（水声工程专业论文）时差法三维流速测量技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo c e a nc u r r e n tm e a s u r e m e n th a st h ei m p o r t a n te c o n o m i cv a l u e ，a n dh a s a l w a y sb e e nt h em a r i n es c i e n t i s t sr e s e a r c hs u b j e c t t h et i m e - d i f f e r e n c e t y p eo c e a n c u r r e n tm e t e rb e c a u s eo fi t su n i q u et e c h n i q u e s ，r e c e n t l ya r ew i d e l yr e s e a r c h e db y r e s e a r c hw o r k s i t sp r i n c i p l ei st h a tt h es o u n dp u l s ei st r a n s m i t t e di no p p o s i t e d i r e c t i o n sb e t w e e nt w of i x e dt r a n s d u c e r ss i m u l t a n e o u s l ya n dt h ed i f f e r e n c ei n a r r i v a lt i m ei sp r o p o r t i o n a lt ot h em e d i u mf l o wv e l o c i t ya l o n gt h ea x i so f p r o p a g a t i o n t h e a c o u s t i cd i f f e r e n c et r a v e l - t i m eo c e a nc u r r e n tm e t e r sk e y t e c h n o l o g i e sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r i nt h et h e s i s ，t h ea u t h o rh a sa n a l y z e dt h eo c e a nc u r r e n tm e t e r sd e v e l o p m e n t h i s t o r y ，b yc o m p a r i n g t h ev a r i o u st y p e so fc u r r e n tm e t e rp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s ，a n de s t a b l i s h e s t h e t i m e d i f f e r e n c e - t y p e c u r r e n tm e t e r s s u p e r i o r i t yt e c h n o l o g y b e s i d e s ，t h e d i f f e r e n c et r a v e l t i m eu l t r a s o n i cc u r r e n t m e t e rs y s t e m sm e a s u r ep r i n c i p l ea n dt e c h n i c a lr e a l i z a t i o no fm e t h o d sa r ed e e p l y s t u d i e d ，i n c l u d i n gd e r i v et h ep r i n c i p l eo fd i f f e r e n c e t i m et h e o r e t i c a lf o r m u l a , s e n s o r si n s t a l l a t i o n s t r u c t u r e p r e c i s e m e a s u r e m e n to fs m a l lt i m ei n t e r v a l t e c h n i q u e se r e a c c o r d i n gt os y s t e m sp e r f o r m a n c ei n d e xr e q u e s ta n du n d e rt h e g u i d eo fs m a l lt i m e i n t e m a la n a l o gi n t e r p o l a t i o ns t r e t c h i n gt e c h n o l o g y ，t h e s y s t e m 。