一种声速测量装置、声速测量装置检测方法以及存储介质

技术领域

本发明属于声速测量领域，尤其涉及一种声速测量装置、声速测量装置检测方法以及存储介质。

背景技术

海洋声速处于海洋计量的关键位置，它不仅直接决定定位的精度，还影响雷达、声呐等工作的效率。因而，实现高精度、快速的海洋声速测量对于推进海洋的探索至关重要。目前，海水声速测量主要是应用于声呐，声呐利用水中声波对水下目标进行探测，广泛用于鱼雷制导、船舶导航、水文测量、海底成像等重要海洋工程应用。

目前，传统的声速仪分为两类：温盐深探测器（CTD)和声速剖面仪（SVP）。温盐深探测器（CTD）通过测量温度、盐度和深度的值，利用海水的经验公式计算得到海水声速值。而声速剖面仪（SVP）则是利用脉冲环鸣法，通过脉冲声波和压电效应的组合，声波飞行时间的测量，从而完成声速的计算。上述两种传统的声速仪，温盐深探测器基于的经验公式法，受到应用场景、应用地区的限制，精度浮动较大，同时难以保证溯源性。声速剖面仪所采用的环鸣法利用的压电效应引入了难以消除的误差，同时对换能器有苛刻的要求，而为了得到精确的声速值，通常需要声波在固定的距离内往返多次，因而时间误差在多次往返中累计，并且回波对于发射信号可能存在干扰，从而影响声速测量的精度。在海洋计量中，具有溯源性的直接法的精度往往需要通过不具溯源性的间接法进行标定。因此，传统的声速测量方法无法同时保证溯源性和精度，在海水计量领域尚未完成基准的建立。现有技术有利用马赫-曾德尔干涉仪来测量水体声速，其是由一个激光源发出激光并通过分光镜分为两束，一束为测量光束，一束为参考光束，测量光束与参考光束平行且穿过声场并与声波发生声光效应，两束激光再合束，根据测量光路与参考光路的光程差与时间差来测量声速。

现有技术在测量声速时，对于各部件之间的相对位置要求较高，可能使声速的测量产生偏差。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种声速测量装置，旨在解决减小现有技术在测量声速时产生的偏差。

本发明实施例是这样实现的，所述声速测量装置包括：激光测量装置、声场发生装置以及检测装置；

所述激光测量装置包括脉冲激光器、若干分光镜、若干反射镜以及光电探测器，其中由脉冲激光器发出的激光经过分光镜分束为测量光束与参考光束，并穿过声场发生装置产生的声场后经分光镜合束，再由光电探测器接收，所述反射镜用于改变所述参考光束的路径；

所述声场发生装置包括声源、介质容器，所述声源设置于所述介质容器内，用于产生声波，所述声波在介质容器内形成声场；

所述检测装置用于发出激光，且在至少两束激光平行穿过所述声场后进行接收，并通过确定所述两束激光被声波作用后的偏转情况来确定所述声场发生装置是否偏离设定位置，所述检测装置发出的激光与声波的传播方向垂直。

本发明实施例的另一目的在于一种声速测量装置检测方法，所述检测方法包括：

获取上述发明内容提供的激光测量装置中两束激光在位置传感器上的形成光斑的偏移数据；

根据所述偏移数据确认所述两束激光的偏移距离与偏移角度是否相同；

判断所述激光测量装置中测量光束与声场发生装置之间的相对位置关系是否准确；

若不准确则控制调整装置调节所述声场发生装置的位置。

本发明实施例的另一目的在于一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行上述的一种声速测量装置检测方法的步骤。

本发明实施例提供的一种声速测量装置，通过引入检测装置，利用检测装置来确认激光测量装置与声场发生装置之间相对位置是否准确，以便对该相对位置进行调整，进而提高声速测量的准确度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种声速测量装置的原理示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种声速测量装置的原理示意图。

