海洋技术▏国产SVS 1500/SVP 1500声速仪及其应用
一、概述
电磁波在真空或空气中具有良好的传播特性，但在液体中几乎不能传播。声波，不论是声波或超声波在弹性介质中都具有良好的穿透性和传播特性，所以大部分传感器用声波来测定水深。地球表面的海水温度随地理位置、季节、时间而变化，并且水体温度场的纵向分布也很复杂，这些要素不论在时间上还是空间上对正确确定海水中的声速都是至关重要的。
海水的主要物理特性有温度、盐度、压力和密度，海水中的声波衰减主要由海水介质的声吸收引起。声吸收系数大小对声呐的声呐的设计和应用具有重要的参考意义，同时也会对海洋中依靠声波交流和捕食的哺乳动物的行为产生影响。声波衰减是声能在水体纵向上因水分子吸收、球形扩散和散射而造成的能量损失；当声波或声能穿过不同的界面时，声波的方向就会因声速的变化而折射，从而两个界面的声速不连续。深度测量对海水中声速的变化是非常敏感的，温度变化摄氏1度，声速则大约变化4.5m/s。回声测深仪是基于以下工作原理工作的，发射换能器向海底发射声波，由接收换能器接收回波信号，设声波往返传播时间为t，则测得的水深Z可由下式计算：
Z＝1/2×∫toV(t) dt ⑴
式中：V(t)为声波传播路径上的传播速度。图1给出了某水域相同时间不同时间和相同地点不同时间所测量的声速剖面变化。
图1 声速剖面变化图
如上所述，水中声速作为所有声纳设备的一个重要参数，在海洋调查、水下工程、水下测绘、水下导航定位等诸多军事、民用领域得到了广泛的应用。国内外对声速仪的研究也一直保持较高的热度，相关产品也层出不穷，例如Valport公司的miniSVP系列、AML公司的CTD系列以及无锡海鹰的HY 1200系列声速仪。
随着各种声纳设备的升级，对声速测量的精度也提出了越来越高的要求，因此高精度的水中声速测量装置也在相关领域技术提升方面起着至关重要的作用。本文就来介绍一下北京海卓同创科技有限公司新近推出的SVS 1500表面声速仪及其应用场景，与同行们一起交流。
二、常规声速测量方法
目前常用的声速测量方法有两种, 一种是间接测量法, 另一种是直接测量法。作为基础物理参数之一的水中声速，其范围一般在1400～1600m/s之间，主要与水中的温度、盐度和水压力3个基础物理参数相关，因此一种通过测量水中的温度、盐度和水压力3个物理参数，再通过关系式反算水中声速的方法被提出，并得到了较长时间的应用，这种测量方法被称为间接测量法，相关设备被称为CTD，如图2。但是，由于到目前为止，科学界尚未找到声速与温度、密度和压力三个物理量之间确切的解析表达关系，因此间接测量法所使用的声速与温度、盐度、水压力的关系式均为试验统计得到的经验公式，相对精度较低。
图2 常用的CTD设备
另外一种基于解析表达式，声速V＝D/T的声速测量方式叫直接测量法。直接法声速测量是以测量某一固定距离D之间声波传播所需要的时间T为基础的，见图3。由于水中声速的变化与声波的频率无关，所以直接测量法几乎不受水体环境影响，可以直接反映出当前环境的声速值，因此，直接测量法声速仪目前得到了更广泛的应用。
图3 声波测量深度原理图
对于直接测量法当声速的测量精度确定后，已知距离越大，对测时精度要求越低，所以通常是测量声波在已知距离内往返多次的时间，即用接收到的反射回波信号去触发发射电路，再发射下一个脉冲，这样不断地循环下去，以降低对测时精度的要求，这种方法被称为“环鸣法”。传统的直接测量法声速仪都是基于“环鸣法”进行声速测量。“环鸣法”声速测量精度一般最高只能达到±0.2m/s，已无法满足对高精度声速测量的需求，同时“环鸣法”由于需要多次循环，因此其测量速率相对较低，难以满足声速快速变化场合的测量应用。
三、高精度声速测量技术
目前最为常用的直接测量法声速仪测量原理比较简单，赵先龙在有关文献中对直接测量法声速仪的测量原理和测量精度进行了详细的分析。在距离得到精确测量的前提下，声速测量的精度直接受到时间测量精度的限制，即：
dT＝-T2/d×dC＝-D/C2×dC ⑵
