SCA6-1型声学水位计应用研究

    1　引言

    潮汐(水位)观测历来是各沿海国家重视的观测项目,我国是个有18000余公里海岸线,拥有重要交通港口几十个,渔港几百处,岛屿众多的海洋大国。准确地实时地潮汐(水位)测量是船舶导航、海洋工程、风暴潮预报等部门急需解决的问题。SCA6-1型声学水位计正是根据这种需要研制出的,它是一种不需花费大量资金建验潮井,即可实时地自动观测潮汐变化的一种自动测量水位的仪器。其整机从信号采集到终端处理采用了新的技术;具备存储、实时显示、打印、无线传输、电话询问、计算机后处理及联网等功能。

    SCA6-1型声学水位计近几年广泛应用于北起大连,南至西沙永兴岛的我国沿海几十个水文观测台站及港工服务部门,为港口调度、海洋工程前期潮汐观测、海军舰船的航行保障、海洋水文监测等部门提供了急需的准确资料。

    由于SCA6-1型声学水位计普及使用,随之而来的是使用中应注意的技术问题,本文就有关的问题与仪器工作原理进行分析介绍。

    2　工作基本原理与误差的影响因素

    SCA6-1型声学水位计采用空气声学回声测距原理,根据声脉冲在声管内的传播过程中往返时间来测量水位位置。该仪器主要由声探头总成、声管、外保护井及仪器主机系统组成,结构示意图见图1。

    　　水位测量原理:由一收发共用的探头(传感器)发射的声脉冲信号沿声管垂直到达水界面(声程为L)产生反射回波,又经L声程后被同一探头(传感器)接收,因此只要测得声脉冲在空气中传播的时间(t)及现场声速(c) ,便可计算出声探头(传感器)反射面至水面的高度,即:

L=ct/2…………… (1)

    声音在声管中的传播速度是温度的函数。

    SCA6-1型声学水位计采用声管作声脉冲信号传播导管,其作用是:

    (1)与声的散射有关。在一定的距离内要想得到有效的回波就需有与其相应的发射功率源,我们希望发射功率小且又能得到有效回波,所以采用声管让声波在管内传播达到聚能等目的。

    (2)利用空气声场作声脉冲的传播,其条件要求较严格,因空气中的风、沙、湿度、温度等干扰因素对声波的传输有很大的影响,利用声管可避免湿度干扰因素的影响。所以,在这里压强与湿度的影响可以忽略不计。

　　理论上早已证明声速只与温度有关,例如:0℃时声在空气中传播是331.4m/s,而在20℃时声在空气中传播是343.7m/s。由于温度变化会使声脉冲的传播时间加快或减慢,而仪器安装地点的气温不可能没有变化,为解决温度干扰,仪器在总体设计上采用了自校准技术以对声速进行补偿。其方法是在联接探头(传感器)的第一节声管(称此声管为校准管)的已知距离上开有一个直径3mm的小圆孔,探头(传感器)发射的声脉冲首先遇到小孔这个界面产生反射回波,这一回波传播的声程(Lo)为已知,传播时间(to)可测出,传播的声速若为(co)