CN118032110A - 抛弃式海水声速测量探头及海水声速测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抛弃式海水声速测量探头及海水声速测量***。抛弃式海水声速测量探头水下工作时通过声速传感器直接测量声信号在固定的已知距离内的传播时间，实现实时声速测量，同时通过压力传感器直接实现海深测量，最终通过测量电路实时完成海水深度和声速的采集、处理和传输，并以数字信号形式实时传到水面接收端，从而完成船只航行状态下声速剖面的快速测量。上述抛弃式海水声速测量探头一般由水面舰船投放，在水中自由下落，下落过程中测量声速数据，其特点在于测量快速、隐蔽，操作简便，探头成本低廉，可用于快速获取海水的声速等参数剖面，能够满足物理海洋和军事上声速剖面数据快速获取的需要。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种抛弃式海水声速测量探头及海水声速测量***。
背景技术
声速是海洋水文观测中最重要的参数之一，在各种水声装备的使用中，现场声速剖面分布情况直接影响各种声速装备（如单/多波束测深***、浅地层剖面仪、海底地貌仪）的使用性能。声速剖面随纬度、季节变化显著，声速剖面的观测对于研究声波在海洋中的传播、海洋声学测量、水文地质调查、地球物理探测等均具有重要意义。
当前在海洋声速剖面的观测中，常用方法有间接测量法和直接测量法两种：（一）间接测量法是通过水文仪器测量现场海水的温度、盐度和压力，利用声速算法(如Wilson，Del Grosso，Chen和Millero等)即可计算出声速值。在科学调查船上广泛使用的是温盐深测量仪(Conductivity-Temperature-Depth system，CTD)，以抛弃式温深仪(ExpendableBathy Thermograph，XBT)和抛弃式温盐深测量仪(Expendable Conductivity-Temperature-Depth Probe，XCTD)为代表的抛弃式设备，虽然可以在走航中快速测量水文参数从而获得声速剖面参数，但由于参数测量精度所限，计算出的声速精度较差。（二）直接测量法是利用换能器直接测量声信号在固定的已知距离内的传播时间进而得到声速值，声速测量精度较高。但是目前声速剖面仪主要为直读式声速仪及自容式声速仪，这一类吊放式设备需要通过船上的绞车设备进行下放，实现剖面的观测。吊放式声速仪设备的主要缺点是下放和回收仪器过程繁琐、耗时长，尤其是自容式声速测量实时性较差，并且无法在走航中应用。
上述可知，现有基于间接测量法的抛弃式声速测量仪以及基于直接测量法的吊放式声速仪，均无法同时满足在走航中应用以及实现声速高精度测量的要求，进而无法满足物理海洋和军事上声速剖面数据快速获取的需要，因此，需要突破目前声速测量仪的技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在走航中实时、快速、高精度获取声速剖面的抛弃式海水声速测量探头及海水声速测量***，以解决上述现有声速测量仪无法同时满足在走航中应用以及实现声速高精度测量的要求，进而无法满足物理海洋和军事上声速剖面数据快速获取的需要的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种抛弃式海水声速测量探头，包括流线型外壳、声速传感器、压力传感器、测量电路和供电装置，所述流线型外壳内部设置有传感器舱和电路舱，所述传感器舱的侧壁设置有过水孔；所述声速传感器设置于所述传感器舱内，用于在走航中实时测量声速；所述声速传感器包括安装架、发射换能器和接收换能器，所述发射换能器和所述接收换能器设置于所述安装架的第一侧壁，所述安装架的第二侧壁设置有反射面板，所述第一侧壁和所述第二侧壁相对布置，所述发射换能器用于向所述反射面板发射超声波，所述反射面板用于反射所述超声波，所述接收换能器用于接收经所述反射面板反射的所述超声波的回波信号；所述压力传感器设置于所述流线型外壳的侧壁，用于直接进行探头入水深度测量；所述测量电路设置于所述电路舱内，并与水面接收端通讯连接；所述测量电路与所述声速传感器、所述压力传感器均电性连接，所述测量电路用于控制所述声速传感器和所述压力传感器的运行，收集并处理所述声速传感器和所述压力传感器的检测信号；
