聲速剖面儀測(cè)量技術(shù)綜述

宋海潤，葉 松，王曉蕾，楊會(huì)兵

（國防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 210000）

在我國大力開發(fā)海洋的背景下，對(duì)海洋要素觀測(cè)、儀器設(shè)備研發(fā)的需求越來越迫切[1]。其中，海洋聲吶設(shè)備是進(jìn)行海洋觀測(cè)的常用設(shè)備之一，其在經(jīng)濟(jì)開發(fā)、國防軍事、科學(xué)研究、漁業(yè)生活等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。海洋聲吶設(shè)備基于聲波在海水中衰減小、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，其精度主要受海水聲速的影響[2]。因此，獲取實(shí)時(shí)的海水聲速剖面數(shù)據(jù)具有重要的意義。

目前，測(cè)量海水聲速剖面的主要裝備有聲速剖面儀和溫鹽深剖面儀。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的聲速剖面儀測(cè)量的聲速精度比溫鹽深聲速剖面儀要高。我國正在使用的聲速剖面儀是趙先龍[3]基于脈沖循環(huán)法設(shè)計(jì)的HY1200系列聲速剖面儀，聲速測(cè)量精度可達(dá)±0.2 m/s。國際上利用先進(jìn)的“時(shí)間飛躍”技術(shù)研發(fā)了高精度的聲速剖面儀，如AML公司的SV Plus系列。我國在經(jīng)過幾年探索后，伊凡等[4]研發(fā)了一種新型的聲速剖面儀，聲速測(cè)量精度達(dá)到世界先進(jìn)水平。

本文主要介紹了聲速測(cè)量的基本方法以及聲速剖面的測(cè)量技術(shù)，論述了聲速剖面對(duì)海洋探測(cè)的重要意義及其應(yīng)用，并對(duì)國內(nèi)外常見的聲速剖面儀進(jìn)行了介紹。根據(jù)目前高精度聲速剖面儀普遍采用的聲速測(cè)量方法，還對(duì)“時(shí)間飛躍”技術(shù)進(jìn)行了概述。最后，結(jié)合我國常用的聲速剖面儀，論述了聲速剖面儀的檢測(cè)技術(shù)。

1 聲速測(cè)量方法

測(cè)量聲速的方法一般可分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法[5]。

1.1 直接測(cè)量法

直接測(cè)量法是通過聲波在某一海水深度處固定距離上的傳播時(shí)間或相位，直接獲得聲波傳播速度的方法[6]。具體的測(cè)量方法包括干涉法、脈沖時(shí)間法、脈沖循環(huán)法[7]。

以脈沖循環(huán)法為例，在海水介質(zhì)中放置一個(gè)超聲波換能器，其內(nèi)部發(fā)射和接收為一體，在距離l的另一端放置一個(gè)反射面，超聲波傳至反射面返回被換能器接收，通過測(cè)量超聲波往返n次的時(shí)間t來計(jì)算聲速C，即用接收的回波信號(hào)去觸發(fā)電路發(fā)射下一個(gè)脈沖，如此往復(fù)循環(huán)，該方法又稱環(huán)鳴法[8]。計(jì)算公式為：

目前，脈沖循環(huán)法是最為常用的聲速測(cè)量方法。該方法的聲速測(cè)量精度可以達(dá)到亞秒級(jí)[9]。

1.2 間接測(cè)量法

海水中聲速的值并不是一成不變的，它受海水各種環(huán)境因素的影響。大量的實(shí)驗(yàn)表明，海水中的聲速是隨著海水的溫度、鹽度、深度變化而變化。其中，溫度每變化1℃，聲速值增加約4.5 m/s；鹽度每變化1‰，聲速變化約1.3 m/s；深度每增加1 m，約增加0.1個(gè)大氣壓，聲速增加約0.016 m/s[10-11]。