sk e yt e c h n o l o g i e sa r es o l v e ds u c c e s s f u l l y ，a n dt h et i m e - t o - v o l t a g e ( 1 1 w ) a n dt h et i m e t o t i m e ( t t t ) h i g hs p e e dc o n v e r s i o nc i r c u i td e s i g n e d a i m i n ga tt h e s y s t e m ss t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，t h es y s t e m s e r r o rs o u r c e sh a sb e e no v e r a l l a n a l y s i sa n ds t u d y ，a sw e l la sg i v et h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n b yd e s i g n i n gs y s t e m sm e a s u r i n g c i r c u i t t h r o u g h i n n o v a t i v ec h a n n e l e x c h a n g et e c h n o l o g y ，c o u p l ew i t he a s yd a t ap r o c e s s i n g ，t h ed c b i a so ft h ec i r c u i t e l i m i n a t i o na u t o m a t i c a l l y ，a n dt h et i m ei n t e r v a lm e a s u r i n ga c c u r a c yr e a c h e sa s u b n a n o s e c o n dm a g n i t u d e r e a l i z et h eo c e a n sc u r r e n tg r e a tm e a s u r e m e n tr a n g e a n dt h es o u n ds p e e dp r e c i s i o nm e a s u r i n g ，w h i c hs o l v et h et r a d i t i o n a l c u r r e n t m e t e r sm e a s u r e m e n tr a n g ea n da c c u r a c yl i m i t a t i o n s 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 f i n a l l y , i nt h el a b o r a t o r yf l u m es t a t i cc a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h es y s t e m s h o w st h eg o o dp e r f o r m a n c e ，w h i c hm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：c u r r e n tm e a s u r e m e n t ；c u r r e n tm e t e r ；t i m ed i f f e r e n c et y p e ；t i m e i n t e r v a lm e a s u r e m e n t ；i n t e g r a lc i r c u i t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。， 作者( 签字) ：讳彦夺哞易 日期 1 厕年三月溯 i l 。 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：事谚笏彳易导师( 签字) ：引刃f ，y 日期： ，1 符弓月沪日阳罗年3 月如日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究背景及意义 随着现代化进程的不断深入，科学技术在各个领域里都取得了全新的进 步，人们探索的领域也越来越广，茫茫大海由于其重要的战略地位和经济利 益渐渐引起人们的重视。海洋战场，在二战中扮演者重要的角色；海洋资源， 石油、煤矿、天然气、海洋生物等，在陆地资源相对匮乏的今天，地位举足 轻重。可以说，海洋将是人类未来生活的主要活动场地。然而，海洋开发环 境极为复杂，要充分合理的开发利用它，必须掌握它的各种参数，如海洋流 速、温度、盐度、声速、湍流、紊流、内波、潮汐、波浪等。 海洋流速是海洋的一个重要参数，掌握其流动规律，可以直接服务于人 类在海上的各种活动，如充分利用海洋动能、海上运输、物理考察等。长期 以来，海洋工作者为了测量它的值，采用了各式各样的方法，由此也出现了 种类繁多的海流计。从测量原理上分，这些海流计大致可以分为：机械式， 电磁式，激光式和声学式等1 。