从式中可知，当D=10cm时，声速测量精度ΔC≤0.3m/s时，要求的测时精度为ΔT≤1.33×10-8s。即要求75MHz以上的计数频率，采用“环鸣法”增加距离可以有效的降低对时间测量的精度的要求从而降低计数频率要求。但当声速测量精度要求为ΔC≤0.03m/s时，即要求750MHz以上的技术频率，及时采用“环鸣法”也难以满足要求。因此必须选择更高精度的测时技术来解决高精度声速测量中高精度测时的关键问题。
因此，如果能够将基于高精度门延迟测时技术的高精度时间测量方法引入声速仪的开发设计中则能够大大提高声速的测量精度，图4给出了高精度门延迟测时单元基本原理框图。
图4 高精度门延迟测时单元基本原理框图
最基本的高精度门延迟测时单元由高速门延迟计时电路、高速动态存储器、高位计数器、计时后处理电路组成，其中高速动态存储器用于实时存储高速门延迟计时电路计时结果，高位计数器用于存储低位计数器的进位结果，该测时单元的测时从“发射信号”开始，到外部接收电路输出的“接收信号”结束。测时完成后高速动态存储器的数据作为低位计数器值，高位计数器的计数结果作为高位计数器值分别传入计时后处理电路，组合形成计时结果。由于每个传输门的延迟时间都能够精确设计，因此在精确控制下去除各种误差，当前基于门延迟技术的测试芯片其精度都能达到ps量级，完全能够满足高精度声速仪对测试精度的要求。
解决了高精度测时问题，还只是高精度声速仪设计中的一个问题，由于对声速测量精度要求的提高，整个系统中电路的传播时延误差以及环境温度对声速的影响都必须严格测量和计算，最终才能得到高精度的声速测量结果。因此，在考虑了各种误差因素和解决方法后，本文提出一种基于高精度门延迟测时技术的声速测量方法，图5给出了该方法的流程图。
图5 高精度声速测量方法流程图
四、SVS1500声速仪的设计
基于高精度门延迟测时技术，北京海卓同创科技有限公司团队开发了SVS1500高精度表面声速仪，其设计的声速测量精度可达到±0.05m/s，分辨率0.001m/s，声速测量范围为1400～1600m/s，测量速度30Hz。
SVS 1500表面声速仪其超声换能器采用声学频率为2MHz的活塞型换能器，舱外温度传感器采用金属水密外壳封装的PT 1000铂电阻传感器，2个传感器安装于圆形的316L不锈钢材质传感器安装板上，并确保超声换能器的表面与传感器安装板的外表面共面。超声反射板同样为圆形的316L不锈钢材质，通过3支长度为5cm的反射板支撑杆与传感器安装板连接并确保平行。电子舱外壳为316L不锈钢材质圆筒，传感器安装板和连接器安装板安装于电子舱外壳的两端，并通过“O”型水密圈进行水密，水密连接器通过电缆将实时测量的声速值上传给相应的声纳设备，图6为SVS1500设计结构图。
图6 SVS1500设计结构图
SVS 1500表面声速的电子系统主要由由微控制器、通信接口电路、高精度测时单元、功率放大电路、发射匹配电路、收发转换电路、模拟开关电路、电压比较电路、温度测量单元、电路温度传感器、水中温度传感器组成。对于高精度测时单元而言，目前有较为成熟的集成芯片可以选择，本文中也选择现有的集成芯片实现高精度测时。图7为SVS 1500电路系统的原理框图。
图7 SVS 1500声速仪电路原理框图
五、SVS1500声速仪的主要特点
如前所述，直接测量法声速仪的基本理原理和方法是在固定声波传播距离D的情况下，计算测量声波在水中的传播时间T，从而利用公式计算声速。但是由于不同的产品在生产过程中仪器所能控制的距离D和所测量的时间都存在误差，而且不同设备之间的差别都不尽相同，因此需要在产品出厂前进行声速的标定。
中华人民共和国海洋行业标准《HY/T 101-2007海水声速仪检测方法》中给出了利用标准海水和通过温度、盐度和压力3个参数计算海水中声速，并以此为据对声速仪进行检测的方法。利用此方法能够得到最高±0.20m/s的声速检测精度。
由于SVS 1500声速仪的设计精度可达到±0.05m/s，因此基于海水检测的声速仪精度只能达到±0.2m/s精度等级，已经不能满足对高精度声速仪检测的需要，所以必须采取更有效的、更自动化的声速仪检测设备和方法。
