本发明涉及一种标定装置及方法，特别是一种多普勒海流计声波散射区域的标定装置及方法，属于声学计量领域。
背景技术：
多普勒海流计是利用声波在运动介质中产生的多普勒效应来实现流速测量的。传统的多普勒海流计采用前端的一个换能器发射声波，声波受水流、小颗粒、气泡等运动介质散射，散射声波由另外一个换能器接收，根据运动物体产生的多普勒频偏，计算出水的流速。以往校准海流计的测速精度多在外场水域进行，以中国海洋行业标准hy/t102-2007(声学多普勒流速剖面仪检测方法)作为指导性文件，该标准中规定的流速检测有gps检测法和同类型测流仪器比较法。
由于外场试验的误差较大，近年来开展在实验室中利用循环水槽形成稳定水流，采用piv(粒子图像测速仪)或ldv(激光多普勒测速仪)技术去标定水流流速，形成一个标准的流场，从而完成多普勒海流计的校准，此法的优点在于精度极高。在0.01m/s～3m/s的流速范围内，校准的不确定度可达：0.1％(流速值)+2mm/s(见国家重点研发计划---海洋声探测关键计量标准及溯源技术研究，批准号：2016yff0200900)，这种不确定度远远高于多普勒海流计自身的测速精度，例如：lsh10-1a手持超声波多普勒流速仪的测流准确度为1％(流速值)+1cm/s。故此，采用循环水槽和激光测速系统去精确校准多普勒海流计的测速精度是可行的。
但是，在校准过程中存在最大的问题就是如何确定多普勒海流计的有效工作区域---声学多普勒效应产生的范围，即体积混响的区域。
常规做法是利用发射换能器和接收换能器的波束角度以及声速去计算有效的声学散射区域，这只是一种理论上的计算方法，而且各个换能器的主瓣未必一定通过其圆心与法线重合，虽然在工艺上做了精密加工，也很难保证安装于底座之后两声束相交的范围。
另一种常用的测试换能器相交范围的方法是声流成像法，即在两换能器的正前方交汇区距离之内，放置一个划有方格的平板，平板呈一定的后倾角度，在板上贴敷沙粒，将两个换能器同时施加相同的电功率，数秒钟后，斜板上出现由流束驱开的圆形沙洞，利用换能器的收发互易特性实现交汇区的标定。但是在使用多普勒海流计时，需要一个换能器发射声波，一个换能器接收声波，换能器在加电工作时，会产生非线性效应，此时不再满足收发互易特性，因此，声流成像法标定换能器的交汇区域是存在一定问题的。
此外，还有采用一个针式水听器的方法去标定多普勒海流计的有效声学散射区域，此方法受限于水听器的灵敏度，当采用较高灵敏度的水听器完成标定时，会使得有效声学散射区域偏大；当采用较低灵敏度的水听器完成标定时，会使得有效声学散射区域偏小；而且，水听器均有一定的体积和大小，当局部结构感触到声波的脉动压力时，也会有电信号输出，这也是标定区域存在误差的原因之一。
综上所述，各种标定多普勒海流计声学散射区域的方法存在一些缺陷。如何标定多普勒海流计的有效声学散射区域，就成为计量多普勒海流计测速精度的首要问题。
技术实现要素：
针对上述现有技术，本发明解决的技术问题是提供一种能够准确标定多普勒海流计的有效声学散射区域的标定装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明的多普勒海流计声波散射区域的标定装置，包括标准板3、上减振器4、下减振器5、第一连接杆61、第二连接杆62、移动机构；所述标准板3由内部中空且两端封闭的圆管相互连接而成，所述圆管靠近多普勒海流计2一端设置有长圆锥34、远离多普勒海流计一端设置有短圆锥31；所述移动机构包括第一导轨71、第一直线步进电机72、旋转步进电机73、转盘74、第二直线步进电机75、第二导轨76；第一连接杆61为直杆，第二连接杆62包括上竖直杆621、水平杆622和下竖直杆623，下竖直杆623的轴线与旋转步进电机73转轴轴线在同一直线上；所述标准板3上下两端分别通过第一细螺柱32和第二细螺柱33固定连接有上减振器4和下减振器5，所述上减振器4通过第一连接杆61和第二连接杆62与第二导轨76两端固定连接；第一导轨71沿垂直循环水槽工作段1的水流方向固定横跨在循环水槽工作段1上，第一直线步进电机72安装在第一导轨71上且沿第一导轨71直线运动；旋转步进电机73固定连接在第一步进电机72上；转盘74与旋转步进电机73的转轴固定连接；第二直线步进电机75安装在转盘74上且与第二导轨76固定连接并带动第二导轨76运动。
本发明的多普勒海流计声波散射区域的标定装置，还包括：
1.圆管的长度等于多普勒海流计2前端的声波波束交叉体积范围里的纵剖面最大长度，所述标准板3的宽度与长度相等，所述交叉体积范围根据多普勒海流计2的使用频率、发射和接收换能器之间的夹角以及波束宽度确定。
2.圆管由钛合金制成。
3.上减振器4形状和下减振器5形状均与构成标准板3的圆管形状相适应、包括实心圆柱、短圆锥31和长圆锥34，所述上减振器4和下减振器5为铅质。