但这些传统的海流计由于受到技术水平和原 理性的限制，即使是天才的发明，也只能在某些特定的环境下才能正常工作， 很难做到设备的通用性。科学家们所进行的海洋物理研究，也由于受到这些 设备的缺点限制，在很长一段时间内，只能在时域和空域上得到一维的海洋 数据，科研工作异常艰苦。 为了研制出能工作在不同海况下的海流计，国外海洋研究人员很早就从 声学角度去尝试( 因为事实已经证明，声波是海洋信息最好的载体) ，取得 了许多理想的效果。我国由于受到技术和经济水平的限制，对海洋的研究相 对较晚，海洋流速计技术研究还处于起步阶段，海洋科研工作中使用的海流 计大部分是欧美国家产品，且购买的产品价格昂贵。因此，研制出一种属于 自己的高性能的海流计，不仅可以缩短与国外海流计技术上的差距，还具有 重要的军事意义和巨大的经济价值。 本论文的研究内容就是得益于国家高技术发展计划里的海洋研究项目。 根据课题研究要求，论文要利用最前沿的科技，来实现国内外海洋工作者最 近所关注的热点时差式海洋流速计，为海洋物理考察提供可靠的数据。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 “时差式 测量原理是利用声波在顺流传播和逆流传播的时间差来计算海水 流速，由于使用原理更合理，时差式海流计有着更高的精度和更广的应用范 围。从所使用原理可以知道，本次设计研究的重点和难点将是如何提取出超 声波脉冲在声轴上顺流传播和逆流传播的微小时间差。 1 2 海流计技术国内外发展史 海流计技术的发展相当漫长，渗透着人类海洋活动的整个历史过程，体 现出同时代的科技水平。一些体现时代特征的海洋流速计主要技术特性参数 列于表1 1 。 表1 1 各类型海洋流速计的主要性能参数 型号类别测流精度分辨率量程 方位精度 耐压范围 ( c ms 一1 ) ( c ms 一1 ) ( m ) a a n d e r a a r c m 9 4 - 0 5 锄s l 0 30 3 0 04 - 5 0 f o r 0 - 1 5 0 t i l t2 0 0 0 d o p p l e r i n t e r o c e a n s 4士2 0 f o r 0 5 。t i l t e l e c t r o m a g n e4 - 1 0 c ms l 0 0 3 0 4 30 3 5 04 - 4 0f o r1 5 - s 4 d p l 0 0 0 t i cs e n s o r 4 - 2 o fs p e e d2 5 0 t i l t s 4 d p 6 0 0 0 s o n t e ka d v a c o u s t i c 士0 5 咖s 1 0 0 l0 6 0 0士2 06 0 t r a v e lt i m e f s i3 d a c m 4 - 1 0 c ms 一1 a c o u s t i c4 - 2 o fs p e e do o l0 3 0 0 4 - 2 5 0 1 0 0 0 t r a v e lt i m e e g & g 2 6c ms 一1 v a c mt h r e s h o l d0 0 52 6 3 0 9 4 - 2 8 0 6 0 9 6 a d v a c o u s t i c 4 - 1 o f s p e e d 0 o l0 5 0 0 士2 0 2 0 0 0 d o p p l e r m a v s 3 士1 o f s p e e d 0 o l0 3 0 0士2 06 0 0 0 u c m 6 0 士5 m m s0 0 l士6 0 0 4 - 2 0 2 0 0 0 a q u d o p p 4 - 1 o fs p e e d0 0 l4 - 3 0 04 - 2 0 6 0 0 0 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 暑暑i i i ；m l i i i ；葺i 昌；m ；i i i 宣昌；i 宣；暑宣；i 2 0 世纪初发展起来的机械式海流计( v a c m ，v e c t o ra v e r a g i n gs a v o n i u s r o t o rc u r r e n tm e t e r ) 只能测量海洋维流速。它运用流体力学原理，借助海洋 流速产生的推动力来驱动叶轮旋转，进而由传感器感应出转速，最后再换算 成海洋流速值。然而，这种海洋流速测量设备的测量精度很低，抗干扰能力 差，测量误差大，特别是在低流速时无法进行工作，而海洋流速通常却很低， 所以得不到广泛使用。它唯一的优点就是功耗低阿。随之而来的电磁式流速 计( e m c m ，e l e c t r o m a g n e t i cc u r r e n tm e t e r ) 也有致命的弱点，这种靠电磁感应 来测量流速的流速计，余弦响应差，精度也相当低，容易受海水介质电导率 和地球磁场的影响，且在流速发生变化时测量结果严重滞后p 1 。此外，由于 磁场强度( b ) 在海水里的衰减很大，系统必须工作在很高的功率下才产生足够 大的磁场强度，功耗很大。