自20世紀(jì)50年代以來，科學(xué)家為了確定聲速與溫度、鹽度和深度的關(guān)系，相繼提出了不同的經(jīng)驗(yàn)公式，共有10種。介于公式較多，不再一一列舉，這些公式的適用范圍如表1所示。目前。國際上較為常用的公式主要是Del Grosso公式、Wilson公式以及Chen-Millero公式[12]。其中，Del Grosso公式是最早提出的（1952年提出，1974年確定）；Wilson公式被認(rèn)為是較為穩(wěn)定的公式。

表1 聲速經(jīng)驗(yàn)公式適用范圍表

間接測(cè)量方法是根據(jù)海水中溫鹽深等參數(shù)，通過聲速經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到海水聲速的一種方法。根據(jù)我國海區(qū)的水文要素分析，結(jié)合Wilson聲速經(jīng)驗(yàn)公式，《海道測(cè)量》規(guī)定了適用我國海區(qū)的國標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式[13]：

式中：T為海水測(cè)點(diǎn)的溫度，℃；S為海水測(cè)點(diǎn)的鹽度，‰；D為海水測(cè)點(diǎn)的深度，m。

2 聲速剖面技術(shù)及其應(yīng)用

聲速剖面（Sound Velocity Profile,SVP）是指某一位置處聲速隨深度變化的水層切面，表示聲速隨深度的函數(shù)關(guān)系[14]。

2.1 聲速剖面技術(shù)

聲速剖面的測(cè)量實(shí)則是測(cè)量不同位置處的聲速，依據(jù)聲速測(cè)量方法的不同，也可將聲速剖面測(cè)量技術(shù)分為兩類。第一類是直接測(cè)量聲速剖面的聲速剖面儀，第二類是間接測(cè)量聲速剖面的溫鹽深（Conductivity-Temperature-Depth profiler,CTD）剖面儀[15]。

聲速剖面儀多采用直接測(cè)量聲速方法中的脈沖時(shí)間法和脈沖循環(huán)法。兩種聲速剖面儀的共同點(diǎn)是都需要測(cè)量通過固定距離的時(shí)間；其不同點(diǎn)在于前者只需測(cè)量單次接收的時(shí)間，而后者需要測(cè)量多次接收的時(shí)間。聲速剖面儀主要由換能器、計(jì)算機(jī)控制單元、時(shí)序控制單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、傳感器單元等組成[3]，具體聲速剖面儀組成如圖1所示。聲速剖面儀根據(jù)連接方式的不同，可分為拖纜式和自容式[16]。拖纜式聲速剖面儀的水上數(shù)據(jù)處理設(shè)備和水下探測(cè)采集設(shè)備連接在一起，通過串口可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的通信；自容式聲速剖面儀的水上數(shù)據(jù)處理設(shè)備和水下探測(cè)采集設(shè)備分離，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器內(nèi)，完成一次聲速剖面的探測(cè)后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖1 聲速剖面儀組成框圖

連接方式的不同，也使得聲速剖面儀的優(yōu)劣各有不同。其中，拖纜式聲速剖面儀可以提供實(shí)時(shí)的聲速測(cè)量，但由于其纜長的限制不能滿足深海測(cè)量的需要；自容式聲速剖面儀雖然可以提供深海的聲速測(cè)量數(shù)據(jù)，但是不能獲得實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。為此，余平等[14]提出了一種聲速剖面遙測(cè)技術(shù)，其主要利用聲速調(diào)制解調(diào)器對(duì)聲速剖面儀測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了傳輸。

利用聲速剖面儀測(cè)量的聲速剖面受兩個(gè)因素的限制：一個(gè)是換能器與反射面之間的距離，另一個(gè)是在該距離上超聲波往返的時(shí)間，其中傳播距離是固定值，受產(chǎn)品需求的限制，其精度取決于制作的工藝和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。一般選擇膨脹系數(shù)較小的材料來制作換能器的外殼，因此可以認(rèn)為換能器與反射面之間的距離為理想的。要想精確計(jì)算聲速，就需要精確測(cè)量超聲波往返的時(shí)間。不同的聲速剖面儀測(cè)量的精度不一樣，詳見下一節(jié)典型的聲速剖面儀。

