國產SVS 1500/SVP 1500聲速儀及其應用

一、概述

電磁波在真空或空氣中具有良好的傳播特性，但在液體中幾乎不能傳播。聲波，不論是聲波或超聲波在彈性介質中都具有良好的穿透性和傳播特性，所以大部分感測器用聲波來測定水深。地球表面的海水溫度隨地理位置、季節、時間而變化，並且水體溫度場的縱向分布也很複雜，這些要素不論在時間上還是空間上對正確確定海水中的聲速都是至關重要的。

海水的主要物理特性有溫度、鹽度、壓力和密度，海水中的聲波衰減主要由海水介質的聲吸收引起。聲吸收係數大小對聲吶的聲吶的設計和應用具有重要的參考意義，同時也會對海洋中依靠聲波交流和捕食的哺乳動物的行為產生影響。聲波衰減是聲能在水體縱向上因水分子吸收、球形擴散和散射而造成的能量損失；當聲波或聲能穿過不同的界面時，聲波的方向就會因聲速的變化而折射，從而兩個界面的聲速不連續。深度測量對海水中聲速的變化是非常敏感的，溫度變化攝氏1度，聲速則大約變化4.5m/s。回聲測深儀是基於以下工作原理工作的，發射換能器向海底發射聲波，由接收換能器接收回波信號，設聲波往返傳播時間為t，則測得的水深Z可由下式計算：

Z＝1/2×∫toV(t)dt

式中：V(t)為聲波傳播路徑上的傳播速度。圖1給出了某水域相同時間不同時間和相同地點不同時間所測量的聲速剖面變化。

圖1 聲速剖面變化圖

如上所述，水中聲速作為所有聲納設備的一個重要參數，在海洋調查、水下工程、水下測繪、水下導航定位等諸多軍事、民用領域得到了廣泛的應用。國內外對聲速儀的研究也一直保持較高的熱度，相關產品也層出不窮，例如Valport公司的miniSVP系列、AML公司的CTD系列以及無錫海鷹的HY 1200系列聲速儀。

隨著各種聲納設備的升級，對聲速測量的精度也提出了越來越高的要求，因此高精度的水中聲速測量裝置也在相關領域技術提升方面起著至關重要的作用。本文就來介紹一下北京海卓同創科技有限公司新近推出的SVS 1500表面聲速儀及其應用場景，與同行們一起交流。

二、常規聲速測量方法

目前常用的聲速測量方法有兩種, 一種是間接測量法, 另一種是直接測量法。作為基礎物理參數之一的水中聲速，其範圍一般在1400～1600m/s之間，主要與水中的溫度、鹽度和水壓力3個基礎物理參數相關，因此一種通過測量水中的溫度、鹽度和水壓力3個物理參數，再通過關係式反算水中聲速的方法被提出，並得到了較長時間的應用，這種測量方法被稱為間接測量法，相關設備被稱為CTD，如圖2。但是，由於到目前為止，科學界尚未找到聲速與溫度、密度和壓力三個物理量之間確切的解析表達關係，因此間接測量法所使用的聲速與溫度、鹽度、水壓力的關係式均為試驗統計得到的經驗公式，相對精度較低。

圖2 常用的CTD設備

另外一種基於解析表達式，聲速V＝D/T的聲速測量方式叫直接測量法。直接法聲速測量是以測量某一固定距離D之間聲波傳播所需要的時間T為基礎的，見圖3。由於水中聲速的變化與聲波的頻率無關，所以直接測量法幾乎不受水體環境影響，可以直接反映出當前環境的聲速值，因此，直接測量法聲速儀目前得到了更廣泛的應用。

圖3 聲波測量深度原理圖

對於直接測量法當聲速的測量精度確定後，已知距離越大，對測時精度要求越低，所以通常是測量聲波在已知距離內往返多次的時間，即用接收到的反射回波信號去觸發發射電路，再發射下一個脈衝，這樣不斷地循環下去，以降低對測時精度的要求，這種方法被稱為「環鳴法」。傳統的直接測量法聲速儀都是基於「環鳴法」進行聲速測量。「環鳴法」聲速測量精度一般最高只能達到±0.2m/s，已無法滿足對高精度聲速測量的需求，同時「環鳴法」由於需要多次循環，因此其測量速率相對較低，難以滿足聲速快速變化場合的測量應用。

