一种冰下水深测量方法

摘要

本发明公开了一种冰下水深测量方法，本发明属于水声领域。本发明先通过敲击铅球产生振动信号，首先经过冰表面到达冰层检波器为第一个触发信号，其次信号一部分经冰下表面反射，进入检波器为第二个冰层反射信号，另一部分信号通过冰层下表面的折射到达海水中，经过海底反射和冰层下表面的折射，进入冰层中传播，最后到达冰层检波器为第三个海底反射信号。采回的数据经过分析确定海底界面反射与冰面反射信号的时间间隔，从而根据水中声速来确定水深。与现有凿穿冰层测水深的方法相比，在恶劣的极地环境下，该种方式可以大幅度缩小在室外测量的时间，大量减小了工作人员长时间在室外工作所导致的意外事故率。

权利要求

1.一种冰下水深测量方法，敲冰装置，其结构包含圆台(1)、转轴(2)、摇柄(3)、弹簧挡板(4)、弹簧伸缩板(5)、凸轮及敲击球(6)；其中摇柄(3)、凸轮及敲击球(6)通过转轴(2)固定连接，转轴(2)与圆台(1)为转动连接；弹簧挡板(4)中包含一个L型的挡板和一个拉伸的弹簧，凸轮卡住L型挡板，防止其侧滑；弹簧伸缩板(5)内部含有一个压缩的弹簧和与之相连的卡板，弹簧挡板(4)和弹簧伸缩板(5)与圆台(1)通过弹簧连接；

其特征在于，包含以下步骤：

步骤一将敲冰装置放在冰面上，在其旁边放置冰层检波器，并与冰面紧密接触；

步骤二抬起摇柄，使带有铅球的长臂从圆盘轨道内顶端落下，敲击冰面后，连接铅球的连杆在下面弹簧的作用下反弹，弹簧及其伸缩板也随之向上拉伸，到达轮盘的缺口时，伸缩板内压缩的弹簧弹出固定卡板，卡住轮盘，以防止铅球在冰面的二次反弹；

步骤三再次敲击时，抬起摇柄的同时带动凸轮转动，凸轮向外推出弹簧拉伸的挡板，将伸缩板内的卡板顶回，伸缩板返回原位，以备下一次使用；

步骤四敲击信号产生后，首先一部分信号经过冰面传播给旁边的冰层检波器作为触发信号，另一部分信号经冰层传播后，由冰层下表面折射进入海水，海底反射后，经过冰层下表面的折射，进入冰层进行传播，到达冰层检波器后被检波器接收；

步骤五敲击一次，检波器接收到时域信号后，进行存储；存储后，经由无线发射模块传至DSP信号处理模块；

步骤六DSP信号处理模块接收到的时域信号应分为三段，第一段为触发信号，第二段为冰层反射的信号，第三段为海底反射的信号；由于冰层反射信号和海底反射的信号同时包含回波在冰中传播的时间，两段时间相减即为信号在水中传播的时间；DSP处理单元计算出第二段和第三段信号的相邻时间间隔，然后由水中声速可以得到水深数据；

步骤七处理器得到水深数据后，将其显示到TFT显示屏。

2.根据权利要求1所述的一种冰下水深测量方法，其特征在于，所述的冰层检波器，冰层检波器是由STM32单片机、加速度传感器模块、存储模块和无线发射模块组成；冰层中的声波经由加速度传感器采集，经过AD转换，之后STM32单片机处理并存储，最后由无线模块发射至DSP信号处理模块进行计算并显示。

说明书

一种冰下水深测量方法

技术领域

[0001] 本发明属于水声领域，具体涉及涉及一种冰下水深测量方法。

背景技术

[0002] 近些年来,我国海洋相关事业飞速发展,各项水文参数成为发展中不可缺少的因素,其中水下潜器所在深度的测量无论是对海军装备的研制和海洋勘探开发都具有相当大的意义。随着电子技术、传感器技术的发展,人们对水深的实时精确测量要求越来越高。超声波或者压力传感器是水下深度测量的两种方法,前者利用声波的回波技术来测量水深，后者是利用水中的静水压力来对水深进行换算。分别有着各自的优缺点，超声波进行冰下测量具有方向性好、穿透能力强、能量高、灵敏度高、检验速度快、对人体无害等特点，而且可以在不同的媒质中传播。正是超声波的这些特性，使超声波广泛地应用于多个领域的检测和测量。而压力传感器则是利用水压随着水深增加而增加的特点，将压力传感器投入海底，根据传感器返回的压力值计算出海水水深。而冰下水深测量满足水下潜器测深的独立性和隐蔽性的要求。同时获得可靠的冰下水深数据是极地研究活动的一项重要内容，对于保障船舶在极地海域航行安全也有十分重要的意义。

