回声测深的原理是利用水声换能器垂直向下发射声波并接收水底回波，根据回波时间和水中的传播声速来确定被测点的水深，通过水底的深度变化就可以了解水底地形的变化情况。用回声探测的思想最早是由法国的Aragon出的，1807年，Aragon指出利用声反射可以测量水深。在第一次世界大战和第二次世界大战期间，海洋声学有了显著的发展，回声测深技术发展迅速，并首先应用于详细调查海底电缆线路方面。根据测深的范围，有出现了浅水回声测深仪，中等深度回声测量仪和深水回声测量仪等固定系列的回声探测***。回声测深仪进行冰下测量具有方向性好、穿透能力强、能量高、灵敏度高、检验速度快、对人体无害等特点，而且可以在不同煤质中传播，使海洋测深技术方面有了一次质的飞跃。

实际应用中水深换能器多发射正弦波填充的脉冲信号，通过延时的回波信号在信号分析、通讯和定位导航等技术中均有广泛应用。但在传统水深测量方法无法在冰层表面直接测量水深，而是必须将冰层凿透，然后再通过水深换能器测得水深，从而加上冰层厚度，得出实际水深，为了解决测量水深时须凿透冰层这一不便之处，王珲等人利用冰层检波器检测回波的方法获得水深(一种冰下水深测量方法，专利号：CN201710722230.2)，这种方法需要将冰层检波器固定在冰层上，必须保持足够的水平度才能确保测量结果的准确性。本发明方法克服了传统方法在冰层表面测水深的不便和以往方法测量精度不足等问题，提出一种直接在冰层表面测量水深的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在冰层表面测量水深的方法，以解决现有技术测深精度不高的问题。

一种跨冰层介质的水深测量方法，其特征在于，包含发射换能器1、接收换能器2与凹槽3；发射换能器1与接收换能器2均为圆面活塞式换能器；将发射换能器1和接收换能器2通过打磨机将冰层表面打磨出合适深度的凹槽3固定在冰面上，然后倒入适量防冻液，使换能器与冰层完全耦合；一种跨冰层介质的水深测量方法，实现步骤如下：

步骤一：触发信号发生器产生一系列间隔为Δt的LFM信号；

步骤二：信号源接收到小振幅波声源Δt时间间隔发射的触发信号后产生LFM信号，经功率放大器放大后激励发射换能器1发射声波信号；其中触发信号的时间间隔其中L是最大测深距离，c是水中声速；

步骤三：发射换能器1发射信号，接收换能器2立即接收到始发信号波峰，其横坐标记为t₁；

步骤四：接收换能器2接收到第二个相关峰的最大位置，其横坐标记为t₂；

步骤五：接收换能器2接收到第三个相关峰的最大位置，其横坐标记为t₃；

步骤六：重复步骤二至步骤五，计第i次发射信号后，第一次接收到的信号波峰的横坐标值记为t_i1，与其相邻的两个波峰，分别记作t_i2，t_i3，得到本组中的平均水深为：

Δt_i＝t_i1-t_i2

Δt′_i＝t_i2-t_i3

其中Δt_i为脉冲信号在冰层中的传播时间，h₁为计算得出的冰层厚度，Δt′_i为脉冲信号在水中的传播时间，h₂为计算得出的水深。

本发明具有以下优点：

1.可以直接在冰层表面进行水深测量；

2.不仅可以测量得到冰层下面水深的数据，还能附带得出冰层的厚度；

3.实验测量数据的处理方法比较简单，不需要复杂的信号处理算法。

附图说明

图1为本发明的连接示意图；

图2为本发明的现场安装图；

图3为本发明具体试验后得出的结果图。

具体实施方式

下面结合附图1～3和实例对本发明作进一步详细说明。

实施例1:

如图1所示连接器设备，发射换能器1与接收换能器2均为圆面活塞式换能器，固定换能器时，须将换能器的辐射面与冰面紧密接触。用打磨机将冰层表面打磨出合适深度的凹槽，将发射换能器1与接收换能器2并固定于凹槽3中，然后倒入适量防冻液，使换能器与冰层完全耦合。发信号发生器的作用是产生触发信号，信号源接收到触发信号后产生LFM信号，经功率放大器放大后激励发射换能器1发射声波信号。其中触发信号的时间间隔其中L是最大测深距离，c是水中声速。当发射换能器1发射信号时，接收换能器2能立即接收到始发信号波峰，记为t₁。

