【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及陸地資源的匱乏,人類已經(jīng)將資源開發(fā)的重點轉(zhuǎn)向了海洋。水中聲速剖面是確保聲吶設(shè)備正常工作的重要參數(shù)之一,聲速剖面測量系統(tǒng)在海洋測繪、水文測量、水下導(dǎo)航與定位、水下信道測量等方面有著廣泛的應(yīng)用。本論文的研究目的是設(shè)計并實現(xiàn)一套高精度聲速剖面測量系統(tǒng),該系統(tǒng)的聲速測量部分采用基于門延遲的時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)(TDC),本文的主要研究內(nèi)容分為以下幾部分:⒈研究了海水分布的規(guī)律以及影響因子,進(jìn)而研究了三種常用的經(jīng)驗公式,分析它們在不同環(huán)境下的適用性。介紹了四種典型的直接測量法的原理,分析了它們在工程上實現(xiàn)的難易程度以及測量精度。研究了TDC-GP22芯片的測量原理,即基于門延遲的測時技術(shù),介紹了該芯片在聲速測量方面的優(yōu)越性。⒉設(shè)計了高精度聲速剖面測量系統(tǒng)的整體方案與硬件部分,硬件系統(tǒng)采用STM32作為主控芯片,選用工作頻率為2MHz的超聲波換能器。硬件系統(tǒng)具體包括控制模塊、電源模塊、串口通信模塊、存儲模塊、聲速與溫度測量模塊、壓力測量模塊等。⒊設(shè)計了系統(tǒng)的軟件部分,包括嵌入式軟件和上位機顯控軟件。嵌入式軟件部分包括主程序、中斷回調(diào)函數(shù)、定時器、實時時鐘以及各個接口的驅(qū)動,并在存儲卡中移植了FATFS文件系統(tǒng)。該系統(tǒng)成功的完成了水中聲速、溫度、深度的測量,并根據(jù)測量開啟的時間,新建文件后開始存儲測量數(shù)據(jù),出水后關(guān)閉文件。在VS2017的開發(fā)環(huán)境下,為該系統(tǒng)設(shè)計了基于MFC對話框的上位機軟件。設(shè)計了串口配置窗口、聲速儀配置窗口、文件列表以及聲速剖面顯示窗口。上位機與下位機之間通過RS232串口通信,在上位機軟件與下位機中實現(xiàn)了通信協(xié)議,完成了上位機對下位機的控制以及數(shù)據(jù)的讀取與刪除。⒋系統(tǒng)功能完成后,搭建校準(zhǔn)環(huán)境,對聲速測量和溫度測量進(jìn)行校準(zhǔn)。首先,驗證在不同溫度下TDC-GP22的測量的穩(wěn)定性,然后研究了聲速儀的校準(zhǔn)方法,根據(jù)最小二乘法完成測量數(shù)據(jù)與真實值的擬合。校準(zhǔn)后在1400m/s~1550m/s范圍內(nèi),聲速測量精度達(dá)到±0.05 m/s。最后在青島某海域進(jìn)行外場實驗,與國際上的主流聲速儀進(jìn)行比較,測量結(jié)果良好。
【圖文】：

開發(fā)潛力巨大的空間領(lǐng)域[1]。在經(jīng)濟(jì)全球化和世界多極化的條件下，海洋對世界政治經(jīng)濟(jì)秩序和國家安全與發(fā)展的影響越來越大，已經(jīng)成為人類生存與發(fā)展空間拓展的主要領(lǐng)域[2]。我國于 20 世紀(jì)末制定了 21 世紀(jì)的發(fā)展戰(zhàn)略，其宗旨是發(fā)展成為世界級的海洋強國。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及陸地資源的匱乏，人類已經(jīng)將資源開發(fā)的重點轉(zhuǎn)向了海洋。在海水各種輻射形式中，包括聲、光、電，其中聲波在海水中的傳播效果最好，電磁波與光不能在海水中長距離傳播。這些特性使水聲成為了海洋工程的重要工具，水聲技術(shù)被廣泛的用于軍用與民用領(lǐng)域。人類對于水聲的研究追溯到 1490 年，達(dá)芬奇對水聲現(xiàn)象的描述；“如果船停航，將長管一端插入水中，而將管的開口放在耳旁，便能聽到遠(yuǎn)處航船的聲音�！�1826 年，來自瑞士的物理學(xué)家 D.Colladon 和來自法國的數(shù)學(xué)家 C.Sturn 在日內(nèi)瓦湖中進(jìn)行了聲速測量。如圖 1.1 所示，兩船相距 13847 米，在發(fā)射船上用鏈條將一口鐘吊入水中，敲擊鐘的同時引爆船上炸藥發(fā)光。在接收船上，看到火光時開始計時，直到水下的喇叭形聲波接收器傳來聲音為止。經(jīng)過計算得出聲速值為 1435m/s，當(dāng)時湖水溫度大概為 8.1℃，與現(xiàn)代測量值相當(dāng)接近，這也是人類歷史上第一次定量測出水中聲速[3]。

吶設(shè)備來完成對海底地形地貌以及水深的測量，使用域需要測量聲速剖面，采用聲線跟蹤的方法，計算波到聲線的傳播，而且還會影響到后續(xù)的計算，對深度定位中，將目標(biāo)點到各接收點之間的傳播時間與聲速，然后計算目標(biāo)坐標(biāo)。與水聲探測領(lǐng)域類似，為了提速剖面，進(jìn)行聲線修正[4]。綜上所述，海水聲速測量水下通信、水下定位、聲場分析以及國防應(yīng)用上起著速測量儀器概述方法大致分為兩類，一類是直接測量聲速相關(guān)物理量式計算的間接法。測聲速的設(shè)備稱之為 CTD(溫鹽深儀)，目前國外有名的 RBR 公司以及 AML 公司、美國海鳥公司、英國設(shè)備在測量精度以及穩(wěn)定性上都遙遙領(lǐng)先，國內(nèi)的
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P229;U666.7

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 李勝全;聲速剖面測量[J];海洋測繪;2001年04期

2 陳鴻志,宋敬利,韓引海;MVP-300系統(tǒng)及其應(yīng)用[J];海洋技術(shù);2004年02期

3 王志彬;;基于工程實例的三維水深測量方法研究[J];科技資訊;2018年02期

4 尹善明;徐剛;;一種聲速剖面遙測系統(tǒng)的時延差編碼方案設(shè)計[J];海洋技術(shù);2013年01期

5 董慶亮;陳東;李明叁;陸高鋒;蔣小俊;徐華慶;;投棄式溫鹽深測量儀在海底地形測量中的應(yīng)用[J];海洋測繪;2013年03期

6 張寶華;趙梅;;海水聲速測量方法及其應(yīng)用[J];聲學(xué)技術(shù);2013年01期

相關(guān)會議論文 前2條

1 張異彪;;多波束測深系統(tǒng)的組成、特點及其應(yīng)用[A];1999年中國地球物理學(xué)會年刊——中國地球物理學(xué)會第十五屆年會論文集[C];1999年

2 袁延藝;宋俊;;聲速剖面測量誤差對淺海低頻聲傳播數(shù)值預(yù)報的影響[A];中國聲學(xué)學(xué)會2009年青年學(xué)術(shù)會議[CYCA’09]論文集[C];2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 魏宗坤;高精度聲速剖面測量系統(tǒng)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2019年

，

本文編號：2590037