【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(diǎn)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(cè)量系統(tǒng)在海洋測(cè)繪、水文測(cè)量、水下導(dǎo)航與定位、水下信道測(cè)量等方面有著廣泛的應(yīng)用。本論文的研究目的是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套高精度聲速剖面測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)的聲速測(cè)量部分采用基于門延遲的時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)(TDC),本文的主要研究?jī)?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(yàn)公式,分析它們?cè)诓煌h(huán)境下的適用性。介紹了四種典型的直接測(cè)量法的原理,分析了它們?cè)诠こ躺蠈?shí)現(xiàn)的難易程度以及測(cè)量精度。研究了TDC-GP22芯片的測(cè)量原理,即基于門延遲的測(cè)時(shí)技術(shù),介紹了該芯片在聲速測(cè)量方面的優(yōu)越性。⒉設(shè)計(jì)了高精度聲速剖面測(cè)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(chǔ)模塊、聲速與溫度測(cè)量模塊、壓力測(cè)量模塊等。⒊設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件部分,包括嵌入式軟件和上位機(jī)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(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及各個(gè)接口的驅(qū)動(dòng),并在存儲(chǔ)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(cè)量,并根據(jù)測(cè)量開啟的時(shí)間,新建文件后開始存儲(chǔ)測(cè)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(jì)了基于MFC對(duì)話框的上位機(jī)軟件。設(shè)計(jì)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(jī)與下位機(jī)之間通過RS232串口通信,在上位機(jī)軟件與下位機(jī)中實(shí)現(xiàn)了通信協(xié)議,完成了上位機(jī)對(duì)下位機(jī)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(duì)聲速測(cè)量和溫度測(cè)量進(jìn)行校準(zhǔn)。首先,驗(yàn)證在不同溫度下TDC-GP22的測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)與真實(shí)值的擬合。校準(zhǔn)后在1400m/s~1550m/s范圍內(nèi),聲速測(cè)量精度達(dá)到±0.05 m/s。最后在青島某海域進(jìn)行外場(chǎng)實(shí)驗(yàn),與國(guó)際上的主流聲速儀進(jìn)行比較,測(cè)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(duì)世界政治經(jīng)濟(jì)秩序和國(guó)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(guó)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(jí)的海洋強(qiáng)國(guó)。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(diǎn)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(zhǎng)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(duì)于水聲的研究追溯到 1490 年，達(dá)芬奇對(duì)水聲現(xiàn)象的描述；“如果船停航，將長(zhǎng)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(guó)的數(shù)學(xué)家 C.Sturn 在日內(nèi)瓦湖中進(jìn)行了聲速測(cè)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(shí)引爆船上炸藥發(fā)光。在接收船上，看到火光時(shí)開始計(jì)時(shí)，直到水下的喇叭形聲波接收器傳來聲音為止。經(jīng)過計(jì)算得出聲速值為 1435m/s，當(dāng)時(shí)湖水溫度大概為 8.1℃，與現(xiàn)代測(cè)量值相當(dāng)接近，這也是人類歷史上第一次定量測(cè)出水中聲速[3]。

吶設(shè)備來完成對(duì)海底地形地貌以及水深的測(cè)量，使用域需要測(cè)量聲速剖面，采用聲線跟蹤的方法，計(jì)算波到聲線的傳播，而且還會(huì)影響到后續(xù)的計(jì)算，對(duì)深度定位中，將目標(biāo)點(diǎn)到各接收點(diǎn)之間的傳播時(shí)間與聲速，然后計(jì)算目標(biāo)坐標(biāo)。與水聲探測(cè)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(cè)量水下通信、水下定位、聲場(chǎng)分析以及國(guó)防應(yīng)用上起著速測(cè)量?jī)x器概述方法大致分為兩類，一類是直接測(cè)量聲速相關(guān)物理量式計(jì)算的間接法。測(cè)聲速的設(shè)備稱之為 CTD(溫鹽深儀)，目前國(guó)外有名的 RBR 公司以及 AML 公司、美國(guó)海鳥公司、英國(guó)設(shè)備在測(cè)量精度以及穩(wěn)定性上都遙遙領(lǐng)先，國(guó)內(nèi)的
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P229;U666.7

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本文編號(hào)：2590037