更詳細(xì)的描述。
[0033] 結(jié)合圖1，本發(fā)明的高精度的冰厚測量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0034] ⑴測冰儀連續(xù)發(fā)射高頻、寬帶、窄波束的探測信號，信號之間的時間間隔為At。
[0035] (2)測量冰層下表面（冰-水界面）的反射波到達(dá)時間h，以及冰層上表面 (冰-空氣界面）的到達(dá)時間t2,則此時的冰層厚度時延差值為
[0036] (3)測冰儀的水下搭載平臺（例如水下AUV等）以速度v勻速移動，移動νΧΔt 距離后，再次測量冰層下表面發(fā)射波的到達(dá)時間t3，以及冰層上表面反射波的到達(dá)時間t4， 得到此時的冰層厚度時延差值為T2=t4_t3。
[0037] (4)估計聲波入射角度：利用兩次的冰層厚度時延差值τ廊τ2得到聲波入射角 的估計值為：
[0038]
(其中c為聲波在冰層中的傳播速度）
[0039] (5)根據(jù)snell折射定律計算聲波在冰層中傳播的折射角： 層中聲波的折射角度為：
[0040]
(其中(?為聲波在水中的傳播速度）
[0041] (6)利用聲波在冰層中傳播的折射角度修正冰層厚度的測量值：
[0043](7)連續(xù)測量，重復(fù)步驟（1)~（6)，得到不同位置處的冰層厚度測量值，進(jìn)而得到 一定范圍內(nèi)的冰層厚度剖面圖。
[0044] 理想情況下，冰層的上、下表面都是平整的，探冰聲吶垂直照射冰面，示意圖見圖2
[0045] 水下平臺垂直向上發(fā)射探測信號，根據(jù)回波信號得到冰層上、下表面回波的時刻 分別為h、t2，則脈沖在上、下表面的時延差τ=t2-ti。根據(jù)公式：
[0047] 得到冰層的厚度h。其誤差主要源自兩個方面：
[0048] 1、時延τ的估計誤差。（加入聲線修正技術(shù)后，還有入射角度的估計誤差）。
[0049]2、冰層中聲波傳播速度c的估計誤差。
[0050] 但是冰層厚度的測量并非如此簡單，冰層表面的粗糙程度會嚴(yán)重影響冰層厚度測 量的精度。
[0051] 極地海域相關(guān)研究表明，北極地區(qū)的冰層表面都是凹凸不平的冰脊?fàn)?，因此測冰 儀不可能垂直于冰層表面入射，而是存在一定的入射角度，導(dǎo)致聲波在冰層中傳播的聲線 發(fā)生偏轉(zhuǎn)，降低冰層厚度的測量精度。為提高冰厚測量精度，發(fā)明了一種聲線修正技術(shù)，使 測冰儀搭載平臺勻速移動，利用相鄰測量結(jié)果估計出聲波的入射角度，進(jìn)而修正冰層厚度 測量結(jié)果。其示意圖見圖3所示。
[0052] 由于冰和水的特性阻抗不同，聲波透射到冰層中時會發(fā)生折射，聲波在冰層中傳 播的聲程將不在是一條直線，而是一條斜線，如果考慮到冰層中的聲速梯度，準(zhǔn)確的說是一 條傾斜的曲線。此時依然按照垂直入射計算，會導(dǎo)致較大的冰厚測量誤差。
[0053] 為了解決因冰層表面凹凸起伏帶來的誤差，實(shí)現(xiàn)高精度的冰層厚度測量，本發(fā)明 提出了一種利用水下平臺的勻速移動估計入射角度α，進(jìn)而修正冰層中聲線軌跡的技術(shù)。 具體方案如下：
[0054] 水下平臺以速度ν勻速運(yùn)動，相鄰發(fā)射信號的時間間隔為t，則Δχ= vt，兩次測 得的冰層下表面時延差為tn_t12，即：
[0057] 當(dāng)Δχ足夠小時，α可以近似為聲波的入射角，由snell折射定律：
[0058]
[0059] 可以得到聲波的折射角為：
[0060]
[0061] 則冰層的實(shí)際厚度可以修正為：
[0063] 此修正技術(shù)可以有效克服冰層下表面凹凸起伏所帶來的測厚誤差，實(shí)現(xiàn)高精度測 量冰層厚度。
[0064] 冰層厚度水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 (a)-圖5 (c)。
[0065] 實(shí)驗(yàn)所用冰塊較為平整，近似為長*寬*高=150cm*97cm*56cm的長方體，實(shí)驗(yàn)所 測得的聲波在冰中的縱波傳播速度約為：3670m/s，在水中的傳播速度約為：1450m/s，10次 試驗(yàn)冰厚測量結(jié)果見圖6,冰層的垂直剖面圖如圖7所示。
[0066] 圖6中上部的曲線表示冰厚測量值，底部的曲線表示測量誤差，其結(jié)果顯示：該技 術(shù)的冰厚測量結(jié)果與真實(shí)值56cm非常接近，誤差可以保持在lcm以內(nèi)，測量精度較高。圖7 的冰層垂直剖面圖可以為水下移動平臺的上浮提供附近冰厚度變化的近似曲線，提供更好 的引導(dǎo)和安全保障。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種冰層厚度的聲學(xué)測量方法，其特征是包括如下步驟： (1)安裝在水下搭載平臺上的測冰儀連續(xù)發(fā)射高頻、寬帶、窄波束的探測信號，所述信 號之間的時間間隔為At; 似巧慢冰層下表面的回波到達(dá)時間ti，W及冰層上表面的回波到達(dá)時間t2,得到第一 時刻的冰層厚度時延差值為τ1=t2-ti; (3)測冰儀W速度V勻速移動，移動VXΔt距離后，再次測量冰層下表面的回波到達(dá)時 間t3,W及冰層上表面的發(fā)射高頻、寬帶、窄波束的探測信號到達(dá)時間t4,得到第二時刻的 冰層厚度時延差值為τ2=14-t3。 (4)估計聲波入射角度：利用兩次的冰層厚度時延差值τι和τ2得到聲波入射角的估 計值為：其中C為聲波在冰層中的傳播速度； (5)根據(jù)snell折射定律計算聲波在冰層中傳播的折射角，由公??得冰層中 聲波的折射角度為：其中(?為聲波在水中的傳播速度； (6) 利用聲波在冰層中傳播的折射角度修正冰層厚度的測量值：
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種冰層厚度的聲學(xué)測量方法，測冰儀垂直向上發(fā)射高頻、寬帶、窄波束信號，利用聲波照射在冰層上、下表面的反射回波信號來測量冰層的厚度。當(dāng)冰層的上、下表面凹凸起伏時，測冰儀的精度將會有所降低，為了解決這一難題，進(jìn)一步提出了一種聲線修正技術(shù)。該聲線修正技術(shù)利用測冰儀搭載平臺(例如水下AUV等)的勻速移動估計出聲波的入射角度，根據(jù)snell折射定律求得聲波在冰層中傳播時的折射角，進(jìn)而修正冰層中聲波的傳播軌跡，從而提高冰層厚度的測量精度。
【IPC分類】G01B17/02
【公開號】CN105241401
【申請?zhí)枴緾N201510623182
【發(fā)明人】朱廣平, 殷敬偉, 劉強(qiáng), 韓笑, 張?zhí)旌? 王立婷, 周煥玲
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年9月26日