[0003] 目前，利用超声波或者压力传感器在冰面上来测量测量水深时，两者同样需要凿穿冰层，由于在极地外部环境的恶劣，凿穿冰层测量水深的方法有极大的困难。因此，我们急需一种不要凿穿冰层，就可在冰面上测量水深的方法，达到减小工作人员长时间，降低室外工作所导致的意外事故率。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种冰面上测量水深的方法，可以在恶劣的极地环境下大幅度缩小在室外测量的时间，大量减小了工作人员长时间在室外工作所导致的意外事故率。

[0005] 本发明的目的是通过以下步骤实现的：

[0006] 一种冰下水深测量方法，其特征在于，包含以下步骤：

[0007] 步骤一将敲冰装置放在冰面上，在其旁边放置冰层检波器，并与冰面紧密接触；

[0008] 步骤二抬起摇柄，使带有铅球的长臂从圆盘轨道内顶端落下，敲击冰面后，连接铅球的连杆在下面弹簧的作用下反弹，弹簧及其伸缩板也随之向上拉伸，到达轮盘的缺口时，伸缩板内压缩的弹簧弹出固定卡板，卡住轮盘，以防止铅球在冰面的二次反弹；

[0009] 步骤三再次敲击时，抬起摇柄的同时带动凸轮转动，凸轮向外推出弹簧拉伸的挡板，将伸缩板内的卡板顶回，伸缩板返回原位，以备下一次使用；

[0010] 步骤四敲击信号产生后，首先一部分信号经过冰面传播给旁边的冰层检波器作为触发信号，另一部分信号经冰层传播后，由冰层下表面折射进入海水，海底反射后，经过冰层下表面的折射，进入冰层进行传播，到达冰层检波器后被检波器接收；

[0011] 步骤五敲击一次，检波器接收到时域信号后，进行存储；存储后，经由无线发射模块传至DSP信号处理模块；

[0012] 步骤六DSP信号处理模块接收到的时域信号应分为三段，第一段为触发信号，第二段为冰层反射的信号，第三段为海底反射的信号；由于冰层反射信号和海底反射的信号同时包含回波在冰中传播的时间，两段时间相减即为信号在水中传播的时间；DSP处理单元计算出第二段和第三段信号的相邻时间间隔，然后由水中声速可以得到水深数据；

[0013] 步骤七处理器得到水深数据后，将其显示到TFT显示屏。

[0014] 所述的冰层检波器，冰层检波器是由STM32单片机、加速度传感器模块、存储模块和无线发射模块组成；冰层中的声波经由加速度传感器采集，经过AD转换，之后STM32单片机处理并存储，最后由无线模块发射至DSP信号处理模块进行计算并显示。

[0015] 所述的敲冰装置，其结构包含圆台(1)、转轴(2)、摇柄(3)、弹簧挡板(4)、弹簧伸缩板(5)、凸轮及敲击球(6)；其中摇柄(3)、凸轮及敲击球(6)通过转轴(2)固定连接，转轴(2)与圆台(1)为转动连接；弹簧挡板(4)中包含一个L型的挡板和一个拉伸的弹簧，凸轮卡住L型挡板，防止其侧滑；弹簧伸缩板(5)内部含有一个压缩的弹簧和与之相连的卡板，弹簧挡板(4)和弹簧伸缩板(5)与圆台(1)通过弹簧连接。

[0016] 本发明的有益效果为：

[0017] 首先，冰下水深测量方法采用敲击声源和冰层检波器结合的方式，通过硬件平台分析，准确得出水深数据。与现有凿穿冰层测水深的方法相比，该种方式避免了在外界恶劣环境条件下进行的繁重体力劳动，简单易操作。在恶劣的极地环境下，该种方式可以大幅度缩小在室外测量的时间，大量减小了工作人员长时间在室外工作所导致的意外事故率。