三、高精度聲速測量技術

目前最為常用的直接測量法聲速儀測量原理比較簡單，趙先龍在有關文獻中對直接測量法聲速儀的測量原理和測量精度進行了詳細的分析。在距離得到精確測量的前提下，聲速測量的精度直接受到時間測量精度的限制，即：

dT＝-T2/d×dC＝-D/C2×dC

從式中可知，當D=10cm時，聲速測量精度ΔC≤0.3m/s時，要求的測時精度為ΔT≤1.33×10-8s。即要求75MHz以上的計數頻率，採用「環鳴法」增加距離可以有效的降低對時間測量的精度的要求從而降低計數頻率要求。但當聲速測量精度要求為ΔC≤0.03m/s時，即要求750MHz以上的技術頻率，及時採用「環鳴法」也難以滿足要求。因此必須選擇更高精度的測時技術來解決高精度聲速測量中高精度測時的關鍵問題。

因此，如果能夠將基於高精度門延遲測時技術的高精度時間測量方法引入聲速儀的開發設計中則能夠大大提高聲速的測量精度，圖4給出了高精度門延遲測時單元基本原理框圖。

圖4 高精度門延遲測時單元基本原理框圖

最基本的高精度門延遲測時單元由高速門延遲計時電路、高速動態存儲器、高位計數器、計時後處理電路組成，其中高速動態存儲器用於實時存儲高速門延遲計時電路計時結果，高位計數器用於存儲低位計數器的進位結果，該測時單元的測時從「發射信號」開始，到外部接收電路輸出的「接收信號」結束。測時完成後高速動態存儲器的數據作為低位計數器值，高位計數器的計數結果作為高位計數器值分別傳入計時後處理電路，組合形成計時結果。由於每個傳輸門的延遲時間都能夠精確設計，因此在精確控制下去除各種誤差，當前基於門延遲技術的測試晶元其精度都能達到ps量級，完全能夠滿足高精度聲速儀對測試精度的要求。

解決了高精度測時問題，還只是高精度聲速儀設計中的一個問題，由於對聲速測量精度要求的提高，整個系統中電路的傳播時延誤差以及環境溫度對聲速的影響都必須嚴格測量和計算，最終才能得到高精度的聲速測量結果。因此，在考慮了各種誤差因素和解決方法後，本文提出一種基於高精度門延遲測時技術的聲速測量方法，圖5給出了該方法的流程圖。

圖5 高精度聲速測量方法流程圖

四、SVS1500聲速儀的設計

基於高精度門延遲測時技術，北京海卓同創科技有限公司團隊開發了SVS1500高精度表面聲速儀，其設計的聲速測量精度可達到±0.05m/s，解析度0.001m/s，聲速測量範圍為1400～1600m/s，測量速度30Hz。

SVS 1500表面聲速儀其超聲換能器採用聲學頻率為2MHz的活塞型換能器，艙外溫度感測器採用金屬水密外殼封裝的PT 1000鉑電阻感測器，2個感測器安裝於圓形的316L不鏽鋼材質感測器安裝板上，並確保超聲換能器的表面與感測器安裝板的外表面共面。超聲反射板同樣為圓形的316L不鏽鋼材質，通過3支長度為5cm的反射板支撐桿與感測器安裝板連接並確保平行。電子艙外殼為316L不鏽鋼材質圓筒，感測器安裝板和連接器安裝板安裝於電子艙外殼的兩端，並通過「O」型水密圈進行水密，水密連接器通過電纜將實時測量的聲速值上傳給相應的聲納設備，圖6為SVS1500設計結構圖。

圖6 SVS1500設計結構圖

SVS 1500表面聲速的電子系統主要由由微控制器、通信介面電路、高精度測時單元、功率放大電路、發射匹配電路、收發轉換電路、模擬開關電路、電壓比較電路、溫度測量單元、電路溫度感測器、水中溫度感測器組成。對於高精度測時單元而言，目前有較為成熟的集成晶元可以選擇，本文中也選擇現有的集成晶元實現高精度測時。圖7為SVS 1500電路系統的原理框圖。

圖7 SVS 1500聲速儀電路原理框圖

五、SVS1500聲速儀的主要特點

如前所述，直接測量法聲速儀的基本理原理和方法是在固定聲波傳播距離D的情況下，計算測量聲波在水中的傳播時間T，從而利用公式計算聲速。但是由於不同的產品在生產過程中儀器所能控制的距離D和所測量的時間都存在誤差，而且不同設備之間的差別都不盡相同，因此需要在產品出廠前進行聲速的標定。

中華人民共和國海洋行業標準《HY/T 101-2007海水聲速儀檢測方法》中給出了利用標準海水和通過溫度、鹽度和壓力3個參數計算海水中聲速，並以此為據對聲速儀進行檢測的方法。利用此方法能夠得到最高±0.20m/s的聲速檢測精度。