法拉第电磁感应定律在海洋流速测量上的运用相 当短暂。同一时代的产品还有激光多普勒流速计( l d v ，l a s e rd o p p l e r v e l o c i m e t e r ) ，其主要优点是空间分辨率高和光束不扰动流动，属于一种无干 扰流场测量技术p 1 。同样，由于激光在海水里的衰减也很大，其测量灵敏度 也不够，只能工作在受湍流涡流影响较小的海底流速测量，很快就被市场淘 汰掉。 六七十年代，低功耗集成电路，先进电子技术，先进信号处理方法和超 声传感器技术得到很大发展，就像自适应滤波技术，小波分析和快速傅立叶 变换算法使信号处理领域得到翻天覆地的变化，人们意识到海洋流速测量变 革的时代到来了。声波，唯一一个可以在海水里远距离传播的物理量，此时 成为了水声工作者的研究焦点，超声技术在水声工程应用领域里开始扮演着 重要的角色。这一时期欧美国家的代表产品为三维声学多普勒流速计 ( a d c m ，a c o u s t i cd o p p l e rc u r r e n tm e a s u r e m e n t ) ，其原理是利用超声换能器 向海水发射1 5 0 3 0 0 k h z 超声波脉冲信号，并采集回波信号，最后通过算法 实现，测量出回波信号的多普勒系数2 咖( ，是目标径向速度，厂是声波频率， c 是声波在海洋介质中的传播速度) ，进而求出相应的流速值。这样，只要有 三个空间夹角为6 0 度的换能器阵，各换能器分别测量出各自声轴上的流速 值，通过坐标转换就能求出流速的三维值，加上电子罗盘辅助数据，就轻松 实现流速的地球坐标转换p 1 。这种流速计测流精度得到很大提高( 士1 或 + 5 m m s ) ，同时设备的抗干扰能力也有所增强，所以很快就得到广泛的应用 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 并处于市场主导地位，奥地利物理学家多普勒( c h r i s t i a nj o h a n nd o p p l e r ) 于 1 8 4 2 年的发现在水声应用领域里发挥出了神奇的力量。当然，这种依赖海水 散射介质来获取回波信号的仪器，很容易受到界面多途，海洋湍流，海水气 泡，海洋生物，海洋热不均匀性和海洋介质不均匀性的影响。在最坏的情况 下，假设海水是纯净的，没有散射粒子，多普勒流速计也就无法工作。为了 克服这一缺点，9 0 年代初发展起来的宽带多普勒流速计，不仅测量精度有所 改善，抗干扰能力也得到加强，工作深度也从前者的几百米到现在的几千米 驯“且剀。虽然改进后的产品在某种程度上解决了不少问题，但效果并不是很理 想。 随着研究的不断深入，人们对海洋的认识也越来越多，同时对其研究的 技术手段要求也更加苛刻，于是海洋工作者着手利用新的技术手段对海洋流 速进行测量。到9 0 年代末，时差式、相位差式和频差式流速计应运而生，并 在某些特定的使用场合显得得天独厚，不可替代。这类流速计的代表产品有 美国制造的m a v s 3 和挪威制造的u c m 6 0 等，两者都具有卓越的低流速测量 表现，设备内部还集成了声速、温度、深度或压力、倾斜、电导率测量及计 算海水盐度、密度等功能。这种新技术方法在实际中的实现手段有很多，但 前提都是借助现代的超大规模集成电子技术和先进的电路制造工艺：通常的 方法有：电子计数法，数字相关法，游标卡尺法，时间放大法，时间电压变 换法等，与其说是在进行流速测量研究，不如说是一项电子艺术设计。设计 的重点和难点也就是如何将微小时间间隔转换成可以直接测量的模拟量，最 终通过采样量化变成可直接存储的数字量。由于使用原理有所变化，时差式 流速计实现方法具有许多优点，如它没有移动部分，没有流速盲区，线性好， 响应速度快，低噪声和不需要散射等，越来越得到国内外学者的关注p 1 。 我国由于受到国民经济和技术水平限制，对海洋研发的起步相对于欧美 国家来说比较晚。工业革命，给西方的经济和科技创新注入了新鲜的血液， 各领域的科学研究都取得重大突破和发现，经济面貌焕然一新，经济和科学 相辅相成，极大的推动了西方国家水声事业的发展。我国封闭自锁的封建皇 朝，丧失了我们原本很强大的海洋优势。新中国成立，到改革开放，国家意 识到开发海洋的极大经济效益和重要战略地位，逐渐加大对海洋研发的投入， 激起了海洋工作者的极大热情，科研工作也取得了骄人的成果。到九十年代 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 末，国家海洋局第三海洋研究所研制出了s l y 型声学多普勒流速计，打破欧 美国家产品在国内市场的垄断地位。为了将我国的海洋研究事业同西方国家 的差距进一步缩小，国家近几年来不断加大对民品项目研究的投入，海洋研 发队伍不断壮大，开发平台日趋成熟。 1 3 论文的主要工作 海水流速，海水声速是人们研究海洋的两个重要参数。上一节以流速计 的发展史、种类和特点为主线，综述了流速计在各个发展阶段所取得的成就 和存在的缺点，通过对比国内外研究技术水平上的差距，最后引出本文所要 研究的声传播时间差流速计。本论文是针对时差式海洋流速计实现方法进行 研究。