***工作时，小振幅波声源Δt时间间隔后发射信号，采集器采集并保存接收换能器2接收到的信号。

接收换能器2接收到的信号为脉冲信号，找出处理结果中第一个相关峰的最大值位置，其横坐标记为t₁；结果中的第二个相关峰的最大位置，其横坐标记为t₂；

在一组信号中，采取多组始发波峰，其横坐标值记为t_i1，采取与其相邻的两个波峰，分别记作t_i2，t_i3，得到本组中的平均水深为：

Δt_i＝t_i1-t_i2

Δt′_i＝t_i2-t_i3

其中Δt_i为脉冲信号在冰层中的传播时间，h₁为计算得出的冰层厚度，Δt′_i为脉冲信号在水中的传播时间，h₂为计算得出的水深。

实施例2：

第一步，结合图1，触发信号发生器产生一系列间隔为Δt的LFM信号。

第二步，结合图1，由信号发生器产生的脉冲信号，经过信号源调制，形成电信号，由于声信号通过冰层和水介质时损耗较大，想要经过发射和回收后仍有一定的信噪比，必须经过功率放大器将输出信号进行功率放大，以至于发射信号不被淹没在噪声信号中。

第三步，结合图2，在目标地点水域上方冰层，使用打磨机将冰层表面打磨出一块适当大小的凹槽3，将凹槽内部导入适量防冻液，将发射换能器1和接收换能器2固定于凹槽中，发射换能器1与接收换能器2的距离必须保持足够近，但又同时也得保证有一定间隙。

第四步，结合图2，发射信号最终在发射换能器1处以声波的形式发出，通过紧贴的防冻液传递给冰层介质，少量声信号直接由水平方向到达接收换能器2处，形成相关信号的第一个波峰，大部分信号垂直向下传播到达冰层下表面，声波在冰层下表面同时发生反射和透射现象，部分反射信号达到接收换能器2处，形成相关信号的第二个波峰，透射信号继续垂直向下传播，经过水层，到达目标水域底部，在水域底部会发生散射和透射现象，部分散射信号经过水层和冰层到达接收换能器2，最终形成相关信号的第三个波峰。

第五步，结合图1，回波信号经过介质的传递到达接收换能器2，由于在介质存在较大的损害与噪声的影响，回波信号必须经过测量放大器，和滤波器，从而获得较好的信噪比，并得到相关频带的目标信号。

第六步，经过简单的数据处理，得到波形幅值与时间的分布图，找出相关波峰，利用公式得到目标水域的测量水深。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种跨冰层介质的水深测量方法，其特征在于，包含发射换能器(1)、接收换能器(2)与凹槽(3)；发射换能器(1)与接收换能器(2)均为圆面活塞式换能器；将发射换能器(1)和接收换能器(2)通过打磨机将冰层表面打磨出合适深度的凹槽(3)固定在冰面上，然后倒入适量防冻液，使换能器与冰层完全耦合；一种跨冰层介质的水深测量方法，实现步骤如下：

步骤一：触发信号发生器产生一系列间隔为Δt的LFM信号；

步骤二：信号源接收到小振幅波声源Δt时间间隔发射的触发信号后产生LFM信号，经功率放大器放大后激励发射换能器(1)发射声波信号；其中触发信号的时间间隔其中L是最大测深距离，c是水中声速；

步骤三：发射换能器(1)发射信号，接收换能器(2)立即接收到始发信号波峰，其横坐标记为t₁；

步骤四：接收换能器(2)接收到第二个相关峰的最大位置，其横坐标记为t₂；

步骤五：接收换能器(2)接收到第三个相关峰的最大位置，其横坐标记为t₃；

步骤六：重复步骤二至步骤五，计第i次发射信号后，第一次接收到的信号波峰的横坐标值记为t_i1，与其相邻的两个波峰，分别记作t_i2，t_i3，得到本组中的平均水深为：

Δt_i＝t_i1-t_i2

Δt′_i＝t_i2-t_i3

其中Δt_i为脉冲信号在冰层中的传播时间，h₁为计算得出的冰层厚度，Δt_i′为脉冲信号在水中的传播时间，h₂为计算得出的水深。