本實用新型涉及一種聲速剖面儀，尤其是一種基于TOF技術(shù)的聲速剖面儀。

背景技術(shù)：

聲速剖面儀是一種測量水中不同深度聲波傳播速度的精密測量儀器，通過內(nèi)部的溫度、壓力傳感器等器件可以快速準(zhǔn)確的測得當(dāng)前水層的聲速、溫度、深度等數(shù)據(jù)，其中所測得的聲速數(shù)據(jù)更是聲納設(shè)備所需的一個重要參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于水深測量等工作。然而，隨著各種聲納設(shè)備的升級，其對聲速的精度要求也越來越高，因此傳統(tǒng)的基于“環(huán)鳴法”測量聲速的儀器已經(jīng)無法滿足高精度聲速測量的要求。

為了提高聲速剖面儀的測量精度，基于“時間飛躍”技術(shù)的聲速剖面儀不再采用傳統(tǒng)的“環(huán)鳴法”進(jìn)行聲速測量，而是采用目前國際上最先進(jìn)的“時間飛躍(Time Of Flight)”技術(shù)進(jìn)行聲速測量，TOF(Time of Flight)測量原理又稱回波測距原理，是非接觸測距的一種方法，當(dāng)前廣泛應(yīng)用于物位測量中。其原理是：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，當(dāng)超聲波傳播到反射面上時，反射并返回到換能器上被接收。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有的缺陷，提供一種基于TOF技術(shù)的聲速剖面儀，可以提高聲速測量精度。

為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了如下的技術(shù)方案：

本實用新型一種基于TOF技術(shù)的聲速剖面儀，該聲速剖面儀包括以TDC_GP22芯片為核心的時間、溫度測量模塊，外接換能器、溫度傳感器，TDC_GP22芯片發(fā)射脈沖信號至換能器，換能器發(fā)射出超聲波并接收回波信號，返回給TDC_GP22芯片，通過TDC_GP22芯片的第一波檢測功能檢測到所需的回波信號，得出回波的往返時間，完成時間測量；TDC_GP22芯片通過放電時間測量得出溫度傳感器的電阻變化量，完成溫度測量。

進(jìn)一步地，該聲速剖面儀還包括以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)處理模塊，用于控制TDC_GP22芯片工作，將時間測量結(jié)果傳回給單片機(jī)進(jìn)行聲速值的精確計算。

進(jìn)一步地，時間測量過程中超聲波的發(fā)射和接收采用共用一個換能器。

進(jìn)一步地，TDC_GP22芯片有一個PICOSTRAIN基礎(chǔ)的溫度測量單元。

進(jìn)一步地，溫度值的計算公式如下：

$T=\frac{-R_0*A+\sqrt{{(R_0*A)}^2-4*R_0*B*(R_0-R_{RTD})}}{2*R_0*B}$

其中，A和B是鉑電阻的已知參數(shù)，其量級分別為10^-3和10^-7，R₀是0℃時鉑電阻的阻抗值，R_RTD是當(dāng)前溫度下鉑電阻的阻抗值，T是要測的溫度。

本實用新型的有益效果：該聲速剖面儀采用TOF技術(shù)，該技術(shù)具體通過TDC_GP22芯片來實現(xiàn)，通過檢測超聲波往返時間，就可計算出聲速值；由于TDC_GP22芯片具有極高的時間檢測分辨率“ps級”，因此，僅單次測量的數(shù)據(jù)精度，就比換“環(huán)鳴法”多次測量平均所得到的數(shù)據(jù)精度高。

附圖說明

圖1為本實用新型采用TOF技術(shù)進(jìn)行聲速測量的原理圖；

圖2為本實用新型聲速剖面儀的電路原理簡圖。

具體實施方式

本實用新型所列舉的實施例，只是用于幫助理解本實用新型，不應(yīng)理解為對本實用新型保護(hù)范圍的限定，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型思想的前提下，還可以對本實用新型進(jìn)行改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本實用新型權(quán)利要求保護(hù)的范圍內(nèi)。

1、時間的測量

時間的測量是聲速剖面儀測量的關(guān)鍵，該時間測量精度決定了聲速測量精度。TDC_GP22芯片1是最新一代的高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器。該芯片具有ps級的測量精度，并在內(nèi)部集成了發(fā)射頻率和相位都可調(diào)的脈沖發(fā)生器，因此使用該芯片可以滿足高精度設(shè)計要求。

在基于TOF技術(shù)的聲速剖面儀中，為了簡化結(jié)構(gòu)，發(fā)射和接收采用共用一個換能器2的方法，并利用TOF技術(shù)原理進(jìn)行聲速的測量。具體方法如下：

如圖1所示，在距離換能器2S處固定一個反射平面4，在外圍單片機(jī)的控制下，TDC_GP22芯片發(fā)送出頻率、個數(shù)一定的脈沖信號，該信號被換能器2接收后向反射平面4發(fā)射超聲波，超聲波經(jīng)反射平面4反射生成回波信號并通過換能器2返回給TDC_GP22芯片，通過芯片的第一波檢測功能檢測到所需的回波信號，從而得出回波的往返時間，聲速值C＝2S/T，其中S為換能器2到反射平面4的距離，T為超聲波一次往返的時間。