CTD剖面儀主要是測(cè)量海水中的溫鹽深等要素，利用聲速經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到聲速剖面。在CTD剖面儀中，溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器和壓力傳感器是水文要素測(cè)量的關(guān)鍵部件。其中，CTD剖面儀搭載的溫度傳感器主要有鉑電阻和熱敏電阻兩種類型，電導(dǎo)率傳感器主要有感應(yīng)式和電極式兩種類型，壓力傳感器主要有應(yīng)變式和硅阻式兩種類型。

我國CTD研制起步較晚，處于發(fā)展較快但創(chuàng)新能力不足的狀態(tài)。市場上，主要以歐美的產(chǎn)品為主，其中具代表性的有美國SeaBird公司的SBE 911 plus和德國SST公司的CTD 90M。目前，間接法測(cè)量聲速剖面的設(shè)備不僅僅局限于CTD剖面儀，只要攜帶測(cè)量溫鹽深的傳感器，均可進(jìn)行聲速剖面的測(cè)量，主要包括Argo浮標(biāo)、自主式水下機(jī)器人、水下滑翔機(jī)等海洋觀測(cè)平臺(tái)[17]。Argo浮標(biāo)搭載浮標(biāo)專用的CTD；自主式水下機(jī)器人是一個(gè)智能化程度高的水文要素探測(cè)裝備；水下滑翔機(jī)是一個(gè)將浮標(biāo)技術(shù)、潛標(biāo)技術(shù)和自主式水下機(jī)器人融合的設(shè)備。CTD產(chǎn)品正在朝低功耗、模塊化、智能化等方向發(fā)展，但由于間接測(cè)量法測(cè)量的物理量較多，計(jì)算得到的聲速剖面誤差較大，精度低。

2.2 聲速剖面的應(yīng)用

在對(duì)海洋進(jìn)行探索的過程中，大部分海洋儀器依靠超聲波進(jìn)行探測(cè)，超聲波傳播的速度將會(huì)影響探測(cè)的精度。在某一海域中，聲速測(cè)量的準(zhǔn)確度將會(huì)直接影響超聲波測(cè)深儀、聲吶的性能，如單波束測(cè)深儀、多波束測(cè)深儀、海底地貌儀等[18]。在海水中盡管聲速變化相對(duì)較小，但是在對(duì)遠(yuǎn)距離進(jìn)行探測(cè)的過程中，不斷積累的聲速誤差將會(huì)引起探測(cè)精度的惡化。因此，海水中聲速是進(jìn)行超聲波定位與探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和資源勘探等一系列活動(dòng)的重要參數(shù)[19]。

不僅在民用方面有諸多應(yīng)用，聲速剖面的測(cè)量對(duì)武器裝備等軍用設(shè)備的影響也較大。在不同的區(qū)域和深度，魚雷和潛艇的作戰(zhàn)效果將會(huì)千差萬別。負(fù)梯度變化的聲速剖面將會(huì)使魚雷反艦失效、自導(dǎo)距離縮短、跟蹤目標(biāo)不連續(xù)等[13]；聲速剖面達(dá)到負(fù)向最大時(shí)，將會(huì)使?jié)撏晠鹊奶綔y(cè)距離最小，出現(xiàn)短時(shí)的失明[20]。

精確實(shí)時(shí)的聲速剖面數(shù)據(jù)能夠快速、有效地為超聲波測(cè)深儀、聲吶等水聲設(shè)備校正測(cè)量誤差。通過對(duì)多波束測(cè)深儀進(jìn)行聲線修正，可以獲得準(zhǔn)確的水深數(shù)據(jù)[21]。通過聲速剖面的獲得，可以預(yù)先地估計(jì)魚雷的作用距離和潛艇聲吶的探測(cè)距離，為軍事作戰(zhàn)、裝備試驗(yàn)、演習(xí)訓(xùn)練等提供良好的保障[13]。