由于使用的原理方法有所改进，论文研究的重点不再是一些高效算法， 而是设备结构和系统电子电路的设计实现。对于实现“时差法”测量流速这 一技术而言，如何才能得到高精度高分辨率的时间测量参数，变成了问题的 关键。 论文完成的主要工作包括如下内容： ( 1 ) 阐述论文的研究背景及意义，综述国内外海洋流速测量技术的发展 史，并分析时差式海洋流速计的技术特点，明确了本次设计的研究方向。 ( 2 ) 分析时差式海洋流速计的结构特点和时差产生原理，并详细分析研 究微小时间间隔的测量方法。在对各种方法充分认识的基础上，经过优缺点 比较，分析设计中可能出现的问题，确定了本次课题的实现方案。 ( 3 ) 阐述本次设计的总体思想，详细分析讨论时差式流速计系统的各模 块电路实现，从芯片选型到电路连接，逐步分析并实现微小时间间隔的提取 和测量，最终实现流速测量。 ( 4 ) 分析系统的总体功耗、工作时序、误差来源等。结合实验数据进行 实验数据分析，给出系统校正方法，指出系统所存在的问题，并给出解决办 法。 5 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第2 章时差产生原理及测量方法 2 1 换能器安装结构 传统声学流速计工作时，一般是单个换能器独立工作，自己发射信号和 接收回波信号。时差式流速计跟传统流速计不一样，它需要测量的是超声波 脉冲在换能器对之间的渡越时间差来测量流速，两个换能器同时发射和接收 信号，所以良好的换能器安装结构是时差法三维流速计工作的前提。换能器 的布放一要保证能实现三维流速测量；二要保证安装结构本身尽量小地干扰 流场，不影响测量精度；三要保证结构足够坚固，以免在深海中结构变形导 致测量错误。针对上面三个问题，换能器支架及安装如图2 1 所示。左边图 为换能器的安装支架结构，右边图为换能器在平面x o y 和x o z 的投影图。 y l c j - ，- 。 蒌 - 。 _一 气 、 ， i l ；i 7 b 。 f 、 i冬 oy 7 泰、 毛 ， 、 l 图2 1 换能器位置结构图 如图2 1 所示，两个交叉的不锈钢管长为2 0 c m ( 安装在x 轴和y 轴的 平行线上) ，交叉管在z 轴上的垂直距离为1 0 c m ，在交叉管的每个端点处安 装两个换能器，这样4 个端点共安装8 个收发合置换能器，构成4 个流速测 量通道a ，b ，c 和d 。每个测量通道上的换能器对间距为1 5 c m 。单次测量 6 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 时，测量通道上的两个换能器同时反方向发射超声波脉冲信号，并准备接收 彼此的信号。这种开放和透明的传感器安装结构，满足流体动力学原理，避 免了各个声轴间的流场干扰。假设流速方向如图2 1 所示的箭头方向为正方 向，当分别测量出各个声轴流速值吆，和后，根据投影定理和矢 量三角形求得流速的系统直角坐标值为： v x = 口( + 吆一一十) k = 口( + 吆+ 一一v o ) ( 2 1 ) 圪= 口( + + 珞+ 圪+ ) 其中口为一个标量，其值的大小支架几何结构有关，此系统口的值为 口= 1 怕。设备的系统坐标到大地坐标转换将在第四章进行分析。 2 2 时差产生原理 声波是能量在传播介质中的传播，由压电陶瓷换能器激励产生的超声脉 冲信号以相速度形式在海水介质中传播，当海水介质本身具有速度时，声波 在相同一段距离上顺流传播和逆流转播的时间不一样h q 。传播平面原理图如 图2 2 所示，其中a 和b 是收发合置换能器，c 是测量点海洋声速，v 是海水 流速，d 是两换能器发射面间距( 声道轴距离) 。测量时两换能器对被同一电 信号激励，即两换能器同时发射超声波，并准备接收彼此到达信号。由于流 速v 的存在，导致顺流传播和逆流传播的超声波脉冲信号不会在同一时间到 达换能器接收面。根据声波在流体介质中的转播理论可知，超声波短脉冲在 声轴上顺流和逆流传播时问分别为 顺流传播时间： t l = d ( c + v )( 2 2 ) 逆流传播时间： t 2 = d ( c d( 2 3 ) 那么顺流和逆流传播时间差为： a t = t 2 - t l = d ( c y ) 一d p + d 2 v d c 2 ( 2 - 4 ) 进而求出流速值为： 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 v = c 2 , s t ( 2 d ) ( 2 5 ) 在c ，d 已知的情况下，只要测量出应，就能直接求出流速1 ，。这种近似 的误差系数为v 2 尼2 ，如果声速和流速按典型值计算，这种近似带来的误差量 级为4 1 0 - 7 。海底边界层海洋流速一般很低，范围在o 1 c m s 到l m s 左右1 1 。 假设已知d = 1 0 c m ，c = 1 5 0 0 m s ，由( 2 4 ) 式计算出时差范围为1 3 3 n s 到1 3 3 n s 。 这么微小的时间差，利用现有的技术，要直接测量几乎不可能，或代价非常 高。 