回聲測(cè)深儀遠(yuǎn)程計(jì)量校準(zhǔn)研究

韓鴻勝，李先瑞，栗克國(guó)

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 國(guó)家水運(yùn)工程檢測(cè)設(shè)備計(jì)量站，天津 300456)

回聲測(cè)深儀是一種利用聲波在水中反射進(jìn)行深度測(cè)量的設(shè)備，在水運(yùn)工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其測(cè)深數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與否對(duì)水運(yùn)工程勘察、設(shè)計(jì)和科研等領(lǐng)域具有較大意義。早期回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)通過(guò)人工測(cè)量的方式，方法笨重、繁瑣、精確度低，很難實(shí)現(xiàn)回聲測(cè)深儀的精確測(cè)量，遠(yuǎn)程交互通信功能更無(wú)法實(shí)現(xiàn)。前期研制的回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置可有效而精確模擬水深和脈沖信號(hào)，可代替真實(shí)水深對(duì)單波束回聲測(cè)深儀進(jìn)行校準(zhǔn)，精確度能夠達(dá)到計(jì)量校準(zhǔn)性能要求，具有較高的普及價(jià)值，然而，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和校準(zhǔn)的過(guò)程中，回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置只能近距離進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、記錄和觀測(cè)，該方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析和處理。本文主要介紹回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置遠(yuǎn)程交互功能的實(shí)現(xiàn)和通信原理[1]。

圖1 回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置原理圖Fig.1 Echo sounder calibration device principle diagram

1 回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置

回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置用來(lái)校準(zhǔn)回聲測(cè)深儀測(cè)量準(zhǔn)確性以及精確性，通過(guò)對(duì)回聲測(cè)深儀發(fā)出的脈沖簇信號(hào)分析和處理，模擬出與其頻率、脈寬、個(gè)數(shù)相一致的回波信號(hào)，通過(guò)算法將設(shè)置的深度值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的延時(shí)時(shí)間，經(jīng)過(guò)延時(shí)處理后，將處理后的回波信號(hào)發(fā)送回測(cè)深儀輸入端(圖1)?；芈暅y(cè)深儀接收到模擬的回波信號(hào)后，通過(guò)算法計(jì)算得到水深。若校準(zhǔn)裝置通過(guò)算法的處理的回波信號(hào)的延時(shí)時(shí)間，與回聲測(cè)深儀接收回波信號(hào)的時(shí)間相一致，則水深測(cè)量的數(shù)據(jù)一致，則證明測(cè)深儀能夠正常工作，從而達(dá)到校準(zhǔn)的目的[2]。

隨著水運(yùn)工程測(cè)量和開(kāi)發(fā)的要求越來(lái)越高，測(cè)深精度也更加引起人們的重視。為了提高測(cè)量精度，必須確定測(cè)深產(chǎn)生誤差的各種因素，研究提高測(cè)深精度的方法。在測(cè)深產(chǎn)生誤差的各種因素中，有使用回聲測(cè)深儀測(cè)得深度需要改正的誤差，如聲速改正誤差對(duì)水深的影響；以及人為誤差，如模擬測(cè)深人工量取記錄水深時(shí)的讀數(shù)誤差等。但是，最為重要的誤差是回聲測(cè)深儀自身的誤差(儀器誤差)，測(cè)深儀自身的精度(儀器精度)對(duì)測(cè)深精度造成的直接影響?；芈暅y(cè)深儀校準(zhǔn)裝置即通過(guò)對(duì)回聲測(cè)深儀的檢定來(lái)判斷測(cè)深儀儀器設(shè)備的精度是否符合計(jì)量檢定的標(biāo)準(zhǔn)和使用要求。

2 遠(yuǎn)程交互功能實(shí)現(xiàn)

2.1 遠(yuǎn)程交互功能實(shí)現(xiàn)方式

遠(yuǎn)程交互功能采用無(wú)線通信方式，無(wú)線通信是利用電波信號(hào)可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式，通過(guò)電磁波在空氣中的傳輸實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的傳輸。目前成熟的無(wú)線通信技術(shù)有GPRS、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、ZigBee、藍(lán)牙、WiFi、RFID等，表1給出了不同通信技術(shù)在傳輸距離、傳輸速度、工作頻段等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)比較。

表1 通信技術(shù)參數(shù)比較Tab.1 Communication technology parameters

圖2 ESP8266芯片結(jié)構(gòu)圖Fig.2 ESP8266 chip structure

WiFi技術(shù)主要使用2.4 G附近頻段，基于IEEE802.11或IEEE802.11b協(xié)議的設(shè)備作為發(fā)射信號(hào)發(fā)射設(shè)備，通過(guò)調(diào)整帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，與其他通信技術(shù)相比，WiFi技術(shù)傳輸速率快，工作頻段穩(wěn)定[3]。考慮到回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置使用范圍、環(huán)境條件、傳輸速率及穩(wěn)定性，采用WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程交互。