由於SVS 1500聲速儀的設計精度可達到±0.05m/s，因此基於海水檢測的聲速儀精度只能達到±0.2m/s精度等級，已經不能滿足對高精度聲速儀檢測的需要，所以必須採取更有效的、更自動化的聲速儀檢測設備和方法。

提高聲速儀標校、檢測精度的關鍵是採用更高精度的聲速參考標準。基於純水的理論聲速值測量研究已在全球範圍內廣泛開展，目前公認精度較高的純水中的聲速公式是Bilaniuk和Wong所提出的3個純水聲速公式（具體的112點、36點、148點公式略）。

其中的148點公式在0～100℃的標準大氣壓環境下，聲速擬合精度都能達到0.02m/s的精度，而且在純水和標準大氣壓環境下聲速只與溫度有關，因此採用純水進行聲速儀的標校和檢測將大大減小環境因素引起的誤差，從而大大提高檢測設備的精度。

為了驗證SVS 1500產品的聲速測量精度是否達到設計指標，把SVS 1500表面聲速儀與目前國際上主流的高精度聲速儀Valport公司miniSVS和AML公司的CTD聲速儀在同一場景下進行了聲速測量比對試驗，對比試驗分別對溫度均勻變化和溫度階梯變化兩種情況進行，圖8、9分別給出了的對比結果曲線。

圖8 溫度均勻變化聲速測量值對比曲線

圖9 溫度階梯變化聲速測量值對比曲線

從對比曲線中可以看出，SVS 1500與標稱精度為±0.02m/s的miniSVS的測量精度幾乎相同，兩種測試情況下聲速測量誤差在均能控制在±0.02m/s的範圍內，也證明所設計的SVS 1500表面聲速儀的測量精度完全能夠達到±0.05m/s的設計指標；與AML公司CTD聲速儀相比存在與溫度相關的固有系統偏差，這也反應了不同測量方法之間所存在的固有差異。

SVS 1500表面聲速儀主要具有以下5個特點：高精度時間測量技術，突破了國際最先進的「時間飛躍」技術，把時間測量精度提升到皮秒（ps）量級，進而將聲速測量精度提升至0.05m/s；寬溫無形變材料技術，在充分研究各類材料的基礎上，獲得超低熱膨脹冷縮係數的新材料作為聲波反射面的支撐桿；超精密機械加工技術，嘗試了多種精密機械加工方法，最終將由支撐桿連接的反射面和超聲換能器的距離控制在微米量級；高精度溫度測量技術，在對各類感測器和溫度測量方法進行研究後，最終溫度的實時測量精度提高到0.05℃；高標準參數校準技術，建立了0.005度的恆溫場水浴校準設備，對每一台聲速儀進行各參數的校準。

SVS 1500表面聲速儀

SVP1500聲速剖面儀

六、結束語

水中的聲速是研究聲波在水中傳播的最基本物理量之一，也是進行水下聲波測距與定位、探測及水下環境監測等工作中的重要參數。聲速測量一直以來都是水聲學中非常重要的研究內容。精確地測量水中聲速具有重要的意義，可以有效地為測深儀、聲吶等水聲設備矯正測量誤差提供準確的聲速數據。

為了解決水中聲速高精度測量的問題，本文提出一種利用高精度門延遲測時技術實現的水中聲速測量方法，該方法中除了大大提高了測時精度而且消除了電路延遲、反射表面支撐桿溫度變化等因素所造成的聲速測量誤差；同時文中採用Bilaniuk和Wong提出148點純水聲速公式作為參考標準聲速進行標校。經SVS 1500表面聲速儀與Valprt和AML相關產品對比表明，其聲速測量精度完全達到±0.05m/s的高精度聲速測量標準。

在SVS1500高精度聲速測量的基礎上，北京海卓同創科技有限公司還推出了具有高精度、高採樣、長續航、大存儲、高可靠特點的SVP1500聲速剖面儀產品，並形成系列化聲速測量產品的生產能力。

【作者簡介】第一作者湯雲龍，男，1990出生，四川成都人，碩士研究生（學歷），北京海卓同創科技有限公司，主要從事多波束測深儀、側掃聲納、聲速儀的系統研發工作。北京海卓同創科技有限公司是一家致力於最先進的水下勘察測繪類儀器產品研發和產業化的高新技術企業。公司核心產品包括系列化的多波束測深產品、側掃聲納產品、聲速測量產品以及慣性航姿測量產品，全系列產品均已達到國內領先、國際主流的先進水平。在多波束測深系統、側掃聲納系統、聲速測量系統以及各類勘測聲納領域擁有全系統完全自主知識產權，除貨架產品外，還具備相關產品的定製化開發能力。

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