[發明專利]一種基于聲光效應的水下聲速測量儀

在審

• 申請號: 202010849761.X
• 申請日: 2020-08-21
• 公開（公告）號: CN111964772A
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 薛彬;李晨曦
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01H5/00
• 分類號: G01H5/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李麗萍

本發明公開了一種基于聲光效應的水下聲速測量儀，包括由一個激光器、五個分束鏡、一個反射鏡和一個PD構成的光路，上述器件設置在聲波傳播區域的兩側，PD依次連接有數據采集模塊和FPGA數據儲存模塊；還包括用于對激光進行外部校正的兩個校準玻璃視窗。光路中的參考光和第一測量光形成第一干涉光，參考光和第二測量光形成第二干涉光；聲波發射后，得到的第一、二干涉光被打入PD，聲波信號通過上述光路時產生的時域信號中包含兩個畸變點，兩個畸變點之間的時間間隔即為聲波從第一測量光傳播到第二測量光的時間。本發明利用聲光效應及激光高精度、高準確度的特點，將所處的聲場的聲信息表現以聲光效應的形式，從而得到高精度的聲速數據。

技術領域

本發明涉及一種用于海洋領域內的聲速測量系統，尤其涉及一種應用聲光效應的高精度水下聲速測量系統。

背景技術

聲波是機械波的一種，而聲速則是描述聲波在介質中傳播特性的一個基本物理量，與介質的特性有關。通過介質中聲速的測定，可以了解很多信息。聲速得測量在海洋探索中扮演著極其重要的角色。海水聲速是進行水下聲波測距與定位、探傷以及海洋環境檢測等測量過程中的重要參數之一；對于資源分布、地質調查、水文信號測量、反潛、水文地質以及國防建設上都有廣泛的應用和重要的作用。

在傳統聲速測量中，一般分成直接測量法和間接測量法。間接法指的是，根據聲速與溫度、靜壓力之間的函數關系，通過經驗公式間接計算出聲速大小。國際上總結了具有代表性的幾個經驗公式，分別是：Chen-Millero算法、del Grosso算法、Wilson算法。這些算法公式誤差較小，精度較高，然而相對的其適應性差。在不同地區、不同環境需要應用不同的公式才能得到精確的結果。以Wilson聲速公式為例，在溫度為-4℃T30℃，壓力為1kg/cm2P1000kg/cm2和鹽度為0S37的范圍內，其精度才能達到最優。然而對于被測量地區，其各項指標往往是未知的，這與計量原則相悖，且誤差較多。綜上所述，間接測量法具有較大的缺點。而直接測量法在應用中，換能器通過壓電效應產生超聲信號，通過測量信號的收發時延以計算聲速大小。然而由于產生超聲波的機理復雜，導致其振動起點不明，無法精確捕捉其相位信息，因而無法精確測量其時延信號。

發明內容

針對上述現有技術，本發明提出一種基于聲光效應的水下聲速測量儀，設計了基于馬赫曾德干涉儀的光路，利用聲光效應和激光干涉，在連續聲波下，引起光信號在相位上的突變，使光攜帶特殊的“標記信號”。相位級的標記信號測量能夠得到高精度的時間信息；在標定好第一測量光和第二測量光的距離的情況下，能精確計算聲速大小。該方法在高精度測量聲速的同時，保證了聲速測量的溯源性。

為了解決上述技術問題，本發明提出的一種基于聲光效應的水下聲速測量儀，包括殼體，所述殼體內設有光路，所述光路包括的光學器件是分別設置在聲波傳播區域兩側的激光器、五個分束鏡、一個反射鏡和一個光電探測器；其中，五個分束鏡分別記為第一分束鏡、第二分束鏡、第三分束鏡、第四分束鏡和第五分束鏡；在所述殼體相對的兩個側壁上分別設有一個校準玻璃視窗用于對激光進行外部校正，使激光等高，兩個校準玻璃視窗分別第一校準玻璃視窗和第二校準玻璃視窗；與所述光電探測器依次連接有數據采集模塊和FPGA數據儲存模塊；

所述光路中各光學器件及所述第一校準玻璃視窗和第二校準玻璃視窗的布置如下：