1.本發(fā)明涉及一種海水流速測量儀器，尤其本發(fā)明涉及一種基于時間頻率同步測量原理的海流流速測量儀器。


背景技術(shù)：

2.進行海流觀測應(yīng)用最廣泛的海洋儀器是超聲波聲學(xué)原理的海流計，包括多普勒聲學(xué)頻率法海流計和時差法聲學(xué)原理海流計。多普勒海流計優(yōu)點是不容易受到外界擾流的影響，測量的數(shù)據(jù)精度準確，可測量三維流速，測量效率高，缺點是有測量盲區(qū)，借助于水中微粒的反射才能測流速，清水中不適合測流。這樣就很難完成全球深海大洋海洋環(huán)境各參數(shù)全面獲取這樣的科學(xué)需求。聲學(xué)時差原理的海流計擁有adcp海流計的測流精度且適合多種水體條件下的測流。缺點是為單點式測量，流速測量范圍小，產(chǎn)生的流速等數(shù)據(jù)不夠具體，對數(shù)據(jù)分析處理會有一定影響，海流流經(jīng)儀器附近時換能器連接桿處的流體會對數(shù)據(jù)準確度有影響。而這兩種海流計的共同缺陷是在移動平臺測流時需要配合其他儀器(如gps,dvl等)的使用才能測得海流的絕對流速，因此，本發(fā)明提出一種基于時間頻率同步測量原理的海流流速測量儀器，在聲學(xué)海流計上實現(xiàn)時間頻率的同步測量，同時實現(xiàn)海流相對流速和運動平臺速度的測量，進而計算得到海流的絕對流速。