提高声速仪标校、检测精度的关键是采用更高精度的声速参考标准。基于纯水的理论声速值测量研究已在全球范围内广泛开展，目前公认精度较高的纯水中的声速公式是Bilaniuk和Wong所提出的3个纯水声速公式（具体的112点、36点、148点公式略）。
其中的148点公式在0～100℃的标准大气压环境下，声速拟合精度都能达到0.02m/s的精度，而且在纯水和标准大气压环境下声速只与温度有关，因此采用纯水进行声速仪的标校和检测将大大减小环境因素引起的误差，从而大大提高检测设备的精度。
为了验证SVS 1500产品的声速测量精度是否达到设计指标，把SVS 1500表面声速仪与目前国际上主流的高精度声速仪Valport公司miniSVS和AML公司的CTD声速仪在同一场景下进行了声速测量比对试验，对比试验分别对温度均匀变化和温度阶梯变化两种情况进行，图8、9分别给出了的对比结果曲线。
图8 温度均匀变化声速测量值对比曲线
图9 温度阶梯变化声速测量值对比曲线
从对比曲线中可以看出，SVS 1500与标称精度为±0.02m/s的miniSVS的测量精度几乎相同，两种测试情况下声速测量误差在均能控制在±0.02m/s的范围内，也证明所设计的SVS 1500表面声速仪的测量精度完全能够达到±0.05m/s的设计指标；与AML公司CTD声速仪相比存在与温度相关的固有系统偏差，这也反应了不同测量方法之间所存在的固有差异。
SVS 1500表面声速仪主要具有以下5个特点：①高精度时间测量技术，突破了国际最先进的“时间飞跃”技术，把时间测量精度提升到皮秒（ps）量级，进而将声速测量精度提升至0.05m/s；②宽温无形变材料技术，在充分研究各类材料的基础上，获得超低热膨胀冷缩系数的新材料作为声波反射面的支撑杆；③超精密机械加工技术，尝试了多种精密机械加工方法，最终将由支撑杆连接的反射面和超声换能器的距离控制在微米量级；④高精度温度测量技术，在对各类传感器和温度测量方法进行研究后，最终温度的实时测量精度提高到0.05℃；⑤高标准参数校准技术，建立了0.005度的恒温场水浴校准设备，对每一台声速仪进行各参数的校准。
六、结束语
水中的声速是研究声波在水中传播的最基本物理量之一，也是进行水下声波测距与定位、探测及水下环境监测等工作中的重要参数。声速测量一直以来都是水声学中非常重要的研究内容。精确地测量水中声速具有重要的意义，可以有效地为测深仪、声呐等水声设备矫正测量误差提供准确的声速数据。
为了解决水中声速高精度测量的问题，本文提出一种利用高精度门延迟测时技术实现的水中声速测量方法，该方法中除了大大提高了测时精度而且消除了电路延迟、反射表面支撑杆温度变化等因素所造成的声速测量误差；同时文中采用Bilaniuk和Wong提出148点纯水声速公式作为参考标准声速进行标校。经SVS 1500表面声速仪与Valprt和AML相关产品对比表明，其声速测量精度完全达到±0.05m/s的高精度声速测量标准。
在SVS1500高精度声速测量的基础上，北京海卓同创科技有限公司还推出了具有高精度、高采样、长续航、大存储、高可靠特点的SVP1500声速剖面仪产品，并形成系列化声速测量产品的生产能力。
【作者简介】第一作者汤云龙，男，1990出生，四川成都人，硕士研究生（学历），北京海卓同创科技有限公司，主要从事多波束测深仪、侧扫声纳、声速仪的系统研发工作。北京海卓同创科技有限公司是一家致力于最先进的水下勘察测绘类仪器产品研发和产业化的高新技术企业。公司核心产品包括系列化的多波束测深产品、侧扫声纳产品、声速测量产品以及惯性航姿测量产品，全系列产品均已达到国内领先、国际主流的先进水平。在多波束测深系统、侧扫声纳系统、声速测量系统以及各类勘测声纳领域拥有全系统完全自主知识产权，除货架产品外，还具备相关产品的定制化开发能力。
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