宋海潤，葉 松，王曉蕾，楊會兵

（國防科技大學 氣象海洋學院，江蘇 南京 210000）

在我國大力開發(fā)海洋的背景下，對海洋要素觀測、儀器設備研發(fā)的需求越來越迫切[1]。其中，海洋聲吶設備是進行海洋觀測的常用設備之一，其在經濟開發(fā)、國防軍事、科學研究、漁業(yè)生活等領域有廣泛的應用。海洋聲吶設備基于聲波在海水中衰減小、傳播距離遠等特點進行探測，其精度主要受海水聲速的影響[2]。因此，獲取實時的海水聲速剖面數據具有重要的意義。

目前，測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。經研究發(fā)現，現有的聲速剖面儀測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)法設計的HY1200系列聲速剖面儀，聲速測量精度可達±0.2 m/s。國際上利用先進的“時間飛躍”技術研發(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，聲速測量精度達到世界先進水平。

本文主要介紹了聲速測量的基本方法以及聲速剖面的測量技術，論述了聲速剖面對海洋探測的重要意義及其應用，并對國內外常見的聲速剖面儀進行了介紹。根據目前高精度聲速剖面儀普遍采用的聲速測量方法，還對“時間飛躍”技術進行了概述。最后，結合我國常用的聲速剖面儀，論述了聲速剖面儀的檢測技術。

1 聲速測量方法

測量聲速的方法一般可分為直接測量法和間接測量法[5]。

1.1 直接測量法

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

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

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

1.2 間接測量法

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。大量的實驗表明，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個大氣壓，聲速增加約0.016 m/s[10-11]。

自20世紀50年代以來，科學家為了確定聲速與溫度、鹽度和深度的關系，相繼提出了不同的經驗公式，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公式被認為是較為穩(wěn)定的公式。

表1 聲速經驗公式適用范圍表

間接測量方法是根據海水中溫鹽深等參數，通過聲速經驗公式計算得到海水聲速的一種方法。根據我國海區(qū)的水文要素分析，結合Wilson聲速經驗公式，《海道測量》規(guī)定了適用我國海區(qū)的國標經驗公式[13]：

式中：T為海水測點的溫度，℃；S為海水測點的鹽度，‰；D為海水測點的深度，m。

2 聲速剖面技術及其應用

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關系[14]。

2.1 聲速剖面技術

聲速剖面的測量實則是測量不同位置處的聲速，依據聲速測量方法的不同，也可將聲速剖面測量技術分為兩類。第一類是直接測量聲速剖面的聲速剖面儀，第二類是間接測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量聲速方法中的脈沖時間法和脈沖循環(huán)法。兩種聲速剖面儀的共同點是都需要測量通過固定距離的時間；其不同點在于前者只需測量單次接收的時間，而后者需要測量多次接收的時間。聲速剖面儀主要由換能器、計算機控制單元、時序控制單元、數據存儲單元、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據處理設備和水下探測采集設備連接在一起，通過串口可以進行實時的通信；自容式聲速剖面儀的水上數據處理設備和水下探測采集設備分離，數據存儲在內部存儲器內，完成一次聲速剖面的探測后，再進行數據處理。

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時的聲速測量，但由于其纜長的限制不能滿足深海測量的需要；自容式聲速剖面儀雖然可以提供深海的聲速測量數據，但是不能獲得實時的數據。為此，余平等[14]提出了一種聲速剖面遙測技術，其主要利用聲速調制解調器對聲速剖面儀測量的數據進行了傳輸。

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

CTD剖面儀主要是測量海水中的溫鹽深等要素，利用聲速經驗公式計算得到聲速剖面。在CTD剖面儀中，溫度傳感器、電導率傳感器和壓力傳感器是水文要素測量的關鍵部件。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，電導率傳感器主要有感應式和電極式兩種類型，壓力傳感器主要有應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，間接法測量聲速剖面的設備不僅僅局限于CTD剖面儀，只要攜帶測量溫鹽深的傳感器，均可進行聲速剖面的測量，主要包括Argo浮標、自主式水下機器人、水下滑翔機等海洋觀測平臺[17]。Argo浮標搭載浮標專用的CTD；自主式水下機器人是一個智能化程度高的水文要素探測裝備；水下滑翔機是一個將浮標技術、潛標技術和自主式水下機器人融合的設備。CTD產品正在朝低功耗、模塊化、智能化等方向發(fā)展，但由于間接測量法測量的物理量較多，計算得到的聲速剖面誤差較大，精度低。