所述供电装置设置于所述电路舱内，用于对所述声速传感器、所述压力传感器和所述测量电路中的至少一者供电。
优选地，所述流线型外壳内部还设置有线舱，所述传感器舱、所述电路舱和所述线舱由所述流线型外壳的头端至尾端依次布置；所述线舱内设置有能够实现线缆收放的线轴，所述线轴上缠绕有线缆，且所述线缆的一端贯穿所述电路舱的舱壁后与所述测量电路电性连接，所述线缆的另一端用于与所述水面接收端电性连接。
优选地，所述电路舱为密封舱，所述供电装置为电池，所述电池焊接于所述测量电路上，所述密封舱内所述测量电路和所述电池的外周灌注有石蜡。
优选地，所述压力传感器嵌装于所述电路舱的侧壁，且所述压力传感器与所述电路舱的侧壁之间设置有密封圈。
优选地，所述测量电路包括超声波发射电路、超声波接收电路、时间测量电路、压力测量电路和控制电路，所述超声波发射电路用于激励所述发射换能器，以使所述发射换能器发射超声波；所述超声波接收电路用于将所述接收换能器接收的所述回波信号滤波、放大；所述时间测量电路用于进行时间测量、声速数据读取和声速数据发送；所述压力测量电路用于调理所述压力传感器的检测信号；所述控制电路与所述超声波发射电路、所述超声波接收电路、所述时间测量电路和所述压力测量电路均电性连接，所述控制电路用于完成电压检测、测量控制和数据处理及通信。
优选地，所述传感器舱的侧壁设置有两对所述过水孔，每对所述过水孔同轴布置，两对所述过水孔的轴线垂直正交。
优选地，所述安装架为碳纤维安装架，其上还开设有过流孔；所述发射换能器和所述接收换能器均为压电换能器。
优选地，还包括稳流环，其设置于所述流线型外壳的尾端，所述稳流环用于在探头水中下降时保持探头姿态稳定。
优选地，所述压力传感器为压阻式压力传感器。
本发明还提出一种海水声速测量***，包括水面接收端和如上任意一项所述的抛弃式海水声速测量探头，所述水面接收端用于设置在水面船只上，所述水面接收端与所述抛弃式海水声速测量探头的所述测量电路通讯连接。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明提出的抛弃式海水声速测量探头，结构新颖合理，其可在船舶航行状态下向水下投放，水下工作时通过声速传感器直接测量声信号在固定的已知距离内的传播时间，实现实时声速测量，同时通过压力传感器直接实现海深测量，最终通过测量电路实时完成海水深度和声速的采集、处理和传输，并以数字信号形式实时传到水面接收端，从而完成船只航行状态下声速剖面的快速测量。上述抛弃式海水声速测量探头一般由水面舰船投放，在水中自由下落，下落过程中测量声速数据，其特点在于测量快速、隐蔽，操作简便，探头成本低廉，可用于快速获取海水的声速等参数剖面，能够满足物理海洋和军事上声速剖面数据快速获取的需要。
本发明提出的海水声速测量***，包括水面接收端和如上所述的抛弃式海水声速测量探头，故该测量***具备抛弃式海水声速测量探头的全部特点，在此不再赘述。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的抛弃式海水声速测量探头的整体结构示意图。
图2为本发明实施例公开的抛弃式海水声速测量探头中声速传感器的结构示意图。
图3为本发明实施例公开的声速传感器的工作原理图。
图中，附图标记为：100、抛弃式海水声速测量探头；1、流线型外壳；11、传感器舱；111、过水孔；12、电路舱；13、线舱；2、声速传感器；21、安装架；22、发射换能器；23、接收换能器；24、反射面板；25、过流孔；26、固定孔；3、压力传感器；4、测量电路；5、石蜡；6、线轴；7、稳流环。
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，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的之一是提供一种能够在走航中实时、快速、高精度获取声速剖面的抛弃式海水声速测量探头，以解决现有声速测量仪无法同时满足在走航中应用以及实现声速高精度测量的要求，进而无法满足物理海洋和军事上声速剖面数据快速获取的需要的问题。