v t r a n s a t r a n s b 图2 2 时差产生原理图 为了能准确测量时差，必须采用间接测量手段，把时间差转换成别的可 以直接测量的量，如电学量。 现代电子技术发展已经相对完善，把这微小的时间差转换成可直接测量 的电学量已经不是问题。本课题的直接目标就是通过测量出超声波脉冲顺流 和逆流传播的时间差，来实现海洋流速的精确测量，然而要达到这一目标， 除了需要设计出合理的换能器支架结构外，还要设计出一套高精度的时间间 隔测量电路，解决微小时差的准确测量。在电路设计过程中，时间差提取电 路和微小时间间隔测量电路将变成论文工作所遇到的最大问题，即最具挑战 性的就是如何根据顺流和逆流传播到达时间获取积分开始和停止信号，如何 将它们转换成电压和可直接读取的数字量等。 2 3 微小时间间隔测量 在科学和工业应用领域，经常需要精确测量两个或多个物理事件之间的 时间间隔( t i ，t i m ei n t e r v a l ) 。如图2 3 所示，被测时间间隔t i 由开始和停止信 号的前沿确定。而开始和停止信号前沿则通过信号检测电路和时间鉴别器来 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 获取。时间鉴别器使用先进的电子技术将事件转换成相应的电脉冲信号。这 样，只要得到时间轴上的两个时间点后，在应用要求非常精确的领域里，如 何测量这两点之间的间隔就是一件很具有挑战性的问题了。时间间隔被测量 出来后，经常用十进制数字输出并显示，所以通常也叫时间到数字转换( t d c ， t i m e t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ) 。通常对时间间隔范围在0 2 0 0 n s 之间的测量，采用 模拟内插法才得到相应的精度，而较大的时间间隔( 一般为毫秒级) 通常只 需要时钟计数法( t c s ，t i m ec o u n t e r s ) 就可以满足精度要求2 1 。当然，时间间 隔的长短划分不是强制性的，不管是t d c 还是t c s 都根据实际测量精度而定， 它们统- p q 时间问隔测量。图2 3 所示的系统包含两个独立的输入端，当然可 以转变成单一公共输入，这样可以免除通道之间不一致所造成的偏移，但这 样会降低系统的分辨率，即时间间隔不能过短，时间间隔必须大于输入脉冲 宽度或可测量时间间隔盲区列。 i x , l 信号检测时间鉴别器 开始 喇 时间间隔 一输出显示 测量 信号检测 八- jl k 时问鉴别器 停止 图2 1 3 时间间隔测量原理图 在现实生活中，即使是恒定的时间间隔，但由于被测物理现象，信号检 测和时间鉴别器原因，往往导致时间间隔测量的不稳定性。同时也由于测量 系统的固有噪声，电子器件的非线性和量化误差等，都会造成测量的不准确。 时间间隔测量的精度，运用统计学原理，由标准差万来判定，也就是经常所 说的均方根误差u 引。 在某些特别的应用领域，由于先进方法和现代科学技术的应用，时间间 隔测量的方差可以做到3 p s 1 0 p s 左右。采用模拟内插法测量时间间隔，如时 间到幅度转换和时间延伸技术等，测量方差般在2 0 p s 左右。而采用纯数字 分析处理技术，没有利用任何技术中间转换过程，一般方差会在5 0 p s 一2 0 0 p s 之间。数字信号处理法测量时间间隔是基于精确的信号采样和存储。先进的 9 哈尔溟工程大学硕士学位论文 采样示波器和专用的设备就是强大的时间间隔测量工具，但价格昂贵。现代 实时采样示波器能提供便捷和全面的数值分析方法，高精的采样示波器时间 间隔测量方差可做至u 3 p s ，但在便捷式设备中必须采用间接测量方法4 1 。由于 新技术和新方法的快速发展，现在要做出低成本、高精度、高稳定、方差小 于5 0 p s 的时间间隔测量设备已经不再是问题了。 时间间隔测量应用于科学研究( 如核物理实验，天文观测等) ，工业( 流 速计流量计，磁盘加工，集成电路动态参数测量等) ，通信( 通信传输速率 等) ，地质学，军事设备( 激光雷达测距等) 。它最基本也最重要的参数有 1 2 1 1 4 1 ： ( 1 ) 测量量程； ( 2 ) 标准差盯或随机误差； ( 3 ) 时间到数字转换的非线性：微分非线性( d n l ，d i f f e r e n t i a ln o n l i n e a r i 和积分非线性( 1 n l ，i r i t e g r a ln o n l i n e a r i t y ) ： ( 4 ) 量化步长，即最低有效位l s b ； ( 5 ) 时间盲区，即一次测量结束到下一次测量开始的最短时间； ( 6 ) 读取速率； 由于所应用领域要求不同，测量时不可能所有的参数都达到一个很好的 量级，应用中应根据实际需要注重哪些参数，进而选择哪种方法。 2 4 微小时间间隔测量方法 2 4 1 时钟计数法 时钟计数法是测量时间间隔最简单的方法，如图2 4 ( a ) 所示，只需要一个 基准时钟和一个二进制计数器就可以实现时间间隔测量。设复位后在t i 时间 间隔内计数器的计数值为n ，则可以计算出时间t i 嘲t o ，t 0 为参考时钟周期。 