论文专区▏新型声速剖面仪设计方法研究

【编者按】由于传统声速剖面仪测量精度有限，为了提高声速测量精度，本文的新型声速剖面仪采用目前国际上最先进的“时间飞跃”技术来进行声速的测量，并应用Acam公司设计的TDC_GP22高精度时间测量芯片来具体实现，试验结果表明新型声速剖面仪的测量精度可以得到明显提高。本文发表在《海洋测绘》2016年第4期上，现编发给朋友们阅读了解。伊凡，女，1988年出生，山东临沂人，无锡市海鹰加科海洋科技有限责任公司，助理工程师，硕士，主要从事声纳信号处理研究。

一、引言声速剖面仪是一种测量水中不同深度声波传播速度的精密测量仪器，通过内部的温度、压力传感器等器件可以快速准确的测得当前水层的声速、温度、深度等数据，其中所测得的声速数据更是声纳设备所需的一个重要参数，被广泛应用于水深测量等工作。然而随着各种声纳设备的升级，其对声速的精度要求也越来越高，因此传统的基于“环鸣法”测量声速的仪器已经无法满足高精度声速测量的要求。    为了提高声速剖面仪的测量精度，本文介绍的新型声速剖面仪不再采用传统的“环鸣法”进行声速测量^[1]，而是采用目前国际上最先进的“时间飞跃（Time Of Flight，TOF）”技术进行声速测量，TOF测量原理又称回波测距原理，是非接触测距的一种方法，当前广泛应用于物位测量中^[2]。其原理是：安装在声速剖面仪基座上的换能器向反射面发射超声波，当超声波传播到反射面上时，反射并返回到换能器上被接收，通过检测声波往返时间，就可计算出声速值。该方法具体通过Acam公司的TDC_GP22芯片来实现，该芯片目前主要应用于超声波水表和超声波热表等需要超高精度时间测量的仪器。由于TDC_GP22具有极高的时间检测分辨率(PS级)，因此，仅单次测量的数据精度，就比“环鸣法”多次测量平均所得到的数据精度高。

二、新型声速剖面仪技术简介⒈ 时间的测量时间的测量是声速剖面仪测量的关键，该时间测量精度决定了声速的测量精度。TDC_GP22芯片是Acam公司研发的最新一代高精度时间数字转换器。该芯片具有ps级的测量精度，并在内部集成了发射频率和相位都可调的高速脉冲发生器^[3]，因此使用该芯片可以满足高精度设计要求。在新型声速剖面仪的设计中，为了简化结构设计，发射和接收采用共用一个换能器的方法，并利用“时间飞跃”技术原理进行声速的测量。具体方法为：在距离换能器S处固定一个反射平面，在外围单片机的控制下，TDC_GP22发送出所需频率、个数的发射信号，该信号被换能器接收后向反射平面发射超声波，该超声波经反射面反射并重新被换能器接收，声速值C＝2S/T。其中S为换能器到反射平面的距离；T为超声波一次往返的时间。见图1。图1 测量原理图时间T的测量由TDC_GP22芯片内部的TDC数据处理模块完成，TDC是一个时间数字转换器，它是一种高精度短时间间隔测量的技术方法。数字TDC是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量的^[4]。见图2。 图2 TDC测量原理结构TDC有两种测量模式，其最重要的不同在于测量时间的范围不同^[5]。本文设计选用测量范围2模式。通过对该芯片内部的控制寄存器的配置，可以使芯片工作在不同的测量范围和工作模式下^[6]。在测量模式2下只有一个Stop通道对应Start通道且TDC测量单元并不测量整个时间间隔，仅仅测量从START或STOP信号到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔时间（精确计数器）。在两次精密测量之间，TDC记下基准时钟的周期数（粗值计数器) ^[4]。测量范围2模式见图3。 图3 测量范围2模式原理图时间测量结尾，TDC测量两个基准时钟周期以进行校准^[7]。TDC_GP22芯片进行高精度时间测量的最大优势就在于它具有内部集成的第一波检测功能，该功能可以通过设置一个合适的门限值（-36mv～+35mv）,能够极大的降低offset噪声，并能控制测量的脉冲时间是相关于第一个回波的时间^[8]。⒉ 温度的测量 温度作为声速剖面仪的一个重要参数用来校准测得的声速值，因为声速和温度具有很大的关系，因此高精度的温度测量在声速剖面仪的设计过程中是非常重要的。TDC_GP22有一个PICOSTRAIN基础的温度测量单元，可实现高精度和低功耗的温度测量^[8]。其原理主要是基于电阻对电容的放电时间的。由于温度传感器的电阻值与温度有直接关系，芯片将会直接测量温度传感器 RTD的电阻变化量，通过内部非常精确的时间测量完成^[6]。实际测量过程中，会选用一个参考温度稳定的电阻和RTD电阻分别对同一个电容进行充放电，根据它们放电时间的比率可以得出RTD电阻，具体计算过程见公式(1)。内部比较器在3.0V 时，增益纠正系数gainfactor为0.9931。R₀是0℃时的铂电阻抗。根据铂电阻温度计的电阻值和温度的关系如下公式(2)：R_RTD＝R₀(1＋AT＋BT²)             ⑵可得出：其中，A和B是正常数值，其量级分别为10^-3和10^-7，对于正规的铂电阻产品这些参数都是已知的；R_RTD是当前温度下铂电阻的阻抗值；T是要测的摄氏温度。通过以上计算公式即可得到所需的温度值。

三、新型声速剖面仪的电路设计新型声速剖面仪的电路设计主要分为两个部分，第一部分是以TDC_GP22为核心的温度、时间测量模块，需要外接换能器、温度传感器等外围器件。第二部分是以STM32单片机为核心的数据处理模块，该部分主要是负责控制GP22工作，将时间测量结果传回给单片机进行声速值的精确计算^[9]，该部分本文不作详细描述。由于TDC_GP22内部将各模块的功能高度集成，包括第一波检测功能，高精度温度测量，脉冲发生装置，模拟开关，比较器，窗口功能及时钟标定等^[10]，仅需要外部加一个简单的单片机就可进行非常高精度的测量。因此在应用过程中可以做到硬件设计简化，将外部元器件的数量做到最低，从而电路板的尺寸能做到非常小。下图为简略的硬件设计原理图。 图4 声速剖面仪设计原理简图GP22的温度测量模块外围电路非常简单，主要是因为其内部集成了一个施密特触发器。图中R1为温度稳定参考电阻，C1为充放电电容，PT1000为选用的温度传感器。通过对GP22寄存器的有效设置，发射端会发送出发射信号，传回的模拟信号经过一个内部集成的比较器转化为数字信号，给到stop输入端^[11]。GP22还有一个时间延时窗口，该功能可以滤除STOP信号前段的噪声。再加上该芯片具有第一波检测功能，可以有效测得第一个波的脉冲，从而就能得到有效的回波飞行时间。

四、 试验结果及结论TDC_GP22芯片除本身具有极高的测量精度（分辨率能达到ps级）外还具有超低的能耗^[12]，新型声速剖面仪整个硬件系统完成后进行了初步的实验，实验过程中选取了11组不同温度下的声速数据与对应温度的标准声速进行对比，结果表明数据在稳定性、精确值和测量精度方面都能达到设计要求。其中所测温度的精度能达到±0.05℃，分辨率能达到0.001℃，声速的测量精度能达到0.03m/s，分辨率能达到0.001米/秒。本文提出的使用TDC-GP22芯片进行新型声速剖面仪的设计方法，该方法硬件设计简单易于实现，实验数据理想，可以应用于更高精度的声速剖面仪设计中。

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