本发明的另一目的在于提供一种包含上述抛弃式海水声速测量探头的海水声速测量***。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一。
如图1~图3所示，本实施例提供一种抛弃式海水声速测量探头100，其包括流线型外壳1、声速传感器2、压力传感器3、测量电路4和供电装置，流线型外壳1内部设置有传感器舱11和电路舱12，传感器舱11的侧壁设置有过水孔111，声速传感器2设置于传感器舱11内，用于在走航中实时测量声速；声速传感器2包括安装架21、发射换能器22和接收换能器23，发射换能器22和接收换能器23设置于安装架21的第一侧壁，安装架21的第二侧壁设置有反射面板24，第一侧壁和第二侧壁相对布置，发射换能器22用于向反射面板24发射超声波，反射面板24用于反射超声波，接收换能器23用于接收经反射面板24反射的超声波的回波信号；压力传感器3设置于流线型外壳1的侧壁，用于直接进行探头入水深度测量；测量电路4和供电装置设置于电路舱12内，并与水面接收端通讯连接；测量电路4与声速传感器2、压力传感器3均电性连接，测量电路4既能够控制声速传感器2和压力传感器3的运行，还能够收集并处理声速传感器2和压力传感器3的检测信号；供电装置用于对声速传感器2、压力传感器3和测量电路4中的至少一者供电。上述抛弃式海水声速测量探头100为一种可在船舶航行状态下投放的抛弃式声速剖面测量探头，探头水下工作时，通过声速传感器2直接测量声信号在固定的已知距离内的传播时间，实现实时声速测量，同时通过压力传感器3直接实现海深测量，最终通过测量电路4实时完成海水深度和声速的采集、处理和传输，并以数字信号形式实时传到水面接收端，从而完成船只航行状态下声速剖面的快速测量。水面接收端实时接收海水声速剖面数据，绘制声速剖面曲线并进行存储。
本实施例中，测量电路4可采用无线信号传输或有线信号传输的方式与水面接收端通讯连接。为了保证数据传输的实时性和可靠性，本实施例优选测量电路4采用有线信号传输的方式与水面接收端通讯连接。基于此，本实施例还在流线型外壳1内部设置了线舱13，如图1所示，传感器舱11、电路舱12和线舱13由流线型外壳1的头端至尾端依次布置；线舱13内设置有能够实现线缆收放的线轴6，线轴6上缠绕有线缆，电路舱12和线舱13的舱壁衔接处开设有过线孔，线缆的一端贯穿该过线孔后与测量电路4电性连接，线缆的另一端用于与水面接收端电性连接。水面接收端一般设置在正在水面航行的船只上。线轴6上缠绕的线缆优选为能够实现数据传输的双股漆包线。实际应用中，线轴6上缠绕足够探头下降的双股漆包线，探头自由下落时线轴6快速放线，探头的测量信号会以数字信号形式通过双股漆包线实时传到水面接收端。
本实施例中，电路舱12为外周密闭的密封舱，其与两端的传感器舱11、线舱13均密封间隔，以防止水下工作时海水进入舱内，损坏测量电路4。
本实施例中，供电装置优选为电池，电池焊接于测量电路4上，密封舱内测量电路4和电池的外周灌注有石蜡5。石蜡5既固定测量电路4，又可以防潮，且价格低廉。
本实施例中，测量电路4包括超声波发射电路、超声波接收电路、时间测量电路、压力测量电路和控制电路，其中：超声波发射电路的作用是产生脉冲去激励发射换能器22，使得发射换能器22能够在其固有频率产生并发射最强的超声波；超声波接收电路用于将接收换能器23接收的回波信号进行滤波、放大；时间测量电路用于完成时序高精度时间测量、声速数据读取和声速数据发送；压力测量电路用于调理压力传感器3的检测信号；控制电路与上述超声波发射电路、超声波接收电路、时间测量电路和压力测量电路均电性连接，控制电路用于完成电压检测、测量控制和数据处理及通信。
本实施例中，为确保充分的水交换，在传感器舱11的侧壁设置有两对过水孔111，每对过水孔111同轴布置，两对过水孔111的轴线垂直正交。