假设待测时间间隔t i 跟基准时钟是异步的，这样不管t i 的前沿还是后沿， 落在时钟周期内任何一点的可能性是一样的。如果t i 的前沿和后沿都落在一 个有效时钟沿内，那么t i 的读数总是0 ，也就是说这种方法的最大量化误差将 达到t o ，依赖t i 的前后沿落在时钟的哪个位置，如图2 4 ( b ) 所示的那样。 在实际应用中，运用计数法连续重复测量一个异步于系统时钟的时间间 隔常量t i 时，往往会得到两个不同的结果，如图2 5 所示的那样，t i t i 。每种可能读数的概率依赖指数c = f r c ( t i t 0 ) ： p ( t 1 ) 2 l c( 2 6 ) 和 q ( t 2 ) = c( 2 7 ) 这样待测量时间间隔为 t i = p t l + g t 2 ( 2 - 8 ) 从图2 5 可知，量化误差就由u 1 和u 2 两个量来描述，u 1 - t 1 - t i o 。这样由量化造成的随机误差用标准方差描述成如下式d 2 1 q o = t 0 面= t o 丽虿 ( 2 9 ) 由式( 2 9 ) 可知，当c 印= g = o 5 ，有最大方差d i 麟= t 0 2 ，均方差为 g a y = 乃t o 8 兰0 3 9 t 0 ( 2 1 0 ) ( a ) 剖t o 掣竖些卜。“l 1 。b ， 臼luui l i 6 t 0 i 一舟 h 4 t n 图2 4 简单时钟计数法：( a ) 计数原理图，( b ) 计数误差原理图 经过误差分析，可以看出这种简单的时钟计数法测量时间间隔误差相当 大。但计数法的精度可以通过多次测量取均值来获取2 1 。对于给定的一个测 量样本，总共测量人饮，t l 和t 2 出现的次数分别为嚣l 和彪。由于胸2 1 慨， 则相应的概率可以描述成p = n l n ，q = n 2 n , 平均的结果为 哈尔滨工程大学硕七学位论文 r ：_ n l t l + f n 2 t 2 ( 2 1 1 ) v 如果n r 够大，t i t ，量化误差为r t i 接近于o 。r 的随机误差也就 变成单次测量误差的l 倍，最大标准差o n m 戤和均方差分别为 。：t 0 2 万 ( 2 1 2 ) 嘶= n t 0 8 x - n 兰0 3 9 t 0 x - n( 2 13 ) 这样，若= 1 0 0 ，平均的结果将只是n = i 时的十分之一。但是多次测量取 平均的缺点是要花很长的时间进行测量，降低系统的工作速度，在高速系统 中显得不实际。 l l - t ot l1 王l 2 d i l + 。l u 图2 5 计数法的原理误差 计数法的优点是测量量程大，且电路简单，其量程完全依赖计数器的位 数和时钟周期。由于受原理限制，其固有的缺点就是单次测量的精度较差， 这主要依赖于基准时钟周期的大小和稳定度，1 g h z 时钟频率也仅仅得至u l n s 精度，高稳定时钟和快速计数器成本相当昂贵，所以这种方法在高精度时间 测量中得不到广泛应用。 2 4 2 模拟放大法 随着技术的不断更新，人们改变了传统的时间间隔测量方法，这些方法 克服了计数法的原理和时标误差，理论上比计数法具有更高的精度，特别适 合用于测量小时间间隔( 1 0 0 p s 2 0 0 n s ) ，它们的测量精度只受到时间到幅度或 数字转换时的非线性影响( d n l ，i n l ) ，但无论如何，一般都做到i n l r 2 。输入时间间隔由s t a r t 信号和s t o p 信号的上升沿确定，由于锁存器的时 延f 1 大于缓冲器时延f 2 ，那么经过一个延迟单元后，s t a r t 和s t o p 的时间间隔 哈尔滨下程大学硕士学位论文 减少t i = r l - r 2 ，经槲延迟单元后时间间隔减少砭= t i k ( 丁1 一f 2 ) 。当第 m 一1 个延迟单元的c 端输入电平提前于输入d 跳变，则信号停止传输，第个 延迟单元的q 输出为高电平，此时由上式得t i = n ( r l r 2 ) 。 延迟单元 图2 9 差分延迟线法原理 利用高性能低成本的专用集成芯片f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y s ) ，国内外科研工作者运用已经介绍的几种方法，综合出1 0 0 2 0 0 p s 精度 的电路b 2 伸3 4 坤5 1 ，想在集成芯片内综合出更高性能的时间测量电路，需要反 复实验验证，因为软件仿真综合出来的电路和实际的效果往往会有较大的误 差。通常对所选f p g a 的要求有内部逻辑门和连接线的时延尽可能小，一个适 当粒度的功能的逻辑模块，连接线的电阻和结电容尽量小，灵活的结构设计 等。为了得到更好的测量精度，文献 2 l 】 2 7 】对电路做了一些改进，获取更高 的时间测量精度。由于所需要的逻辑门比较多，在实际电路中想搭建这样的 电路不切实际，所以这些方法至今没有得到广泛使用。 2 4 4n u t t 模拟内插法 n u t t 在1 9 6 8 年设计出满足大量程且精度又很高的模拟内插法，其量程大 小只依赖参考时钟周期和计数器位数，高精度获取则由精密测量模块实现， 两者结合，使它们具有广阔的应用前景羽例删。