附图中：10、脉冲激光器；11、第一分光镜；12、第二分光镜；13、第一反射镜；14、第二反射镜；15、光电探测器；16、滤波器；17、示波器；21、介质容器；22、声源；31、检测激光器；32、位置传感器；33、位置确定装置；41、位移台；42、第三反射镜；43、第四反射镜；44、第三分光镜；45、第四分光镜；46、第五分光镜；47、第五反射镜；48、第六反射镜；49、连续干涉装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种声速测量装置的原理示意图，包括：

激光测量装置、声场发生装置以及检测装置；

所述激光测量装置包括脉冲激光器10、若干分光镜、若干反射镜以及光电探测器15，其中由脉冲激光器10发出的激光经过分光镜分束为测量光束与参考光束，并穿过声场发生装置产生的声场后经分光镜合束为第一合束激光，再由光电探测器15接收，所述反射镜用于改变所述参考光束的路径；

所述声场发生装置包括声源22、介质容器21，所述声源22设置于所述介质容器21内，用于产生声波，所述声波在介质容器21内形成声场；

所述检测装置用于发出激光，且在至少两束激光平行穿过所述声场后进行接收，并通过确定所述两束激光被声波作用后的偏转情况来确定所述声场发生装置是否偏离设定位置，所述检测装置发出的激光与声波的传播方向垂直。

在本实施例中，激光测量装置和声场发生装置两者间配合，激光测量装置的测量光束与参考光束穿过声场发生装置产生的声场，声场中声波分别对测量光束与参考光束作用，此时声场发生装置发出较高频率的超声波，发生声光衍射效应。声波对测量光束与参考光束的扰动被光电探测器15探测到，进而可以准确测量声波在测量光束与参考光束之间的传播时间，再测量穿过声场的参考光束与测量光束之间的距离，即可计算出声波在介质中的传播速度。而激光测量装置与声场发生装置之间在测量时其位置关系不能偏移，否则将使测量结果产生误差，通过设置检测装置，检测装置同样使两束激光平行穿过声场发生装置，检测装置的两束激光在声场内也会被声波作用然后再被接收，两束激光被声波作用也会偏转，由于两束激光从介质容器21到被接收的距离相等，光程也相等，所以检测装置的两束激光被接收后产生的偏移情况也是相同的。优选的，可以在两束激光射出声场发生装置后的同样位置通过位置传感器进行接收；在激光测量装置、检测装置、声场发生装置的位置符合设定位置时，无论是否开启声源22，两束激光在位置传感器上形成光斑的偏转角度与偏转距离应当是相同的，只要声场发生装置的位置偏离设定位置，使两束激光经过声波作用折射后到被位置传感器接收的距离不再相等，根据几何原理，两束激光在位置传感器形成光斑的偏转位置与偏转距离将不同。可以理解的是，两个位置传感器距离声场发生装置的距离也可以是不必相等的，比如两个位置传感器距离声场发生装置的距离为倍数关系，则两束激光在位置传感器上形成光斑的偏转情况也是根据倍数关系相应变化，当声场发生装置的位置偏离设定位置，则两束激光在位置传感器上形成光斑的偏转位置与偏转距离将不再符合正常情况下的偏转情况。

在本实施例中，激光测量装置用于与声场发生装置配合来测量声速，主要是声音在不同介质中的声速，声速的测量原理是基于马赫-曾德尔干涉仪并通过脉冲激光器10实现。脉冲激光器10可以是飞秒激光器，其发射脉冲激光的频率是一定的；测量光束与参考光束穿过声场发生装置的光束部分为俩平行光束且与声波传播方向垂直，俩平行光束之间的距离既可以是预设的，也可以是手动测量，这里不做具体限定。测量光束与参考光束在声场中会与声波作用产生声光衍射效应。测量光束与参考光束穿过声场发生装置的光束部分与声波的发射方向垂直，可以根据该关系来设置激光测量装置与声场发生装置的位置关系。测量光束与参考光束由一个脉冲激光发生器发出后由一个分光镜分束，测量光束与参考光束穿过声场后由另一个分光镜合束，后被一个光电探测器15接收，由于测量光束与参考光束来自同一束激光，又在声场中平行，参考光束通过反射镜的配合实现路径的改变。