技術(shù)實現(xiàn)要素：

3.為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，本發(fā)明提供了一種基于時間頻率同步測量原理的海流流速測量儀器，同時兼顧聲學(xué)多普勒原理和聲學(xué)時差法的特點，使發(fā)明的換能器結(jié)構(gòu)布局既可以實現(xiàn)對海水中微小顆粒反射信號的接收，又可以實現(xiàn)對超聲波信號在兩個換能器對之間傳播時間的測量。
4.一種基于時間頻率同步測量原理的海流流速測量儀器，所述測量儀器包括6個超聲波換能器、換能器連接桿、電子耐壓倉和通訊纜接頭，6個超聲波換能器為具有收發(fā)信號一體功能的超聲波換能器，超聲波換能器連接桿頂部和底部分別設(shè)置有3個延伸臂爪，底部的延伸臂爪長度要大于頂部延伸臂爪的長度，頂部的3個延伸臂爪和底部的3個延伸臂爪均均勻分布，頂部的延伸臂爪與底部的延伸臂爪相互一一對應(yīng)的，六個超聲波換能器分別通過延伸臂爪與換能器連接桿固定連接，換能器連接桿底部通過連接桿延伸桿與電子耐壓倉相連接，電子耐壓倉上設(shè)置有與通訊纜連接的通訊纜接頭，頂部延伸臂爪連接的超聲波換能器與對應(yīng)的底部延伸臂爪連接的超聲波換能器之間的連線構(gòu)成聲學(xué)時差法測量時所需的換能器對，實現(xiàn)順逆流傳播時間的測量。
5.進一步地，頂部延伸臂爪所連接的三個超聲波換能器形成janus結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對水中粒子反射信號頻率的接收。
6.進一步地，頂部延伸臂爪連接的超聲波換能器與對應(yīng)的底部延伸臂爪連接的超聲波換能器之間的連線與底座平面之間的夾角為45
°
，同一平面相鄰兩延伸臂爪之間的夾角為120
°
。
7.進一步地，頂部延伸臂爪連接的超聲波換能器與對應(yīng)的底部延伸臂爪連接的超聲波換能器之間的連線長度為12cm。
8.進一步地，所述電子耐壓倉內(nèi)安裝有三維羅盤、電池組、傾斜傳感器、信號處理電路、發(fā)射電路以及接收電路。
9.進一步地，所述換能器連接桿與連接桿延伸桿固結(jié)，且兩者都采用采用不銹鋼材料。
10.有益效果：本發(fā)明的有益效果如下：
11.(1)本發(fā)明流速測量儀器采用了正四面體式的換能器布局格式，并且換能器的支撐結(jié)構(gòu)簡單且占空間小，其能夠有效避免測量儀器的擾流現(xiàn)象。再者，本發(fā)明流速測量儀器采用6個換能器，組成3個測量聲軸，三個聲軸能同時工作使其實時性更好。
12.(2)本發(fā)明是可以將聲學(xué)多普勒頻率法和聲學(xué)時差法的兩者測流儀器的換能器布局結(jié)合起來，使其既可以實現(xiàn)對多普勒反射頻率的接收，又可以實現(xiàn)對時差法順逆流傳播時間的測量。這樣就可以借助所測時間頻率數(shù)據(jù)進行水下移動平臺下的海流流速及儀器自身運動速度的計算和求解。
13.(3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計科學(xué)合理，簡單，使用效果好，具有很好的推廣價值，具有巨大的市場經(jīng)濟前景。
附圖說明
14.圖1、為本發(fā)明6個超聲波換能器結(jié)構(gòu)布局示意圖；
15.圖2、為本發(fā)明測量儀器的外形結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
16.為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明，即所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。
17.海流流速測量儀器的換能器需要具備發(fā)射和接收的功能，所以合理的換能器安裝結(jié)構(gòu)布局是保證海流計正常工作的前提。
18.換能器的布局要保證以下幾條原則：一是要能夠?qū)崿F(xiàn)三維流速測量；二是要保證安裝的布局要采取流線型抗擾流的工藝設(shè)計，減小對測流精度的影響；三是要保證換能器結(jié)構(gòu)能夠承受一定的壓力，保證在使用過程中不會因變形導(dǎo)致數(shù)據(jù)測量出現(xiàn)問題。
19.如圖1所示，為實現(xiàn)三維流速測量，設(shè)計的四面體式三聲軸的換能器布局，總共有三對超聲波換能器，圖中實線代表連接桿，主要起固定換能器的作用，虛線代表聲軸，其中a、b、c、d、e、f各代表一個具有收發(fā)信號一體功能的超聲波換能器，且ab、cd、ef是三個聲軸可以實現(xiàn)順逆流傳播時間的測量。同時，a、c、e三個換能器又組成了adcp海流計常見的janus結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對水中粒子反射信號頻率的接收。同時，因為超聲波信號在海水里進行傳播時，信號能量會受到流體介質(zhì)間的熱量傳導(dǎo)導(dǎo)致超聲波信號能量明顯降低，且距離越長，能量衰減程度越大，為使得接收信號有足夠的強度便于系統(tǒng)處理，且考慮到換能器本身的檢測范圍限制，最終確定每個聲軸的長度為12cm。相鄰兩個支撐換能器支架之間的角度為120
°
，每對聲軸與底座平面的夾角為45
°
。
20.本發(fā)明儀器的外形結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，包括6個超聲波換能器a、b、c、d、e、f。其中超聲波換能器ab構(gòu)成聲軸1，超聲波換能器cd構(gòu)成聲軸2，超聲波換能器ef構(gòu)成聲軸3。其中a、c、e3個超聲波換能器由換能器連接桿1頂部的3個延伸臂爪所固定，形成janus結(jié)構(gòu)，便于實現(xiàn)對海流中存在散射體微粒的反射頻率的接收。進一步的，換能器連接桿1底部同樣具有3個延伸臂爪6，實現(xiàn)對換能器d、e、f的固定。所述的頂部和底部的3個延伸臂爪是均勻分布且相關(guān)對應(yīng)的。這樣，換能器ab、cd、ef又構(gòu)成了3對聲學(xué)時差法測量時所需的換能器對，實現(xiàn)順逆流時的傳播時間測量。此外還包括換能器連接桿6、通訊纜接頭2、電子耐壓倉3部分，換能器連接桿6底部連接有連接桿延伸桿5。
21.基于時間頻率同步原理的海流流速測量儀器的超聲波換能器，6個超聲波換能器均為收發(fā)一體的，既可作為發(fā)射裝置發(fā)射固定頻率的超聲波信號，又可以作為接收裝置接收超聲波信號。
22.如圖2所示，首先換能器a、c、e三個換能器發(fā)射固定信號頻率的超聲波脈沖信號，在海流介質(zhì)中，此信號經(jīng)過一段時間傳播到超聲波換能器b、c、d后，測量到a到b、c到d、e到f3個沿著聲軸1、2、3的傳播時間；
23.同時在超聲波信號傳播的過程中，a、c、e三個超聲波換能器發(fā)射固定信號頻率的超聲波脈沖信號受到多普勒效應(yīng)的影響，海水中水中粒子會接受到一個超聲波信號頻率(這里水中粒子的運動速度相當(dāng)于海流的運動速度)。同時海水中的粒子以這個的頻率進行反射，因為多普勒效應(yīng)，使得a、c、e三個超聲波換能器接收到水中微粒的反射信號頻率。
24.本發(fā)明所述電子耐壓倉內(nèi)安裝有三維羅盤、電池組、傾斜傳感器、信號處理電路以及發(fā)射/接收電路等，方便對數(shù)據(jù)的保存和處理。由電子倉內(nèi)的硬件電路實現(xiàn)對超聲波信號傳播時間以及反射頻率的測量。
25.本發(fā)明能夠?qū)⒙晫W(xué)多普勒頻率法和聲學(xué)時差法的兩者測流儀器的換能器布局結(jié)合起來，使其既可以實現(xiàn)對多普勒反射頻率的接收，又可以實現(xiàn)對時差法順逆流傳播時間的測量。這樣就可以借助所測時間頻率數(shù)據(jù)進行水下移動平臺下的海流流速及儀器自身運動速度的計算和求解。
26.通過以上方面的講述，使得此發(fā)明能夠應(yīng)用于水下移動平臺進行測流，擴大了流速測量技術(shù)的應(yīng)用場合。
27.當(dāng)然，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。