2.2 聲速剖面的應用

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

不僅在民用方面有諸多應用，聲速剖面的測量對武器裝備等軍用設備的影響也較大。在不同的區(qū)域和深度，魚雷和潛艇的作戰(zhàn)效果將會千差萬別。負梯度變化的聲速剖面將會使魚雷反艦失效、自導距離縮短、跟蹤目標不連續(xù)等[13]；聲速剖面達到負向最大時，將會使?jié)撏晠鹊奶綔y距離最小，出現短時的失明[20]。

精確實時的聲速剖面數據能夠快速、有效地為超聲波測深儀、聲吶等水聲設備校正測量誤差。通過對多波束測深儀進行聲線修正，可以獲得準確的水深數據[21]。通過聲速剖面的獲得，可以預先地估計魚雷的作用距離和潛艇聲吶的探測距離，為軍事作戰(zhàn)、裝備試驗、演習訓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，但進步較快，國產聲速剖面儀主要以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等公司生產的聲速剖面儀為主[7]。

3.1 國產常見聲速剖面儀

HY1200系列聲速剖面儀是國內生產的高精度聲速剖面儀，由某海洋測繪研究所和無錫海鷹加科有限公司共同研制，并于2002年通過技術部門的鑒定，現已推廣使用。HY1201系列在HY1200系列的基礎上進行了改進，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)法直接測量超聲波在已知固定距離內的傳播時間，從而計算得到聲速，同時還攜帶壓力傳感器和溫度傳感器，可以測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：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，數據接口為USB；C型為自容式聲速剖面儀，數據接口為RS232接口。HY1200A和HY1201A主要用于水深在100 m以內的聲速剖面測量；而HY1200B、HY1200C、HY1201B 和 HY1201C 主要用于水深在200 m以內的聲速剖面測量，內置不揮發(fā)的存儲載體，可儲存4 000組數據。HY1200和HY1201系列聲速剖面儀的主要特點為：能夠顯示并打印聲速或溫度剖面；可選擇時間間隔或深度記錄數據；探測的數據與HYPACK處理軟件相兼容。

為了提高聲速測量的精度，無錫海鷹加科有限公司基于“時間飛躍”（Time of Flight,TOF）測量原理，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，聲速測量精度為±0.05 m/s，達到了世界先進的水平。HY1202聲速剖面儀是一款測量海（江、河、湖）水深度在50 m范圍內實時聲速的表面聲速儀。HY1202無搭載溫度、壓力傳感器，集成靈活，外觀呈流線型，可與多波束測深儀、AUV、ROV和潛艇等設備直接連接使用。HY1203聲速剖面用于水深200 m內范圍內聲速的測量，內嵌高精度的溫度、壓力傳感器，可精確測量聲速、溫度、深度。表2給出了海鷹系列常見聲速剖面儀的技術指標。

表2 海鷹系列常見聲速剖面儀的主要技術指標

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測量原理進行聲速測量，聲速測量精度課達到0.05 m/s，集成高精度壓力傳感器，深度測量精度可達到0.15 m，指標達到世界先進水平。該系列聲速剖面儀采用高性能的材料和先進的結構設計，擁有16 G的存儲空間，具有重量輕、體積小、耐腐蝕等特點。

3.2 國外常見聲速剖面儀

加拿大AML公司生產的SV Plus v2聲速剖面儀是第一臺采用TOF測量原理的聲速剖面儀，較基于CTD計算的聲速精度提高了5倍，聲速測量精度達到了±0.05 m/s，并于2002年重新設計，提高了數據采樣頻率。作為AML公司的升級產品，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場更換的傳感器，提供了溫度、鹽度、電導率、壓力、聲速等傳感器，根據用戶的需要，可以隨時隨地將CTD轉化為SVP，其具有設計靈活、使用方便、測量精度高等特點，如圖3所示。

英國Valeport公司主要有3種型號的聲速剖面：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數字飛行時間聲速傳感器、高精度的溫度補償壓阻式壓力傳感器和快速響應PRT溫度傳感器。MIDAS SVP使用分布式處理的概念，其中每個傳感器有著自己的微處理器以控制、采樣和校準數據。這些微處理器均受一個中央處理器控制，中央處理器發(fā)出全局命令并處理所有的數據。這意味著精確到同一時刻對所有數據進行采樣，生成絕對精準的分布數據。表3給出了國外常見聲速剖面儀的技術指標。