本实施例中，为尽可能让声速传感器2的安装架21从水上到水下由于温度变化带来的形变较小，安装架21优选采用热膨胀系数低的碳纤维材料制成，反射面板24与安装架21一体成型。如图2所示，安装架21整体优选为方形立体架，其底面开设有固定孔26，可采用螺钉将安装架21固定到传感器舱11头端；安装架21顶面还开有过流孔25；安装架21的一侧侧壁开设有两个圆孔，分别用来嵌装发射换能器22和接收换能器23，发射换能器22和接收换能器23嵌装至对应圆孔后，可利用环氧树脂将发射换能器22和接收换能器23灌封在对应圆孔内；反射面板24设置于安装架21的另一侧侧壁。声速传感器2通过安装架21在传感器舱11内固定安装后，可向传感器舱11内灌注石蜡，对声速传感器2进行加固。石蜡还可以防潮，且价格低廉。
本实施例中，优选发射换能器22和接收换能器23均为压电换能器。压电换能器的压电晶体为压电陶瓷片，压电陶瓷片为圆薄片，固有频率2Mhz，压电陶瓷片两对面涂有电极，沿厚度方向进行极化。
本实施例中，压力传感器3优选为压阻式压力传感器，其嵌装于电路舱12的侧壁，且压力传感器3与电路舱12的侧壁之间采用浮动O型圈密封安装。
本实施例中，抛弃式海水声速测量探头100还包括稳流环7，其设置于流线型外壳1的尾端，稳流环7用于在探头水中下降时保持探头姿态稳定。
本实施例中，将抛弃式海水声速测量探头100的外壳设置为流线型外壳1，可使探头在运动时保持较好的姿态，入水更加流畅。
本实施例中，传感器舱11和电路舱12靠近流线型外壳1的头端布置，可使探头整体重心靠近头端，防止探头重心过高，影响运动姿态。
下面对本实施例上述抛弃式海水声速测量探头100的工作原理作具体说明。
本实施例的抛弃式海水声速测量探头100采用的是声速直接测量法，即以测量已知固定距离L之间声波传播所需要的时间为基础。如图3所示，探头中由发射换能器22来发射声波，在距离L的另一端设置一个反射面板24，声波信号会经过反射面板24的一次反射，再被接收换能器23接收，声波信号会经过两个声程，即声波在发射换能器22和接收换能器23之间传播的距离为2L，如此，传播路径的增加会使得传播时间更容易获取，从而提高超声波时间差的测量精度。
使用时，抛弃式海水声速测量探头100由水面舰船投放，在水中自由下落，在测量电路4的作用下，探头入水后发射换能器22、接收换能器23即开始测量，测量电路4在探头在海水中下降过程中产生脉冲信号去激励发射换能器22，当所加脉冲信号频率等于发射换能器22固有频率时，发射换能器22将会发生共振，将电能转换为机械能，产生最强的超声波。接收换能器23收到超声波，当超声波的频率和接收换能器23固有频率相等时，接收换能器23就开始震动，将机械能转换为电能，产生可测量的电信号，并对该电信号进行滤波、放大；最后测量电路4完成高精度时差测量，压力测量，处理和传输。
相对于现有技术，上述抛弃式海水声速测量探头100的优点在于：(1)本发明采用强度高、温变系数小的碳纤维材料制作声速传感器的安装架，减少了安装架会受到压力、温度的影响导致的变形，确保声速测量的精度；结合探头空间限制和测量精度要求，安装架体积较小，能够减小换能器到反射面板的距离，实现声速传感器小型化。(2)本发明采用压力传感器获取深度实测数据，可以避免传统抛弃式设备深度误差随深度不断增大的固有问题，可更有效地反应声速随深度的变化。(3)本发明的抛弃式海水声速测量探头，在船舶走航状态下，可对目标海域的声速剖面参数进行快速、隐蔽、实时测量，满足物理海洋和军事上声速剖面数据快速获取的需要。
实施例二。
本实施例提出一种海水声速测量***，其包括水面接收端和如实施例一公开的抛弃式海水声速测量探头100，水面接收端一般设置在水面船只上，水面接收端与抛弃式海水声速测量探头100的测量电路4通过有线或无线方式通讯连接。