2.2 遠(yuǎn)程交互功能硬件設(shè)計(jì)

圖3 WiFi模塊電路圖Fig.3 WiFi module circuit diagram

遠(yuǎn)程交互功能硬件核心采用ESP8266芯片(圖2)，該芯片內(nèi)部集成32位CPU處理器，作為WiFi傳輸協(xié)議處理器，主頻支持80 MHz和160 MHz兩種頻率，通過(guò)編寫(xiě)應(yīng)用程序下載到芯片進(jìn)行WiFi傳輸，處理器可以運(yùn)行開(kāi)發(fā)者編寫(xiě)的應(yīng)用程序，應(yīng)用程序可通過(guò)ESP FLASH DOWNLOAD TOOL工具通過(guò)UART0燒寫(xiě)到芯片外接的SPI Flash；配置SRAM，擁有50 k內(nèi)存可供開(kāi)發(fā)者編程；帶有SDIO接口、SPI接口、GPIO接口、I2C接口，GPIO口有PWM的復(fù)用功能[4]。

如圖3所示，ESP8266芯片通過(guò)串口與回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置進(jìn)行連接，當(dāng)回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置將處理的數(shù)據(jù)傳輸給ESP8266芯片時(shí)，ESP8266判斷UART傳來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)間間隔，若時(shí)間間隔大于20 ms，則認(rèn)為一幀結(jié)束；否則，一直接收數(shù)據(jù)到上限值2 KB，認(rèn)為一幀結(jié)束[5]。ESP8266判斷UART來(lái)的數(shù)據(jù)一幀結(jié)束后，通過(guò)芯片RX和TX將數(shù)據(jù)發(fā)送出去從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

為提高遠(yuǎn)程交互功能通信能力，WiFi模塊采用需連接天線來(lái)增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度和傳輸距離，目前隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，硬件設(shè)備正以集成化的方向發(fā)展，天線也由外置進(jìn)化內(nèi)置再進(jìn)化到嵌入式，天線種類主要有On Board板載式、SMT貼裝式、IPX外接式。板載式天線直接與線路板一同設(shè)計(jì)、形成，易于生產(chǎn)、成本低廉；貼片式天線材質(zhì)有陶瓷、金屬片等，該天線尺寸小、便于安裝和集成；IPX外接式天線特點(diǎn)是安裝自由、增益效率高，性能優(yōu)良，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)空間結(jié)構(gòu)環(huán)境進(jìn)行自由匹配調(diào)試，表2給出了3種天線在規(guī)格和性能參數(shù)上的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)比較。

表2 天線技術(shù)參數(shù)比較Tab.2 Antenna technology parameters

圖4 精密半波整流電路Fig.4 Precision half-wave rectifier circuit

為降低輸入信號(hào)和信號(hào)傳送過(guò)程中的干擾影響，本次研究采用精密型半波整流電路(圖4)獲取載波信號(hào)的正弦波電壓值并通過(guò)電壓跟隨器將電壓值有效傳導(dǎo)。傳統(tǒng)半波整流電路中，輸入電壓幅值小于二極管的開(kāi)啟電壓時(shí)，二極管在信號(hào)的整個(gè)周期均處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出電壓始終為零，即使輸入電壓幅值足夠大，輸出電壓也只反映輸入電壓大于輸出電壓的那部分電壓的大小。在輸入電壓與輸入電壓相差不大時(shí)，輸出整流波形在小信號(hào)附近的失真非常明顯。因此，傳統(tǒng)半波整流電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的整流。本研究采用精密半波整流電路可以將微小的交流電壓過(guò)零處附近準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換成直流電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小信號(hào)電壓的精確測(cè)量[6]。

考慮到負(fù)載電壓平均值、整流負(fù)載端電壓脈動(dòng)系數(shù)以及最大整流電流，即

圖5 匹配網(wǎng)絡(luò)電路Fig.5 Match network circuit

式中：UAV為負(fù)載端電壓平均值，V；UIN為輸入端電壓值，V；S為整流負(fù)載端電壓脈動(dòng)系數(shù)，無(wú)量綱；UOM為負(fù)載端基波峰值電壓值，V；UO為負(fù)載端電壓值，V；RO為負(fù)載電阻，Ω；IF為最大整流電流，A。