3 典型的聲速剖面儀

在聲速剖面儀的研制上，我國起步較晚，但進(jìn)步較快，國產(chǎn)聲速剖面儀主要以HY1200系列聲速剖面儀為主，國外聲速剖面儀主要以加拿大AML、英國Valeport等公司生產(chǎn)的聲速剖面儀為主[7]。

3.1 國產(chǎn)常見聲速剖面儀

HY1200系列聲速剖面儀是國內(nèi)生產(chǎn)的高精度聲速剖面儀，由某海洋測(cè)繪研究所和無錫海鷹加科有限公司共同研制，并于2002年通過技術(shù)部門的鑒定，現(xiàn)已推廣使用。HY1201系列在HY1200系列的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，電源由原來的9V Ni-Cd電池更換為三節(jié)鋰電池。HY1200和HY1201聲速剖面儀采用脈沖循環(huán)法直接測(cè)量超聲波在已知固定距離內(nèi)的傳播時(shí)間，從而計(jì)算得到聲速，同時(shí)還攜帶壓力傳感器和溫度傳感器，可以測(cè)出聲速剖面儀所在位置處的深度和溫度[22]，如圖2所示。

圖2 HY1200和HY1201系列聲速儀

該系列聲速剖面儀分為3種型號(hào)：A型為直讀式聲速剖面儀，需要配置電纜；B型為自容式聲速剖面儀，數(shù)據(jù)接口為USB；C型為自容式聲速剖面儀，數(shù)據(jù)接口為RS232接口。HY1200A和HY1201A主要用于水深在100 m以內(nèi)的聲速剖面測(cè)量；而HY1200B、HY1200C、HY1201B 和 HY1201C 主要用于水深在200 m以內(nèi)的聲速剖面測(cè)量，內(nèi)置不揮發(fā)的存儲(chǔ)載體，可儲(chǔ)存4 000組數(shù)據(jù)。HY1200和HY1201系列聲速剖面儀的主要特點(diǎn)為：能夠顯示并打印聲速或溫度剖面；可選擇時(shí)間間隔或深度記錄數(shù)據(jù)；探測(cè)的數(shù)據(jù)與HYPACK處理軟件相兼容。

為了提高聲速測(cè)量的精度，無錫海鷹加科有限公司基于“時(shí)間飛躍”（Time of Flight,TOF）測(cè)量原理，采用頻率為2 MHz的超聲波傳感器，研制了HY1202和HY1203聲速剖面儀，聲速測(cè)量精度為±0.05 m/s，達(dá)到了世界先進(jìn)的水平。HY1202聲速剖面儀是一款測(cè)量海（江、河、湖）水深度在50 m范圍內(nèi)實(shí)時(shí)聲速的表面聲速儀。HY1202無搭載溫度、壓力傳感器，集成靈活，外觀呈流線型，可與多波束測(cè)深儀、AUV、ROV和潛艇等設(shè)備直接連接使用。HY1203聲速剖面用于水深200 m內(nèi)范圍內(nèi)聲速的測(cè)量，內(nèi)嵌高精度的溫度、壓力傳感器，可精確測(cè)量聲速、溫度、深度。表2給出了海鷹系列常見聲速剖面儀的技術(shù)指標(biāo)。

表2 海鷹系列常見聲速剖面儀的主要技術(shù)指標(biāo)

除了海鷹系列聲速剖面儀外，北京海卓同創(chuàng)科技有限公司開發(fā)了海卓SVP1500系列聲速剖面儀。SVP1500系列聲速剖面儀采用TOF測(cè)量原理進(jìn)行聲速測(cè)量，聲速測(cè)量精度課達(dá)到0.05 m/s，集成高精度壓力傳感器，深度測(cè)量精度可達(dá)到0.15 m，指標(biāo)達(dá)到世界先進(jìn)水平。該系列聲速剖面儀采用高性能的材料和先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，擁有16 G的存儲(chǔ)空間，具有重量輕、體積小、耐腐蝕等特點(diǎn)。