在本实施例中，声场发生装置中的介质容器21用于承装待测介质，待测介质可以液体也可以是气体；声源22用于发出声波，使声波对待测介质的作用效果先相同，进而对测量光束与参考光束的作用效果也相同，减少误差；声源22可以设置在介质容器21内部一端侧壁，声源22发出的声波可以由介质容器21的一端传播至另一端，介质容器21可以是长方体形状，这里不作具体限定。而本实施例中发生声光衍射效应的声波的频率可以为1MHz的啁啾信号。当声波穿过参考光束和测量光束时，会对发生衍射，光电探测器15接收激光并会产生相同的信号，可以对该信号进行去噪、自相关并且进行三次样条插值处理后，即可得到声波飞行时间。

在本实施例中，检测装置能够发出至少两束与所述测量光束平行的检测激光，也就是相当于检测激光与声波传播方向垂直，检测装置通过检测自身发出的检测激光与声波传播方向的位置关系来间接检测参考光束与声波传播方向的位置关系，进而确定声场发生装置是否偏离设定位置。检测装置发出的检测激光可以是脉冲激光也可以是连续激光，检测装置要在声场中至少具有两束平行的检测激光，其可以是通过两个激光器发出两束激光，也可以通过一个激光器发出一束激光后，经过分束镜分束以及反射镜反射，实现两束检测激光平行穿过声场；检测装置自身能够接收其发出的检测激光，可以为每束检测激光对应设置一个接收的位置传感器，这里不做具体限定。检测装置需要检测声场发生装置是否偏离设定位置时，可以使声场发生装置发出较低频率声波，检测装置发出的检测激光与声波发生声场折射效应，检测激光经过折射后被位置传感器接收，形成的光斑将会发生偏转，对比两束平行的检测激光的偏转情况，来确定声场发生装置是否偏离设定位置。

对于检测装置原理，示例性的，当声波由右侧向左侧传播时，若声波的传播方向与激光光束垂直，由于声光折射效应，则光只会在被接收平面的X轴上移动，而不会在Y轴方向有读数；若此时Y方向上有读数，则声波传播方向与光束不垂直，说明声场发生装置存在一个方向的偏转；但是由于激光在X轴上本身存在偏转，若由于声场发生装置在其他方向的偏转导致激光在X轴上进一步偏转，则无法通过一束检测激光检测出，此时再引入一束检测激光，如果由于声场发生装置在其他方向的偏转导致检测激光在X轴上进一步偏转，此时由于声场发生装置在其他方向的偏转导致两束平行的检测激光被声波作用后到达被接收平面的距离不在相等，检测激光在被接收平面上的偏转距离不再相等，则可以检测出声源22发生装置在另一方向上的偏转。以便后续根据检测装置的检测结果来修正声场发生装置的位置。

对于激光测量装置，示例性的，在一个实施例中，如图1，激光测量装置中的脉冲激光器10发出的激光经第一分光镜11分为测量光束与参考光束，在所述测量光束穿过声场以及参考光束依次经过第一反射镜13、第二反射镜14反射后，所述测量光束与所述参考光束经过第二分光镜12合束为第一合束激光，即由第一分光镜11到第二分光镜12之间为测量光束，由第一分光镜11到第一反射镜13到第二反射镜14到第二分光镜12之间为参考光束；此时测量光束与参考光束光程差的一半即可看做声波传播的飞行距离。在本实施例中，经过合束的激光可以直接由一个光电探测器15接收，光电探测器15接收后可以经过滤波器16滤波，再由示波器17显示波形。脉冲激光器10是以固定的频率发射脉冲激光，因而脉冲激光的发射周期是确定的，当一道声波分别对测量光束与参考光束作用，会使示波器17显示出两个不同的波形，且两个波形之间的时间差即为声波在测量光束与参考光束之间的传播时间，两个波形之间的时间差可以通过脉冲数来确定。