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指標

4 “時間飛躍”技術概述

“時間飛躍”（Time of Flight,TOF）技術，又稱回波測距原理，是世界上最先進的非接觸測距技術之一[23]。目前，國際上常采用TOF技術進行聲速的測量。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，通過測量聲波的往返時間，便可得到聲速[24]。

圖5 TOF技術工作原理示意圖

在TOF測量原理中，根據到達換能器的回波時間來計算聲速[25]。經查找文獻可知[26]，測量TOF有4種方法，包括閾值法、曲線擬合法、雙閾值法和相關檢測法。

4.1 TOF測量方法

閾值法是測量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設閾值τ的時間t0，如圖6所示。假設回波中存在白噪聲，τ通常設置為白噪聲標準偏差的3～5倍。在當前實際的超聲波測距系統(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的TOF測量

曲線擬合法是在超聲波回波開始時通過最小二乘法進行非線性曲線擬合從而產生無偏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，其主要包絡從回波開始到回波上升沿周圍的信號[27]。首先，通過閾值法找到t0的初始估計，并在閾值點附近的二階導數得到近似a0的初始估計。然后，將兩個參數的初始估計用于Levenberg-Marquardt非線性最小二乘法的初始化[28]，并在閾值點附近采集50個回波樣本數據，用于估計最佳擬合曲線的參數a0和t0。最后，獲得的t0（其對應于拋物線的頂點）作為TOF，如圖6所示。

雙閾值法又稱滑動窗口法。該方法源于最初為雷達信號開發(fā)的m-out-of-N檢測，主要是為了使系統(tǒng)對噪聲的檢測更加穩(wěn)定。其主要過程為：寬度為N的窗口一次一個樣本地滑過回波信號，并且記錄超過預設閾值τ的樣本數量；如果該數量超過第二閾值m，則假設存在目標并且生成TOF估計。該方法的優(yōu)點是其對噪聲尖峰的魯棒性，因為目標檢測基于超過閾值的至少m個樣本，而不是閾值法中的單個樣本。

相關檢測法受益于匹配濾波器技術在目標定位和識別中的應用，且其從回波信號中估計的TOF是無偏的。由于回波波形在傳播過程中因衰減而變化，并且還隨著目標的形狀、大小和位置而變化，因此，要想確定接受信號中回波的最佳位置，匹配濾波器必須存儲大量的回波波形。同時，該方法還需要相關算法，無論是在時域上還是在頻域上實現，都需要大量的運算。除此之外，在經典相關檢測法中還要求在產生估計的TOF之前觀察整個回波。因此，該方法將會存在固有時間延遲。

4.2 TOF測量方法的對比分析

閾值法是一種最簡單的實現TOF測量的方法，但其測量精度低、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)對噪聲檢測的魯棒性。雙閾值法不僅可以達到最小的標準差，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。相關檢測法被認為是最精確的方法，但也是最復雜方法，實時性差。無論選擇何種方法進行TOF的測量，都必須全面考慮系統(tǒng)的復雜性、穩(wěn)健性、測量精度以及成本[29]。

4.3 TOF測量方法的實現

上述4種TOF的測量方法的硬件實現方法可以分為兩類。第一類是通過計數器測量基準脈沖時鐘的個數，來計算回波到達的時間，如閾值法和雙閾值法[30]；第二類是以高速模數轉換器（ADC）采集回波信號并進行一定的減噪降噪處理，通過相關的信號處理方法得到回波的到達時間，如曲線擬合法和相關檢測法[31-32]。

實現第一類方法，需要精確的時間間隔測量。時間間隔的測量方法主要包括直接計數法、時間間隔擴展法、時間幅度轉換法、游標法、抽頭延遲法、差分延遲法等[33-34]。目前，測量精確的時間間隔主要采用時間數字轉換器（TDC）。Maxim公司設計的MAX35103低功耗數字轉換器，時間數字轉換精度高達20 ps。Texas Instruments公司設計的TDC7201數字轉換器，內置兩個TDC，分辨率可達55 ps。ACAM公司時間轉換器種類繁多，有TDC-GP1、TDC-GP2、TDC-GP21、TDC-GPX 等，分辨率可達10 ps。AMS公司的時間轉換器在市場中占據領先地位，主要有 AS650、AS6501、TDC-GPX、TDC-GPX2等型號，時間間隔可達零到幾毫秒，且時間分辨率高于10 ps。實現第二類方法，需要高速采樣的AD轉換器。根據奈奎斯特采樣定理，結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，設計了一個SOPC的超聲波測距系統(tǒng)，實現了軟硬件的協(xié)同工作，顯著提高了測距的精度。Wang Yuhui等[31]基于高速ADC模數轉化器設計了一種新型時差法超聲波流量計，采樣深度可達到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16位的H8/3048F微型計算機，內嵌8通道的高速AD轉換，設計了一個可用于工業(yè)機器人的超聲波測距系統(tǒng)，測距誤差小于5%。伊凡等[4]利用Acam公司開發(fā)的TDC_GP22高精度時間數字轉換器制作了一種新型聲速剖面儀，聲速的測量精度可以達到0.03 m/s。