3.2 國外常見聲速剖面儀

加拿大AML公司生產(chǎn)的SV Plus v2聲速剖面儀是第一臺(tái)采用TOF測(cè)量原理的聲速剖面儀，較基于CTD計(jì)算的聲速精度提高了5倍，聲速測(cè)量精度達(dá)到了±0.05 m/s，并于2002年重新設(shè)計(jì)，提高了數(shù)據(jù)采樣頻率。作為AML公司的升級(jí)產(chǎn)品，X·Series系列儀器可以靈活搭配XchangeTM傳感器頭。XchangeTM傳感器頭是唯一可現(xiàn)場更換的傳感器，提供了溫度、鹽度、電導(dǎo)率、壓力、聲速等傳感器，根據(jù)用戶的需要，可以隨時(shí)隨地將CTD轉(zhuǎn)化為SVP，其具有設(shè)計(jì)靈活、使用方便、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，如圖3所示。

英國Valeport公司主要有3種型號(hào)的聲速剖面：MIDAS SVP、MIDAS SVX2和 MINISVP，如圖 4所示。MIDAS SVP聲速剖面儀是世界上精度最高的聲速剖面儀。MIDAS SVX2聲速剖面儀是帶有電導(dǎo)率的最高精度的聲速剖面儀，可集成CTD探頭。MINISVP聲速剖面儀是最輕便的聲速剖面儀，適用于ROV安裝、小船作業(yè)、軍事科研等。

MIDAS SVP聲速剖面儀配有Valeport數(shù)字飛行時(shí)間聲速傳感器、高精度的溫度補(bǔ)償壓阻式壓力傳感器和快速響應(yīng)PRT溫度傳感器。MIDAS SVP使用分布式處理的概念，其中每個(gè)傳感器有著自己的微處理器以控制、采樣和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。這些微處理器均受一個(gè)中央處理器控制，中央處理器發(fā)出全局命令并處理所有的數(shù)據(jù)。這意味著精確到同一時(shí)刻對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，生成絕對(duì)精準(zhǔn)的分布數(shù)據(jù)。表3給出了國外常見聲速剖面儀的技術(shù)指標(biāo)。

圖3 XchangeTM系列傳感器頭

圖4 Valeport公司聲速剖面儀

表3 國外常見聲速剖面儀的主要技術(shù)指標(biāo)

4 “時(shí)間飛躍”技術(shù)概述

“時(shí)間飛躍”（Time of Flight,TOF）技術(shù)，又稱回波測(cè)距原理，是世界上最先進(jìn)的非接觸測(cè)距技術(shù)之一[23]。目前，國際上常采用TOF技術(shù)進(jìn)行聲速的測(cè)量。其工作原理如圖5所示：安裝在聲速剖面儀基座上的換能器向反射面發(fā)射超聲波，遇到反射面返回后被換能器接收，通過測(cè)量聲波的往返時(shí)間，便可得到聲速[24]。

圖5 TOF技術(shù)工作原理示意圖

在TOF測(cè)量原理中，根據(jù)到達(dá)換能器的回波時(shí)間來計(jì)算聲速[25]。經(jīng)查找文獻(xiàn)可知[26]，測(cè)量TOF有4種方法，包括閾值法、曲線擬合法、雙閾值法和相關(guān)檢測(cè)法。

4.1 TOF測(cè)量方法

閾值法是測(cè)量TOF最簡單的方法。在閾值處理方法中，TOF是回波振幅首次超過預(yù)設(shè)閾值τ的時(shí)間t0，如圖6所示。假設(shè)回波中存在白噪聲，τ通常設(shè)置為白噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差的3～5倍。在當(dāng)前實(shí)際的超聲波測(cè)距系統(tǒng)中，閾值通常選在回波脈沖峰值以下的-20～35 dB之間。