2、溫度的測量

溫度作為聲速剖面儀的一個重要參數(shù)用來校準(zhǔn)測得的聲速值，因為聲速和溫度具有很大的關(guān)系，因此高精度的溫度測量在聲速剖面儀的設(shè)計過程中是非常重要的。TDC_GP22芯片1有一個PICOSTRAIN基礎(chǔ)的溫度測量單元，可實現(xiàn)高精度和低功耗的溫度測量。其原理主要是基于電阻對電容的放電時間的。由于溫度傳感器RTD 3的電阻值與溫度有直接關(guān)系，TDC_GP22芯片1將會直接測量溫度傳感器RTD 3的電阻變化量，通過內(nèi)部非常精確的時間測量完成。實際測量過程中，會選用一個溫度穩(wěn)定的參考電阻和溫度傳感器RTD 3的電阻分別對同一個電容進(jìn)行充放電，根據(jù)它們放電時間的比率可以得出溫度傳感器RTD 3的電阻，具體計算過程見公式(1)：

$R_{RTD}=\frac{(\frac{T_{RTD}}{T_{\mathrm{Re}f}}-1)*R_0}{ga\inf actor}---\left(1\right)$

內(nèi)部比較器在3.0V時，增益糾正系數(shù)gainf actor為0.9931，R₀是0℃時鉑電阻的阻抗值。

根據(jù)鉑電阻溫度計的電阻值和溫度的關(guān)系如下公式(2)：

R_RTD＝R₀*(1+A*T-B*T²) (2)

可得出：

$T=\frac{-R_0*A+\sqrt{{(R_0*A)}^2-4*R_0*B*(R_0-R_{RTD})}}{2*R_0*B}---\left(3\right)$

其中，A和B是正常數(shù)值，其量級分別為10^-3和10^-7，對于正規(guī)的鉑電阻產(chǎn)品這些參數(shù)都是已知的。R_RTD是當(dāng)前溫度下鉑電阻的阻抗值，T是要測的攝氏溫度。通過以上計算公式即可得到所需的溫度值。

3、基于TOF技術(shù)的聲速剖面儀的電路設(shè)計

基于TOF技術(shù)的聲速剖面儀的電路設(shè)計主要分為兩個部分，第一部分是以TDC_GP22芯片1為核心的時間、溫度測量模塊，需要外接換能器2、溫度傳感器RTD 3等外圍器件。第二部分是以STM32單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)處理模塊，該部分主要是負(fù)責(zé)控制TDC_GP22芯片1工作，將時間測量結(jié)果傳回給單片機(jī)進(jìn)行聲速值的精確計算。

由于TDC_GP22芯片1內(nèi)部將各單元的功能高度集成，包括第一波檢測功能，高精度溫度測量單元，脈沖發(fā)生器，模擬開關(guān)，比較器，窗口功能及時鐘標(biāo)定等，僅需要外部加一個簡單的單片機(jī)就可進(jìn)行高精度的測量。因此在應(yīng)用過程中可以做到硬件設(shè)計簡化，將外部元器件的數(shù)量做到最低，從而電路板的尺寸能做到非常小。

圖2為簡略的硬件設(shè)計原理圖。TDC_GP22芯片1的溫度測量模塊外圍電路簡單，主要是因為其內(nèi)部集成了一個施密特觸發(fā)器。圖中R1為溫度穩(wěn)定參考電阻，C1為充放電電容，PT1000為選用的溫度傳感器RTD 3，通過對TDC_GP22寄存器的有效設(shè)置，發(fā)射端會發(fā)送出發(fā)射信號，傳回的模擬信號經(jīng)過一個內(nèi)部集成的比較器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，給到stop輸入端。TDC_GP22芯片1還有一個時間延時窗口，該功能可以濾除STOP信號前段的噪聲。再加上該芯片具有第一波檢測功能，可以有效測得第一個波的脈沖，從而就能得到有效的回波飛行時間。

整個硬件設(shè)計完成后進(jìn)行了初步的實驗，實驗過程中選取了11組不同溫度下的聲速數(shù)據(jù)與對應(yīng)溫度的標(biāo)準(zhǔn)聲速進(jìn)行對比，結(jié)果表明數(shù)據(jù)在穩(wěn)定性、精確值和測量精度方面都能達(dá)到設(shè)計要求。其中所測溫度的精度能達(dá)到±0.05℃，分辨率能達(dá)到0.001℃，聲速的測量精度能達(dá)到0.03m/s，分辨率能達(dá)到0.001米/秒。因此，本實用新型基于TOF技術(shù)的聲速剖面儀，其硬件設(shè)計簡單易于實現(xiàn)，實驗數(shù)據(jù)理想，可以應(yīng)用于更高精度的聲速剖面儀設(shè)計中。