[0018] 其次，系统支持数据的规范化存储，便于后续进一步的分析和处理。

附图说明

[0019] 图1是本发明的冰下水深测量方法中敲击装置右视图；

[0020] 图2是本发明的冰下水深测量方法中敲击装置左视图；

[0021] 图3是本发明的敲击装置结构中的圆台与转轴右视图；

[0022] 图4是本发明的敲击装置结构中的圆台与转轴左视图；

[0023] 图5是本发明的敲击装置结构中的摇柄右视图；

[0024] 图6是本发明的敲击装置结构中的摇柄左视图；

[0025] 图7是本发明的敲击装置结构中的弹簧挡板；

[0026] 图8是本发明的敲击装置结构中的弹簧伸缩板及其放大后的细节图；

[0027] 图9是本发明的敲击装置结构中的凸轮及敲击球；

[0028] 图10是本发明中冰层检波器的模块示意图；

[0029] 图11是本发明中DSP处理及显示模块示意图；

[0030] 图12是本发明整体测量系统的结构流程示意图。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图对本发明做进一步描述：

[0032] 如图1、2所示，本发明所述的冰面敲击装置的基础结构，包括：圆台(1)、转轴(2)、摇柄(3)、弹簧挡板(4)、弹簧伸缩板(5)、凸轮及敲击球(6)。

[0033] 图3、4分别为圆台(1)与转轴(2)的右视图与左视图。

[0034] 图5、6分别为摇柄(3)的右视图与左视图。

[0035] 图7为弹簧挡板(4)的示意图。

[0036] 图8为弹簧伸缩板(5)示意图及伸缩板的局部细节图。

[0037] 图9为凸轮及敲击球(6)的示意图。

[0038] 所述的摇柄(3)、凸轮及敲击球(6)通过转轴(2)固定连接，转轴(2)与圆台(1)为转动连接。弹簧挡板(4)中包含一个L型的挡板和一个拉伸的弹簧，凸轮卡住L型挡板，防止其侧滑。弹簧伸缩板(5)内部含有一个压缩的弹簧和与之相连的卡板，弹簧挡板(4)和弹簧伸缩板(5)与圆台(1)都通过弹簧连接。

[0039] 在具体使用敲击装置时，通过摇柄转动长臂到达同一高度，驱使铅球以相同的速度砸向地面，为防止铅球的二次反弹，特在卡盘底部设置了弹簧和伸缩板，在铅球砸向地面后将铅球反弹向上，而弹簧及其上部的挡板也跟随向上，在经过轮盘卡槽的一瞬间，由弹簧的上部伸缩板内部的弹簧弹出卡板卡住轮盘，防止铅球下落的二次反弹，以免敲击信号与回波信号重叠，无法判断其时间。

[0040] 图10是本发明中冰层检波器的模块示意图，用STM32单片机作为整个系统的处理器，外接传感器采集部分、AD转换部分、SD卡存储部分和NRF24L01无线模块。通过加速度传感器接收到冰中的声信号，送入微处理器进行存储至SD卡，通过NRF24L01无线模块进行发射。

[0041] 图11是本发明中DSP处理及显示的模块示意图，NRF24L01无线模块接收到数据后，传到DSP芯片进行数据处理，得到冰下水深的数据后显示到TFT显示屏。

[0042] 图12是本发明整体测量系统的结构流程示意图，敲击铅球产生振动信号，首先经过冰表面到达冰层检波器为第一个触发信号，其次信号一部分经冰下表面反射，进入检波器为第二个冰层反射信号，另一部分信号通过冰层下表面的折射到达海水中，经过海底反射和冰层下表面的折射，进入冰层中传播，最后到达冰层检波器为第三个海底反射信号。采回的数据经过分析确定海底界面反射与冰面反射信号的时间间隔，从而根据水中声速来确定水深。

[0043] 除上述实例具体实施外，凡采用同等替换或等效变型而形成的相关技术方案均落在本发明专利要求的保护范围内。