圖6 閾值法和曲線擬合法的超聲波回波包絡(luò)的TOF測(cè)量

曲線擬合法是在超聲波回波開始時(shí)通過最小二乘法進(jìn)行非線性曲線擬合從而產(chǎn)生無偏TOF的一種方法。曲線擬合法常采用形式為a0(t-t0)2的拋物線，其主要包絡(luò)從回波開始到回波上升沿周圍的信號(hào)[27]。首先，通過閾值法找到t0的初始估計(jì)，并在閾值點(diǎn)附近的二階導(dǎo)數(shù)得到近似a0的初始估計(jì)。然后，將兩個(gè)參數(shù)的初始估計(jì)用于Levenberg-Marquardt非線性最小二乘法的初始化[28]，并在閾值點(diǎn)附近采集50個(gè)回波樣本數(shù)據(jù)，用于估計(jì)最佳擬合曲線的參數(shù)a0和t0。最后，獲得的t0（其對(duì)應(yīng)于拋物線的頂點(diǎn)）作為TOF，如圖6所示。

雙閾值法又稱滑動(dòng)窗口法。該方法源于最初為雷達(dá)信號(hào)開發(fā)的m-out-of-N檢測(cè)，主要是為了使系統(tǒng)對(duì)噪聲的檢測(cè)更加穩(wěn)定。其主要過程為：寬度為N的窗口一次一個(gè)樣本地滑過回波信號(hào)，并且記錄超過預(yù)設(shè)閾值τ的樣本數(shù)量；如果該數(shù)量超過第二閾值m，則假設(shè)存在目標(biāo)并且生成TOF估計(jì)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是其對(duì)噪聲尖峰的魯棒性，因?yàn)槟繕?biāo)檢測(cè)基于超過閾值的至少m個(gè)樣本，而不是閾值法中的單個(gè)樣本。

相關(guān)檢測(cè)法受益于匹配濾波器技術(shù)在目標(biāo)定位和識(shí)別中的應(yīng)用，且其從回波信號(hào)中估計(jì)的TOF是無偏的。由于回波波形在傳播過程中因衰減而變化，并且還隨著目標(biāo)的形狀、大小和位置而變化，因此，要想確定接受信號(hào)中回波的最佳位置，匹配濾波器必須存儲(chǔ)大量的回波波形。同時(shí)，該方法還需要相關(guān)算法，無論是在時(shí)域上還是在頻域上實(shí)現(xiàn)，都需要大量的運(yùn)算。除此之外，在經(jīng)典相關(guān)檢測(cè)法中還要求在產(chǎn)生估計(jì)的TOF之前觀察整個(gè)回波。因此，該方法將會(huì)存在固有時(shí)間延遲。

4.2 TOF測(cè)量方法的對(duì)比分析

閾值法是一種最簡單的實(shí)現(xiàn)TOF測(cè)量的方法，但其測(cè)量精度低、抗干擾性差。曲線擬合法具有最小的誤差，而且還提高了系統(tǒng)對(duì)噪聲檢測(cè)的魯棒性。雙閾值法不僅可以達(dá)到最小的標(biāo)準(zhǔn)差，而且具有良好的魯棒性，但該方法的性能取決于窗口的長度N和第二閾值m。相關(guān)檢測(cè)法被認(rèn)為是最精確的方法，但也是最復(fù)雜方法，實(shí)時(shí)性差。無論選擇何種方法進(jìn)行TOF的測(cè)量，都必須全面考慮系統(tǒng)的復(fù)雜性、穩(wěn)健性、測(cè)量精度以及成本[29]。

4.3 TOF測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)

上述4種TOF的測(cè)量方法的硬件實(shí)現(xiàn)方法可以分為兩類。第一類是通過計(jì)數(shù)器測(cè)量基準(zhǔn)脈沖時(shí)鐘的個(gè)數(shù)，來計(jì)算回波到達(dá)的時(shí)間，如閾值法和雙閾值法[30]；第二類是以高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采集回波信號(hào)并進(jìn)行一定的減噪降噪處理，通過相關(guān)的信號(hào)處理方法得到回波的到達(dá)時(shí)間，如曲線擬合法和相關(guān)檢測(cè)法[31-32]。

