高精度声速剖面测量系统研究

摘要

随着科学技术的发展以及陆地资源的匮乏，人类已经将资源开发的重点转向了海洋。水中声速剖面是确保声呐设备正常工作的重要参数之一，声速剖面测量系统在海洋测绘、水文测量、水下导航与定位、水下信道测量等方面有着广泛的应用。 本论文的研究目的是设计并实现一套高精度声速剖面测量系统，该系统的声速测量部分采用基于门延迟的时间-数字转换技术(TDC)，本文的主要研究内容分为以下几部分: 1.研究了海水分布的规律以及影响因子，进而研究了三种常用的经验公式，分析它们在不同环境下的适用性。介绍了四种典型的直接测量法的原理，分析了它们在工程上实现的难易程度以及测量精度。研究了TDC-GP22芯片的测量原理，即基于门延迟的测时技术，介绍了该芯片在声速测量方面的优越性。 2.设计了高精度声速剖面测量系统的整体方案与硬件部分，硬件系统采用STM32作为主控芯片，选用工作频率为2MHz的超声波换能器。硬件系统具体包括控制模块、电源模块、串口通信模块、存储模块、声速与温度测量模块、压力测量模块等。 3.设计了系统的软件部分，包括嵌入式软件和上位机显控软件。嵌入式软件部分包括主程序、中断回调函数、定时器、实时时钟以及各个接口的驱动，并在存储卡中移植了FATFS文件系统。该系统成功的完成了水中声速、温度、深度的测量，并根据测量开启的时间，新建文件后开始存储测量数据，出水后关闭文件。在VS2017的开发环境下，为该系统设计了基于MFC对话框的上位机软件。设计了串口配置窗口、声速仪配置窗口、文件列表以及声速剖面显示窗口。上位机与下位机之间通过RS232串口通信，在上位机软件与下位机中实现了通信协议，完成了上位机对下位机的控制以及数据的读取与删除。 4.系统功能完成后，搭建校准环境，对声速测量和温度测量进行校准。首先，验证在不同温度下TDC-GP22的测量的稳定性，然后研究了声速仪的校准方法，根据最小二乘法完成测量数据与真实值的拟合。校准后在1400m/s～1550m/s范围内，声速测量精度达到±0.05m/s。最后在青岛某海域进行外场实验，与国际上的主流声速仪进行比较，测量结果良好。