考慮到天線的效率及增益，采用IPX外接式天線增強(qiáng)數(shù)據(jù)間的通信，除此之外，天線的輸入阻抗還會(huì)受到周圍物體的影響，為了使反饋信號(hào)與天線良好匹配，在放置天線時(shí)還需要通過(guò)測(cè)量，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整天線的局部結(jié)構(gòu)并加裝匹配網(wǎng)絡(luò)裝置，圖5即通過(guò)π型網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度并消除反射損耗和干擾雜波[7]。

考慮到信號(hào)的最佳接收準(zhǔn)則中的最小均方誤差準(zhǔn)則，即

圖6 STA組網(wǎng)模式傳輸Fig.6 STA network mode transmission

匹配網(wǎng)絡(luò)即通過(guò)有效的濾波功能，保證天線獲取有效的工作頻率的功率，抑制工作頻率以外的諧波分量和干擾，降低接收器輸入端信號(hào)和噪聲的混合波形，并通過(guò)阻抗匹配將信號(hào)功率傳送到負(fù)載天線上，從而降低信號(hào)接收誤差，提高信號(hào)質(zhì)量和通信準(zhǔn)確性。

2.3 遠(yuǎn)程交互功能組網(wǎng)及工作模式

回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置遠(yuǎn)程交互功能組網(wǎng)模式為STA組網(wǎng)模式(圖6)。在STA組網(wǎng)模式下，ESP8266作為client、server進(jìn)行TCP/IP連接，TCP網(wǎng)絡(luò)通信分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)路層、應(yīng)用層。物理層與通信介質(zhì)建立連接及拆除連接，以及相應(yīng)信號(hào)之間的調(diào)制或轉(zhuǎn)換；通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層連接到AP，獲取相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的IP地址；在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行TCP/IP連接，分為CLIENT和SERVER模式，作為CLIENT模式可以連接遠(yuǎn)程SERVER，作為SERVER模式可以監(jiān)聽(tīng)遠(yuǎn)程CLIENT信息；通過(guò)應(yīng)用層將接收到的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀和識(shí)別[8]。

WiFi工作模式采用串口透明傳輸模式，該模式優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)串口的即插即用，最大程度上降低使用復(fù)雜度。該模式下只需配置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(網(wǎng)絡(luò)名稱、安全模式、密鑰)、默認(rèn)TCP/UDP連接參數(shù)(協(xié)議類型、連接類型、目的端口、目的IP地址)、串口參數(shù)(波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位、硬件流控)即可。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

使用回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置對(duì)海鷹HY1600型回聲測(cè)深儀和中海達(dá)HD-310型回聲測(cè)深儀進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表3 海鷹HY1600型回聲測(cè)深儀遠(yuǎn)程校準(zhǔn)測(cè)試Tab.3 Remote calibration test of Eagle HY1600 Echo Sounder m

注：海鷹HY1600型回聲測(cè)深儀最大測(cè)深150 m。

表4 中海達(dá)HD-310型回聲測(cè)深儀遠(yuǎn)程校準(zhǔn)測(cè)試Tab.4 Remote calibration test of CSCL HD-310 Echo Sounder m

注：中海達(dá)HD-310型回聲測(cè)深儀最大測(cè)深600 m，考慮到150 m后波速角較大，數(shù)據(jù)測(cè)量有很大誤差，因此測(cè)試范圍為150 m以內(nèi)。

圖7 儀器測(cè)試Fig.7 Instrument test

數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi模塊將數(shù)據(jù)信號(hào)以無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)接?jì)算機(jī)通訊口處，因此，采用一種商業(yè)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手軟件USR-TCP-232TEST，用于進(jìn)行接收并顯示來(lái)自于WiFi傳送來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(圖7)，并通過(guò)回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置通信協(xié)議的設(shè)置，將數(shù)據(jù)及時(shí)上傳到上位機(jī)系統(tǒng)，在無(wú)外界因素干擾的情況下，回聲測(cè)深儀遠(yuǎn)程校準(zhǔn)功能精確度良好，并能夠?qū)崿F(xiàn)100 m的有效通信。

使用回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置對(duì)海鷹HY1600型回聲測(cè)深儀和中海達(dá)HD-310型回聲測(cè)深儀進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)測(cè)量與上述兩種回聲測(cè)深儀通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)量，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

表5 海鷹HY1600型回聲測(cè)深儀遠(yuǎn)程校準(zhǔn)與現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)試比較Tab.5 Comparison of remote calibration and on-site calibration test of Eagle HY1600 Echo Sounder m

表6 中海達(dá)HD-310型回聲測(cè)深儀遠(yuǎn)程校準(zhǔn)與現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)試比較Tab.6 Comparison of remote calibration and on-site calibration test of CSCL HD-310 Echo Sounder m

