[发明专利]一种基于声光效应的水下声速测量仪

说明书

本发明公开了一种基于声光效应的水下声速测量仪，包括由一个激光器、五个分束镜、一个反射镜和一个PD构成的光路，上述器件设置在声波传播区域的两侧，PD依次连接有数据采集模块和FPGA数据储存模块；还包括用于对激光进行外部校正的两个校准玻璃视窗。光路中的参考光和第一测量光形成第一干涉光，参考光和第二测量光形成第二干涉光；声波发射后，得到的第一、二干涉光被打入PD，声波信号通过上述光路时产生的时域信号中包含两个畸变点，两个畸变点之间的时间间隔即为声波从第一测量光传播到第二测量光的时间。本发明利用声光效应及激光高精度、高准确度的特点，将所处的声场的声信息表现以声光效应的形式，从而得到高精度的声速数据。

技术领域

本发明涉及一种用于海洋领域内的声速测量系统，尤其涉及一种应用声光效应的高精度水下声速测量系统。

背景技术

声波是机械波的一种，而声速则是描述声波在介质中传播特性的一个基本物理量，与介质的特性有关。通过介质中声速的测定，可以了解很多信息。声速得测量在海洋探索中扮演着极其重要的角色。海水声速是进行水下声波测距与定位、探伤以及海洋环境检测等测量过程中的重要参数之一；对于资源分布、地质调查、水文信号测量、反潜、水文地质以及国防建设上都有广泛的应用和重要的作用。

在传统声速测量中，一般分成直接测量法和间接测量法。间接法指的是，根据声速与温度、静压力之间的函数关系，通过经验公式间接计算出声速大小。国际上总结了具有代表性的几个经验公式，分别是：Chen-Millero算法、del Grosso算法、Wilson算法。这些算法公式误差较小，精度较高，然而相对的其适应性差。在不同地区、不同环境需要应用不同的公式才能得到精确的结果。以Wilson声速公式为例，在温度为-4℃T30℃，压力为1kg/cm2P1000kg/cm2和盐度为0S37的范围内，其精度才能达到最优。然而对于被测量地区，其各项指标往往是未知的，这与计量原则相悖，且误差较多。综上所述，间接测量法具有较大的缺点。而直接测量法在应用中，换能器通过压电效应产生超声信号，通过测量信号的收发时延以计算声速大小。然而由于产生超声波的机理复杂，导致其振动起点不明，无法精确捕捉其相位信息，因而无法精确测量其时延信号。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提出一种基于声光效应的水下声速测量仪，设计了基于马赫曾德干涉仪的光路，利用声光效应和激光干涉，在连续声波下，引起光信号在相位上的突变，使光携带特殊的“标记信号”。相位级的标记信号测量能够得到高精度的时间信息；在标定好第一测量光和第二测量光的距离的情况下，能精确计算声速大小。该方法在高精度测量声速的同时，保证了声速测量的溯源性。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于声光效应的水下声速测量仪，包括壳体，所述壳体内设有光路，所述光路包括的光学器件是分别设置在声波传播区域两侧的激光器、五个分束镜、一个反射镜和一个光电探测器；其中，五个分束镜分别记为第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、第四分束镜和第五分束镜；在所述壳体相对的两个侧壁上分别设有一个校准玻璃视窗用于对激光进行外部校正，使激光等高，两个校准玻璃视窗分别第一校准玻璃视窗和第二校准玻璃视窗；与所述光电探测器依次连接有数据采集模块和FPGA数据储存模块；

所述光路中各光学器件及所述第一校准玻璃视窗和第二校准玻璃视窗的布置如下：