實(shí)現(xiàn)第一類方法，需要精確的時(shí)間間隔測(cè)量。時(shí)間間隔的測(cè)量方法主要包括直接計(jì)數(shù)法、時(shí)間間隔擴(kuò)展法、時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換法、游標(biāo)法、抽頭延遲法、差分延遲法等[33-34]。目前，測(cè)量精確的時(shí)間間隔主要采用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）。Maxim公司設(shè)計(jì)的MAX35103低功耗數(shù)字轉(zhuǎn)換器，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換精度高達(dá)20 ps。Texas Instruments公司設(shè)計(jì)的TDC7201數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置兩個(gè)TDC，分辨率可達(dá)55 ps。ACAM公司時(shí)間轉(zhuǎn)換器種類繁多，有TDC-GP1、TDC-GP2、TDC-GP21、TDC-GPX 等，分辨率可達(dá)10 ps。AMS公司的時(shí)間轉(zhuǎn)換器在市場中占據(jù)領(lǐng)先地位，主要有 AS650、AS6501、TDC-GPX、TDC-GPX2等型號(hào)，時(shí)間間隔可達(dá)零到幾毫秒，且時(shí)間分辨率高于10 ps。實(shí)現(xiàn)第二類方法，需要高速采樣的AD轉(zhuǎn)換器。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，結(jié)合超聲波換能器的發(fā)射功率，選擇高速的ADC（＞10 MSPS），如采樣頻率為80 MHz的AD9057、采樣頻率為125 M的AD9655。

Jingjing Du等[30]基于閾值法采用FPGA作為核心芯片，設(shè)計(jì)了一個(gè)SOPC的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了軟硬件的協(xié)同工作，顯著提高了測(cè)距的精度。Wang Yuhui等[31]基于高速ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)了一種新型時(shí)差法超聲波流量計(jì)，采樣深度可達(dá)到1 k字節(jié)，系統(tǒng)的整體性能得到了改善。Mike Asami等[32]使用一個(gè)16位的H8/3048F微型計(jì)算機(jī)，內(nèi)嵌8通道的高速AD轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)了一個(gè)可用于工業(yè)機(jī)器人的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，測(cè)距誤差小于5%。伊凡等[4]利用Acam公司開發(fā)的TDC_GP22高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器制作了一種新型聲速剖面儀，聲速的測(cè)量精度可以達(dá)到0.03 m/s。

5 聲速剖面儀檢測(cè)技術(shù)

在使用過程中,因傳感器受環(huán)境因素和自身漂移的影響，聲速剖面儀的穩(wěn)定性將會(huì)變差、測(cè)量精度將會(huì)降低[35]。為了保證其量值準(zhǔn)確，就必須定期對(duì)聲速剖面儀進(jìn)行檢測(cè)。聲速剖面儀主要是對(duì)一定海域中的聲速、溫度、壓力進(jìn)行測(cè)量。因此，在檢測(cè)過程中，要逐個(gè)對(duì)這3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)?！逗Ｋ曀賰x檢測(cè)方法》（HY/T 101-2007）結(jié)合海洋領(lǐng)域聲速剖面儀的使用情況，在示值誤差、重復(fù)性兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)上對(duì)聲速剖面的計(jì)量特性進(jìn)行了規(guī)定，如表4所示。

5.1 聲速檢測(cè)技術(shù)