表7 回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置遠(yuǎn)程校準(zhǔn)穩(wěn)定性測(cè)試Tab.7 Stability test of remote calibration of echo sounder calibration device

通過(guò)回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)測(cè)試，在相同設(shè)定水深的條件下，回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)無(wú)較大誤差，能夠正常實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程交互功能。

考慮到MCU主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集的頻率較高，因此通過(guò)計(jì)算機(jī)向回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置發(fā)送50 000條數(shù)據(jù)，通過(guò)觀察接收返回?cái)?shù)據(jù)的條數(shù)，算出相應(yīng)數(shù)據(jù)的丟包率，從而進(jìn)行回聲測(cè)深儀遠(yuǎn)程校準(zhǔn)穩(wěn)定性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7。

通過(guò)回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置遠(yuǎn)程校準(zhǔn)穩(wěn)定性測(cè)試，在發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)相同的情況下，回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置接收數(shù)據(jù)結(jié)果均在有效范圍內(nèi)，但隨著傳輸距離的擴(kuò)大，丟包率也有所增加。

4 結(jié)論

回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置的遠(yuǎn)程交互功能實(shí)現(xiàn)了回聲測(cè)深儀裝置的遠(yuǎn)程計(jì)量，解決了回聲校準(zhǔn)儀遠(yuǎn)程計(jì)量的空白，其測(cè)量精確值和誤差符合國(guó)家計(jì)量檢定要求，其數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、誤碼率低，在遠(yuǎn)程計(jì)量校準(zhǔn)工作中具有使用價(jià)值。后期根據(jù)要求進(jìn)一步編制上位機(jī)軟件，通過(guò)計(jì)算機(jī)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能和測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)記錄功能。

回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置的遠(yuǎn)程交互功能可以應(yīng)用于水運(yùn)工程領(lǐng)域在線計(jì)量工作，不僅能夠完成回聲測(cè)深儀儀器主機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量檢定，還可以實(shí)現(xiàn)回聲測(cè)深儀儀器主機(jī)的遠(yuǎn)程計(jì)量檢定，該裝置以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)在計(jì)量檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，以滿足用戶實(shí)際需求為導(dǎo)向，進(jìn)行最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。參考虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)對(duì)回聲測(cè)深儀主機(jī)進(jìn)行模擬分析，并通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證裝置的穩(wěn)定性和精確性。

回聲測(cè)深儀作為水運(yùn)工程典型的檢測(cè)設(shè)備，應(yīng)用市場(chǎng)容量大，范圍適用廣，因此回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置的遠(yuǎn)程交互功能具備良好的推廣前景，而且為進(jìn)一步推廣遠(yuǎn)程在線計(jì)量研究打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。目前國(guó)家計(jì)量站已與國(guó)內(nèi)知名回聲測(cè)深儀生產(chǎn)廠家簽署合作協(xié)議，為本項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)、研制、試驗(yàn)提供了重要支撐。在線計(jì)量作為計(jì)量領(lǐng)域新興技術(shù)，未來(lái)必將在更加廣泛的領(lǐng)域獲得應(yīng)用，尤其在水運(yùn)工程領(lǐng)域儀器送檢不方便方面，對(duì)在線計(jì)量的需求量更大，具有非常光明的產(chǎn)業(yè)化前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙暉,栗克國(guó).回聲測(cè)深儀計(jì)量檢定裝置的研究[J].水道港口,2011(6):449-452.

ZHAO H, LI K G.Study on Metrological Verification Device of Echo Sounder [J]. Journal of Waterway and Harbor, 2011(6):449-452.

[2]竇春輝,岳新震.基于STM32開(kāi)發(fā)的回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)裝置軟件設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用,2015(1):64-65.

DOU C H,YUE X Z.Design of Calibration Device for Echo Sounder Based on STM32 [J].Computer CD-ROM Software and Application,2015(1):64-65.

[3]崔勇,王勇,楊世武.應(yīng)用于WiFi頻段的背腔式縫隙天線設(shè)計(jì)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,2(1):150-156.

CUI Y,WANG Y,YANG S W.Design of back-cavity slot antenna for WiFi band [J]. Journal of Radio Science,2016,2(1): 150-156.

[4]牛剛.基于嵌入式的回聲測(cè)深儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京:南京理工大學(xué),2009.

[5]曹振民,陳年生,馬強(qiáng)武,等.基于ESP8266的無(wú)線控制電路設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2017,30(1):67-68.

CAO Z M, CHEN N S, MA Q W, et al. Design of Wireless Control Circuit Based on ESP8266[J]. Industrial Control Computer,2017,30(1):67-68.

[6]童詩(shī)白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[7]沈保鎖,侯春萍.現(xiàn)代通信原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2013.

[8]李臘元,李春林.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2001.