如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述介质容器21中盛装有待测介质，所述声源22为超声换能器，所述介质容器21与所述超声换能器同宽，使超声换能器发出的声波为近似平面波；所述介质容器21的延伸方向与所述声波传播方向相同。超声换能器能够产生与其宽度相同的声波，当介质容器21的宽度与超声换能器的宽度相同时，超声换能器发出是声波将几乎不会在介质容器21的内壁上反弹从而破环波形，进而减少介质容器21的干扰。

如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述检测装置包括检测激光器31、位置传感器32以及位置确定装置33，所述位置传感器32用于接收的所述检测激光器31发射出的检测激光，所述位置确定装置33用于确定所述检测激光在所述位置传感器32上的偏转情况。通过两个检测激光器31发射出两束相互平行的检测激光，检测激光与测量光束穿过声场的部分平行，也就是检测激光与声源22发出的声波的传播方向垂直，两束激光在穿过声场后被两个位置传感器32分别接收，检测激光在位置传感器32上形成的光斑会通过位置确定装置33得出，以便调整声场发生装置的声源22或者介质容器21来使声场与两束平行的检测激光的位置关系更加准确，并使声场与测量光束、参考光束的位置关系更加准确。

优选的，所述检测激光器31为连续激光发射器，能够发射连续激光。

优选的，所述检测激光器31与所述位置传感器32均设置两个，一个检测激光器31发出激光在穿过声场发生装置后由一个位置传感器32接收，另一个检测激光器31发出激光在穿过声场发生装置后由另一个位置传感器32接收；两个所述位置传感器32位于所述声场发生装置同一侧。即一个检测激光器31与一个位置传感器32为一组，为了方便布置，两个检测激光器31与介质容器21的一侧面的距离相同，两个位置传感器32与介质容器21的另一侧面的距离相同。

其中位置确定装置33可以是微型计算机，可以包括处理器、存储器等，其可以执行程序来实现对位置传感器上光斑形成的信号进行处理，也可以发出控制指令，比如控制调整装置调节声场发生装置的位置。

作为本发明的一种优选实施例，所述声速测量装置还包括调整装置，所述调整装置与所述声场发生装置连接，用于根据所述检测装置的测量结果对所述激光测量装置与声场发生装置之间的相对位置关系进行调整。在本实施例中，可以将介质容器21的一端固定在移动台架上，移动台架能够在六个自由度上调整介质容器21，即对介质容器21的空间位置进行调整；移动台架的控制可根据检测装置的检测结果实现，比如可以根据位置确定装置33的检测结果主动输出控制数据，控制调整装置调节介质容器21或者声源22；也可以使先控制调整装置小幅度微调，根据位置确定装置33的反馈，确定是否调整至合适位置，调整装置继续调整，直至调整介质容器21至合适位置。

如图2所示，作为本发明的一种优选实施例，所述脉冲激光器10发出的激光经第一分光镜11分为测量光束与参考光束，在所述测量光束穿过声场以及参考光束依次经过第一反射镜13、第二反射镜14反射后，所述测量光束与所述参考光束经过第二分光镜12合束为第一合束激光。所述激光测量装置还包括距离测量装置，所述距离测量光路包括位移台41、若干分光镜以及连续干涉装置49，所述位移台41一端设有第三反射镜42，另一端设有第四反射镜43，所述脉冲激光器10与所述第一分光镜11之间设有第三分光镜44，第三分光镜44与位移台41之间设有第四分光镜45，由第三分光镜44出射的一束激光透射出第四分光镜45，并由第三反射镜42反射后经第四分光镜45折射后合束，经第四分光镜45合束的激光再次与所述第一合束激光干涉；当激光由第三反射镜42经第四分光镜45到第五分光镜46的光程与激光由第三分光镜44经第一分光镜11经第二分光镜12到第五分光镜46的光程相等，发生第一次干涉；当激光由第三反射镜42经第四分光镜45到第五分光镜46的光程与激光由第三分光镜44经第一分光镜11经第一反射镜13经第二反射镜14经第二分光镜12到第五分光镜46的光程相等，发生第二次干涉，所述连续干涉装置49用于作为两次干涉的参考基准。第三反射镜42与第四分光镜45之间还可以设置第五反射镜47，第五分光镜46与光电探测器之间还可以设置第六反射镜48，第五反射镜47与第六反射镜48用于改变光路方向，以合理布置各部件位置。

