韓鴻勝，李先瑞，栗克國

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

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

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

1 回聲測深儀校準(zhǔn)裝置

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

隨著水運(yùn)工程測量和開發(fā)的要求越來越高，測深精度也更加引起人們的重視。為了提高測量精度，必須確定測深產(chǎn)生誤差的各種因素，研究提高測深精度的方法。在測深產(chǎn)生誤差的各種因素中，有使用回聲測深儀測得深度需要改正的誤差，如聲速改正誤差對水深的影響；以及人為誤差，如模擬測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深儀自身的誤差(儀器誤差)，測深儀自身的精度(儀器精度)對測深精度造成的直接影響?；芈暅y深儀校準(zhǔn)裝置即通過對回聲測深儀的檢定來判斷測深儀儀器設(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)程交互功能采用無線通信方式，無線通信是利用電波信號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，通過電磁波在空氣中的傳輸實(shí)現(xiàn)無線信號的傳輸。目前成熟的無線通信技術(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)射信號發(fā)射設(shè)備，通過調(diào)整帶寬來實(shí)現(xiàn)信號傳輸?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]?？紤]到回聲測深儀校準(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，通過編寫應(yīng)用程序下載到芯片進(jìn)行WiFi傳輸，處理器可以運(yùn)行開發(fā)者編寫的應(yīng)用程序，應(yīng)用程序可通過ESP FLASH DOWNLOAD TOOL工具通過UART0燒寫到芯片外接的SPI Flash；配置SRAM，擁有50 k內(nèi)存可供開發(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芯片通過串口與回聲測深儀校準(zhǔn)裝置進(jìn)行連接，當(dāng)回聲測深儀校準(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來的數(shù)據(jù)一幀結(jié)束后，通過芯片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增強(qiáng)信號強(qiáng)度和傳輸距離，目前隨著市場競爭的加劇，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

為降低輸入信號和信號傳送過程中的干擾影響，本次研究采用精密型半波整流電路(圖4)獲取載波信號的正弦波電壓值并通過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啟電壓時(shí)，二極管在信號的整個(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附近的失真非常明顯。因此，傳統(tǒng)半波整流電路無法實(shí)現(xiàn)對微弱信號的整流。本研究采用精密半波整流電路可以將微小的交流電壓過零處附近準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換成直流電壓，從而實(shí)現(xiàn)對小信號電壓的精確測量[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受到周圍物體的影響，為了使反饋信號與天線良好匹配，在放置天線時(shí)還需要通過測量，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π型網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)信號強(qiáng)度并消除反射損耗和干擾雜波[7]。

考慮到信號的最佳接收準(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和噪聲的混合波形，并通過阻抗匹配將信號功率傳送到負(fù)載天線上，從而降低信號接收誤差，提高信號質(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)信號之間的調(diào)制或轉(zhuǎn)換；通過數(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)聽遠(yuǎn)程CLIENT信息；通過應(yīng)用層將接收到的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀和識別[8]。

WiFi工作模式采用串口透明傳輸模式，該模式優(yōu)勢在于可以實(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

使用回聲測深儀校準(zhǔn)裝置對海鷹HY1600型回聲測深儀和中海達(dá)HD-310型回聲測深儀進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)測試，測試結(jié)果見表3和表4。

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

注：海鷹HY1600型回聲測深儀最大測深150 m。

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

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

圖7 儀器測試Fig.7 Instrument test

數(shù)據(jù)通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)信號以無線傳輸?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)行接收并顯示來自于WiFi傳送來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(圖7)，并通過回聲測深儀校準(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)，在無外界因素干擾的情況下，回聲測深儀遠(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。

使用回聲測深儀校準(zhǔn)裝置對海鷹HY1600型回聲測深儀和中海達(dá)HD-310型回聲測深儀進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)測量與上述兩種回聲測深儀通過現(xiàn)場校準(zhǔn)測量，測試結(jié)果見表5和表6。

表5 海鷹HY1600型回聲測深儀遠(yuǎn)程校準(zhǔn)與現(xiàn)場校準(zhǔn)測試比較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型回聲測深儀遠(yuǎn)程校準(zhǔn)與現(xiàn)場校準(zhǔn)測試比較Tab.6 Comparison of remote calibration and on-site calibration test of CSCL HD-310 Echo Sounder m

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

通過回聲測深儀校準(zhǔn)裝置的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)測試和現(xiàn)場校準(zhǔn)測試，在相同設(shè)定水深的條件下，回聲測深儀校準(zhǔn)裝置測試結(jié)果數(shù)據(jù)無較大誤差，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)對數(shù)據(jù)采集的頻率較高，因此通過計(jì)算機(jī)向回聲測深儀校準(zhǔn)裝置發(fā)送50 000條數(shù)據(jù)，通過觀察接收返回?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)行回聲測深儀遠(yuǎn)程校準(zhǔn)穩(wěn)定性測試，測試結(jié)果見表7。

通過回聲測深儀校準(zhǔn)裝置遠(yuǎn)程校準(zhǔn)穩(wěn)定性測試，在發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)相同的情況下，回聲測深儀校準(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

回聲測深儀校準(zhǔn)裝置的遠(yuǎn)程交互功能實(shí)現(xiàn)了回聲測深儀裝置的遠(yuǎn)程計(jì)量，解決了回聲校準(zhǔn)儀遠(yuǎn)程計(jì)量的空白，其測量精確值和誤差符合國家計(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，通過計(jì)算機(jī)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能和測量數(shù)據(jù)的存儲記錄功能。

回聲測深儀校準(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深儀儀器主機(jī)的現(xiàn)場計(jì)量檢定，還可以實(shí)現(xiàn)回聲測深儀儀器主機(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)對回聲測深儀主機(jī)進(jìn)行模擬分析，并通過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證裝置的穩(wěn)定性和精確性。

回聲測深儀作為水運(yùn)工程典型的檢測設(shè)備，應(yīng)用市場容量大，范圍適用廣，因此回聲測深儀校準(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)。目前國家計(jì)量站已與國內(nèi)知名回聲測深儀生產(chǎn)廠家簽署合作協(xié)議，為本項(xiàng)目的開發(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。

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