5 聲速剖面儀檢測技術

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)定性將會變差、測量精度將會降低[35]。為了保證其量值準確，就必須定期對聲速剖面儀進行檢測。聲速剖面儀主要是對一定海域中的聲速、溫度、壓力進行測量。因此，在檢測過程中，要逐個對這3個指標進行檢測。《海水聲速儀檢測方法》（HY/T 101-2007）結合海洋領域聲速剖面儀的使用情況，在示值誤差、重復性兩個技術指標上對聲速剖面的計量特性進行了規(guī)定，如表4所示。

5.1 聲速檢測技術

聲速是一個導出量，無法直接復現其量值，需要通過間接計量法來復現聲速的量值[36]。聲速剖面儀的檢測主要依賴于聲速的兩種獲得方法：直接測量法和間接測量法。從相關文獻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精度不應低于聲速的相對精度，聲速測量的相對誤差為1×10-4，換能器到反射面的距離為70 mm，那么距離的測量精度要優(yōu)于0.007 mm，傳播距離參量只能通過標定來獲得[3,37]。然而，對于聲速溯源的標準器的建立來說，在水下無法進行高精度的距離測量。因此，只能基于聲速間接測量法中聲速經驗公式，通過測量水中的溫鹽深等要素來獲得聲速的標準值。竇春暉等[38]將純水中的聲速公式與兩個海水中的聲速經驗公式進行比較分析，確定將純水中的聲速公式作為聲速檢測中的最優(yōu)公式。純水中的聲速檢測公式為：

表4 聲速剖面儀計量技術指標

式中：T為檢測點的溫度，℃?？砂l(fā)現，純水中聲速只與溫度有關，與其他因素無關，純水中控制聲速簡單可行，操作方便。

選擇恒溫槽、標準鉑電阻溫度計作為聲速的檢測設備?？刂坪銣夭鄣臏囟?，在聲速剖面儀溫度測量范圍內選擇若干個合適的溫度點作為檢測點，穩(wěn)定一定的時間，每個溫度點進行若干次讀數。同時，將標準鉑電阻溫度計的示值通過式（3）轉化為聲速值，計算每個聲速點的示值誤差和標準偏差評價其重復性。

5.2 溫度檢測技術

溫度檢測采用直接比對法。在聲速檢測的過程中，將聲速剖面儀的溫度傳感器與標準鉑電阻溫度計放在同一水平面上，分別讀取聲速剖面儀溫度傳感器和標準鉑電阻溫度計的示值，計算每個溫度點的示值誤差和標準偏差，評價其重復性。

5.3 壓力檢測技術

壓力檢測原理采用直接比對法。選擇活塞式壓力計、壓力泵作為聲速剖面壓力傳感器的檢測設備，連接活塞式壓力計和壓力傳感器，在其壓力測量全量程范圍選擇合適的點作為檢測點，進行升降壓的檢測，記錄數據，并計算示值誤差和標準差。對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算公式進行轉化，如下式所示：

式中：P為水深對應的壓力值，MPa；ρ為1990年國標溫標純水密度值，kg/m3；g為當地的重力加速度，m/s2；h為聲速剖面儀測量的水深值，m。

6 結語

本文以聲速測量方法為著眼點，對測量聲速的國內外聲速剖面儀進行了對比分析，著重介紹了現今世界上先進的聲速測量技術——“時間飛躍”（TOF）技術，并結合聲速剖面儀的構成，對聲速剖面儀的檢測技術進行了概述。目前，我國聲速剖面儀技術已經達到世界先進水平，但部分核心技術還有待突破，如基于TOF技術的高精度聲速剖面儀中時間數字轉化傳感器的研制。與此同時，隨著我國海洋事業(yè)走向深藍，為了得到更加準確的數據，還需要努力建立一條完整的聲速剖面儀計量保障體系。