在本优选实施例中，通过距离测量装置测量参考光束与测量光束的光程差，进而等效计算出声波在声场中在测量光束与参考光束之间传播的飞行距离。连续干涉装置49可以包括独立的连续激光发射器以及反射镜（CW3）、分光镜、光电探测器（PD2）等，连续干涉装置49发出的连续光能够持续发生干涉。第一次干涉与第二次干涉本质上是与测量光束与参考光束干涉，能够得出两次干涉信号，通过锁定两干涉信号的峰值，计算两峰值之间的连续光的干涉条纹数目，从而求得声波的飞行距离。对声波的飞行时间，则通过声波对参考光束与测量光束作用后产生的信号确定，以此计算出声波在介质中的传播速度。

本发明实施例还提供一种声速测量装置检测方法，应用于上述任一实施例提供的声速测量装置，所述检测方法包括：

获取检测激光在位置传感器32上的形成光斑的偏移数据；

根据所述偏移数据确认所述两束激光的偏移距离与偏移角度是否相同；

判断所述激光测量装置中测量光束与声场发生装置之间的相对位置关系是否准确；

若不准确则控制调整装置调节所述声场发生装置的位置。

在本实施例中，该检测方法可以应用在声速测量装置中，具体在一计算机设备上，该计算设备可以是位置确定装置33，位置确定装置33可以用于控制调整装置，此时声速测量装置包括位置确定装置33与调整装置，调节方式可以是根据位置确定装置33的检测结果主动输出控制数据，控制调整装置调节介质容器21或者声源22；也可以是先控制调整装置小幅度微调，根据位置确定装置33的反馈，确定是否调整至合适位置，调整装置继续调整，直至调整介质容器21至合适位置。通过在检测激光测量装置中测量光束与声场的相对位置关系后进行自动调整，提高处理效率。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行以下步骤：

获取如上述任一实施例提供的的激光测量装置中两束激光在位置传感器上的形成光斑的偏移数据；

根据所述偏移数据确认所述两束激光的偏移距离与偏移角度是否相同；

判断所述激光测量装置中测量光束与声场发生装置之间的相对位置关系是否准确；

若不准确则控制调整装置调节所述声场发生装置的位置。

本发明上述实施例中提供了一种声速测量装置，并基于该声速测量装置提供了一种声速测量装置检测方法以及存储介质，通过激光测量装置和声场发生装置两者间配合来测量声速，通过检测装置来确认激光测量装置与声场发生装置之间相对位置是否准确，以便对该相对位置进行调整，进而提高声速测量的准确度；通过调整装置来自动调整激光测量装置与声场发生装置之间相对位置，提高处理效率；通过距离测量装置来测量参考光束与测量光束之间的光程差，使声波的飞行距离测量的更加精准；通过上述技术手段来使最终的声波在待测介质中的传播速度的测量更加准确。

本发明实施例还提供了一种声速测量装置，并基于该声速测量装置提供了一种声速测量装置检测方法以及存储介质，通过激光测量装置和声场发生装置两者间配合来测量声速，通过检测装置来确认激光测量装置与声场发生装置之间相对位置是否准确，以便对该相对位置进行调整，进而提高声速测量的准确度；通过调整装置来自动调整激光测量装置与声场发生装置之间相对位置，提高处理效率；通过距离测量装置来测量参考光束与测量光束之间的光程差，使声波的飞行距离测量的更加精准；通过上述技术手段来使最终的声波在待测介质中的传播速度的测量更加准确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。