设计数器的时钟周期为t o ， 被测时间间隔为t i ，则t 0 ：n + c ，其中n = i n t ( t i t o ) 为计数器的计数值， e = f r c ( t i t 0 ) 为精密测量所要测量的值。这样，时间间隔被分成三部分n t 0 ， t 1 ，t 2 ，一部分由实时计数器测量，另外两部分由s t a r t 和s t o p 及其它们最近 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的第二个时钟上升沿确定( 不选择第一个上升沿是为了避免由于s t a r t 和s t o p 信号在触发器压稳态窗出现导致测量错误) ，被测时间间隔t i = n t o + t 1 t 2 。 如图2 1 0 所示，基于同步原理，精确测量产生的时间在t 0 至i j 2 t 0 之问，它们由 量程为2 t 0 的时间到电压转换( t o e ) 模块转换成相应的数字量。由于在测量t 1 和t 2 时利用时间延伸技术，假设延伸系数为k 1 ，k 2 ，转换为计数值甩1 ，力2 。 表示为相应的精度，f l = t o l ，r 2 = t 0 k 2 ，这样有 t 1 兰n lr l ，t 2 兰n 2 r 2 ( 2 1 4 ) 这种方法的分辨率一般为l s b = t 0 k ，其中础1 0 0 1 0 0 0 0 之间。 ： t i ： - 一 c t 。c k 日几厂 厂 厂1 几i 几几| r r 几 k ；叫t o 卜； ； start一【ji；一 s t o p i i 兀i 亡型：； 一jt l l一j ；it 2l l1 + 一一= 一广一 n t 0 一 n t 0 i 一 c o u n t 电!iill ：il l23n - 1n 图2 1 0 模拟内插法时序图 这种方法原理电路共有四个d 触发器，两个对称一致的 t a c ( t i m e - t o a m p l i t u d ec o n v e r t e r s ) 和a d c 模块，及一个计数器模块构成，由 于其结构原理简单，也不失精度，在许多领域得到广泛应用。但该方法具有 一定的风险的，因为s t a r t 和s t o p 信号跟时钟信号是异步的，当s t a r t 或s t o p 至l j 达 时不满足触发器的建立保持时间，触发器进入亚稳态，造成触发器输出不可 预测，测量结果也就不正确例。 此方法不确定度来源主要有三方面：t d c 模块的非线性，时钟不稳定性 和量化误差。在t 1 和t 2 时间内，电容的放电会带来较大的非线性，所以k 值 实际上也不可能太大，而且实际所实现的扩展倍数k 的准确值也难以得到， 模拟内插技术要将测时精度提高很大的话，实现起来有很多的局限性，而多 1 7 哈尔滨 丁程大学硕士学位论文 i l l 次平均虽然提高精度，但降低测量速率。模拟内插技术虽然对时钟频率要求 不高，但是由于采用模拟电路，当待测信号的频率较高的情况下非常容易受 到噪声的干扰，当要求连续测量时，电路反应速度也是一个大问题，所需时 间周期为t a c 电路的建立时间和a d c 转换时间的总和。至于量化误差，由于 做了延伸后线性度已经不确定，一个乐观的估计公式为 盯- _ - l s b 厄_ = 0 2 9 l s b ( 2 1 5 ) 在实际应用中，两路t d c 模块的延伸系数k 也不会一致，不会是整数， 没有严格的线性。 2 4 5p l l 和d l l 法 随着工业应用领域的需求和半导体c m o s 技术的长足进步，时间间隔测 量技术已经集成在一个专用的集成芯片上( a s i c ) ，且功能强大，可以做到支 持多次停止功能( 多次采样) ，大动态范围，低功耗，高转换率，高可靠性 等特点。此外，还有的专用集成芯片还集成了自校正功能，辅助寄存器，简 单微处理器等。目前市场上可以买到的高精度时间测量芯片一般采用两种新 技术：锁相环( p l l ，p h a s el o c k e dl o o p ) 或延迟锁存( d l l ，d e l a yl o c k e dl o o p ) 。 为了防止门电路对外界温度和供电电压过于敏感，电路都采用反馈接法，电 路单次测量精度可达蚕 2 0 p sr m $ m 引。目前市场上能买到的比较通用的专用时 间测量芯片t m c t e g 3 ，f 1 ，t d c g p 2 和m t d l 4 4 采用的是锁相环和数字延 迟锁存技术口4 1 删3 刚3 帅引。由于使用原理不同，这些集成芯片的单次测量精度 范围在4 0 p s 7 0 0 p s 之间，本次设计选用的是简单易用的双通道t d c g p 2 ，将 在第三章介绍。 2 5 本章小结 海洋流速测量方法多种多样，使用的原理各不相同。根据声波在水声信 道中传播相同距离顺流传播和逆流传播时间不相等的原理，本章提出了通过 测量时间差来实现流速测量方法。分析了时差式流速计的时差产生原理、三 维流速实现方法、时差测量方法等，从而确定了时差式流速计的总体实现方 案。分析结构表明：时差式流速计具有结构简单、技术实现方法灵活