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种抛弃式海水声速测量探头，其特征在于，包括流线型外壳（1）、声速传感器（2）、压力传感器（3）、测量电路（4）和供电装置，所述流线型外壳（1）内部设置有传感器舱（11）和电路舱（12），所述传感器舱（11）的侧壁设置有过水孔（111）；所述声速传感器（2）设置于所述传感器舱（11）内，用于在走航中实时测量声速；所述声速传感器（2）包括安装架（21）、发射换能器（22）和接收换能器（23），所述发射换能器（22）和所述接收换能器（23）设置于所述安装架（21）的第一侧壁，所述安装架（21）的第二侧壁设置有反射面板（24），所述第一侧壁和所述第二侧壁相对布置，所述发射换能器（22）用于向所述反射面板（24）发射超声波，所述反射面板（24）用于反射所述超声波，所述接收换能器（23）用于接收经所述反射面板（24）反射的所述超声波的回波信号；所述压力传感器（3）设置于所述流线型外壳（1）的侧壁，用于直接进行探头入水深度测量；所述测量电路（4）设置于所述电路舱（12）内，并与水面接收端通讯连接；所述测量电路（4）与所述声速传感器（2）、所述压力传感器（3）均电性连接，所述测量电路（4）用于控制所述声速传感器（2）和所述压力传感器（3）的运行，收集并处理所述声速传感器（2）和所述压力传感器（3）的检测信号；所述供电装置设置于所述电路舱（12）内，用于对所述声速传感器（2）、所述压力传感器（3）和所述测量电路（4）中的至少一者供电。
2.根据权利要求1所述的抛弃式海水声速测量探头，其特征在于，所述流线型外壳（1）内部还设置有线舱（13），所述传感器舱（11）、所述电路舱（12）和所述线舱（13）由所述流线型外壳（1）的头端至尾端依次布置；所述线舱（13）内设置有能够实现线缆收放的线轴（6），所述线轴（6）上缠绕有线缆，且所述线缆的一端贯穿所述电路舱（12）的舱壁后与所述测量电路（4）电性连接，所述线缆的另一端用于与所述水面接收端电性连接。
3.根据权利要求1或2所述的抛弃式海水声速测量探头，其特征在于，所述电路舱（12）为密封舱，所述供电装置为电池，所述电池焊接于所述测量电路（4）上，所述密封舱内所述测量电路（4）和所述电池的外周灌注有石蜡（5）。
4.根据权利要求1或2所述的抛弃式海水声速测量探头，其特征在于，所述压力传感器（3）嵌装于所述电路舱（12）的侧壁，且所述压力传感器（3）与所述电路舱（12）的侧壁之间设置有密封圈。
5.根据权利要求1或2所述的抛弃式海水声速测量探头，其特征在于，所述测量电路（4）包括超声波发射电路、超声波接收电路、时间测量电路、压力测量电路和控制电路，所述超声波发射电路用于激励所述发射换能器（22），以使所述发射换能器（22）发射超声波；所述超声波接收电路用于将所述接收换能器（23）接收的所述回波信号滤波、放大；所述时间测量电路用于进行时间测量、声速数据读取和声速数据发送；所述压力测量电路用于调理所述压力传感器（3）的检测信号；所述控制电路与所述超声波发射电路、所述超声波接收电路、所述时间测量电路和所述压力测量电路均电性连接，所述控制电路用于完成电压检测、测量控制和数据处理及通信。
6.根据权利要求1或2所述的抛弃式海水声速测量探头，其特征在于，所述传感器舱（11）的侧壁设置有两对所述过水孔（111），每对所述过水孔（111）同轴布置，两对所述过水孔（111）的轴线垂直正交。
7.根据权利要求1或2所述的抛弃式海水声速测量探头，其特征在于，所述安装架（21）为碳纤维安装架，其上还开设有过流孔（25）；所述发射换能器（22）和所述接收换能器（23）均为压电换能器。
8.根据权利要求1或2所述的抛弃式海水声速测量探头，其特征在于，还包括稳流环（7），其设置于所述流线型外壳（1）的尾端，所述稳流环（7）用于在探头水中下降时保持探头姿态稳定。
9.根据权利要求1或2所述的抛弃式海水声速测量探头，其特征在于，所述压力传感器（3）为压阻式压力传感器。
10.一种海水声速测量***，其特征在于，包括水面接收端和如权利要求1~9任意一项所述的抛弃式海水声速测量探头，所述水面接收端用于设置在水面船只上，所述水面接收端与所述抛弃式海水声速测量探头的所述测量电路（4）通讯连接。
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2024
- 2024-04-11 CN CN202410430496.XA patent/CN118032110A/zh active Pending
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