聲速是一個(gè)導(dǎo)出量，無法直接復(fù)現(xiàn)其量值，需要通過間接計(jì)量法來復(fù)現(xiàn)聲速的量值[36]。聲速剖面儀的檢測(cè)主要依賴于聲速的兩種獲得方法：直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。從相關(guān)文獻(xiàn)和廠家提供的信息可知，換能器到反射面之間固定距離的相對(duì)精度不應(yīng)低于聲速的相對(duì)精度，聲速測(cè)量的相對(duì)誤差為1×10-4，換能器到反射面的距離為70 mm，那么距離的測(cè)量精度要優(yōu)于0.007 mm，傳播距離參量只能通過標(biāo)定來獲得[3,37]。然而，對(duì)于聲速溯源的標(biāo)準(zhǔn)器的建立來說，在水下無法進(jìn)行高精度的距離測(cè)量。因此，只能基于聲速間接測(cè)量法中聲速經(jīng)驗(yàn)公式，通過測(cè)量水中的溫鹽深等要素來獲得聲速的標(biāo)準(zhǔn)值。竇春暉等[38]將純水中的聲速公式與兩個(gè)海水中的聲速經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行比較分析，確定將純水中的聲速公式作為聲速檢測(cè)中的最優(yōu)公式。純水中的聲速檢測(cè)公式為：

表4 聲速剖面儀計(jì)量技術(shù)指標(biāo)

式中：T為檢測(cè)點(diǎn)的溫度，℃。可發(fā)現(xiàn)，純水中聲速只與溫度有關(guān)，與其他因素?zé)o關(guān)，純水中控制聲速簡單可行，操作方便。

選擇恒溫槽、標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作為聲速的檢測(cè)設(shè)備?？刂坪銣夭鄣臏囟?，在聲速剖面儀溫度測(cè)量范圍內(nèi)選擇若干個(gè)合適的溫度點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)，穩(wěn)定一定的時(shí)間，每個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行若干次讀數(shù)。同時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的示值通過式（3）轉(zhuǎn)化為聲速值，計(jì)算每個(gè)聲速點(diǎn)的示值誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差評(píng)價(jià)其重復(fù)性。

5.2 溫度檢測(cè)技術(shù)

溫度檢測(cè)采用直接比對(duì)法。在聲速檢測(cè)的過程中，將聲速剖面儀的溫度傳感器與標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)放在同一水平面上，分別讀取聲速剖面儀溫度傳感器和標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的示值，計(jì)算每個(gè)溫度點(diǎn)的示值誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，評(píng)價(jià)其重復(fù)性。

5.3 壓力檢測(cè)技術(shù)

壓力檢測(cè)原理采用直接比對(duì)法。選擇活塞式壓力計(jì)、壓力泵作為聲速剖面壓力傳感器的檢測(cè)設(shè)備，連接活塞式壓力計(jì)和壓力傳感器，在其壓力測(cè)量全量程范圍選擇合適的點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行升降壓的檢測(cè)，記錄數(shù)據(jù)，并計(jì)算示值誤差和標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)于部分直接輸出水深值的聲速剖面儀，需要通過純水中深度和壓力的計(jì)算公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，如下式所示：

式中：P為水深對(duì)應(yīng)的壓力值，MPa；ρ為1990年國標(biāo)溫標(biāo)純水密度值，kg/m3；g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋琺/s2；h為聲速剖面儀測(cè)量的水深值，m。

6 結(jié)語

本文以聲速測(cè)量方法為著眼點(diǎn)，對(duì)測(cè)量聲速的國內(nèi)外聲速剖面儀進(jìn)行了對(duì)比分析，著重介紹了現(xiàn)今世界上先進(jìn)的聲速測(cè)量技術(shù)——“時(shí)間飛躍”（TOF）技術(shù)，并結(jié)合聲速剖面儀的構(gòu)成，對(duì)聲速剖面儀的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了概述。目前，我國聲速剖面儀技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，但部分核心技術(shù)還有待突破，如基于TOF技術(shù)的高精度聲速剖面儀中時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)化傳感器的研制。與此同時(shí)，隨著我國海洋事業(yè)走向深藍(lán)，為了得到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，還需要努力建立一條完整的聲速剖面儀計(jì)量保障體系。