4.短圆锥31结构和长圆锥34结构为实心，短圆锥31结构的母线与外径之比为2:1，长圆锥34结构的母线与外径之比为6:1。
5.第一连接杆61和第二连接杆62均为圆柱形，第一连接杆61和第二连接杆62的表面均有尖锐的锯齿结构。
基于本发明的多普勒海流计声波散射区域的标定装置的标定方法，包括以下步骤：
第一步：将多普勒海流计2放置在循环水槽的工作段1内，选取校准速度v，校准速度v满足：v＝100v，其中，v为多普勒海流计最小测速精度；
第二步，依据多普勒海流计2的使用频率、发射和接收换能器之间的夹角以及波束宽度，计算得到多普勒海流计2前端的声波波束交叉的体积范围，标准板3中圆管的长度等于交叉体积范围里的纵剖面最大长度，标准板3的宽度与长度相等；
第三步：将标准板3放置在多普勒海流计2的前端，所述圆管轴线方向与水流方向一致；
第四步：控制第一直线步进电机72运动，令标准板3沿第一导轨71缓慢移动，当多普勒海流计2的输出在±v范围时，第一直线步进电机72停止工作；控制第二直线步进电机75运动，令标准板3沿逆流场方向缓慢移动，当多普勒海流计2的输出首次大于v时，第二直线运动步进电机75停止工作，记录此时标准板3靠近多普勒海流计2一端的位置坐标l1；
第五步：以多普勒海流计2的发射换能器21和接收换能器22的中心法线方向与位置坐标l1进行连线，利用正弦定理，计算得到多普勒海流计2发射和接收波束前端的剖面夹角α1+α2；
第六步：在第四步标定的坐标位置，控制旋转步进电机73运动，令标准板3沿同一个圆周方向缓慢转动，观察多普勒海流计2的输出，当首次输出为v时，旋转步进电机73停止运动，记录标准板3转动的角度β1；将标准板3旋转回中心法线位置，控制旋转步进电机73运动，令标准板3沿相反的圆周方向缓慢转动，观察多普勒海流计2的输出，当首次输出为v时，旋转步进电机73停止运动，记录此时标准板3相对于第五步中所述中心法线方向转动的角度β2，获得多普勒海流计2发射和接收波束尾端的剖面夹角β1+β2；
第七步：控制旋转步进电机73运动，令标准板3旋转回中心法线位置，控制第二直线步进电机75运动，令标准板3缓慢沿着工作段中逆流场方向进行运动，当多普勒海流计首次输出为v时，记录标准板3靠近多普勒海流计2一端的位置坐标l2；
第八步：得到由发射波束和接收波束相交所成的声学散射区域，所述区域的长度为l2-l1，所述区域为两个类圆锥构造，其中：
圆锥的底面直径满足：
(l2-l1)×sinβ1sinα1/(sinβ1+sinα1)+(l2-l1)×sinβ2sinα2/(sinβ2+sinα2)，
靠近多普勒海流计2的圆锥的高度满足：
(l2-l1)×sinβ1cosα1/(sinβ1+sinα1)，且(l2-l1)×sinβ1cosα1/(sinβ1+sinα1)＝(l2-l1)×sinβ2cosα2/(sinβ2+sinα2)，
远离多普勒流量计2的圆锥的高度满足：
(l2-l1)×cosβ1sinα1/(sinβ1+sinα1)，且(l2-l1)×cosβ1sinα1/(sinβ1+sinα1)＝(l2-l1)×cosβ2sinα2/(sinβ2+sinα2)；
第九步：将第八步确定的多普勒海流计2声波散射区域进行网格划分、离散，采用ultraldv测量离散点的流速，将测得流速值进行均方处理，获得多普勒海流计2的标准流速，完成多普勒海流计2测速精度的计量校准。
本发明有益效果：
1.多普勒海流计声波散射区域的标定是从实验计量方面考虑的，该结果比目前的理论估算的结果更可信；在测试过程中的多普勒海流计发射换能器和接收换能器均正常工作，这比利用换能器互易特性的声流成像法的精度更高；其次，标准板内部为空气，“水-金属-空气-金属-水”是良好的隔声结构，能够阻止发射换能器发射的声波束进入接收换能器之中；
2.标准板的内部为中空，是声学中的空气背衬，由复反射系数的计算公式：
上式中，ρt为钛合金的密度，ct为钛合金的声速，kt为钛管的波数，d为钛管厚度，ρw为水的密度，cw为水的声速，j为虚数因子。由公式(1)可求得厚度为1mm钛管的反射系数近似为1。因此，标准板能很好地反射多普勒海流计中发射换能器发射的声波。标准板由圆管排列而成，可抑制在声激励下产生的弯曲波；加之圆管中的声波波长约为2cm，远大于其厚度，在标准板的表面并不会产生声表面波。
3.标准板前部的短圆锥型构造类似锯齿，能够减少驻点压力，圆管和圆管的连接处会形成小的“流道”，这两种结构将前部的流动破碎成小涡漩，使得小涡漩顺着“流道”流动，能够很好地抑制流动在标准板表面的分离，即使移动机构旋转标准板的过程中，使得标准板中的圆管与来流成一定角度时，也不会形成空泡或空化现象。
4.采用循环水槽工作段的流速为多普勒海流计测量精度的100倍，这样的好处是信噪比高，因此，当多普勒海流计输出为测速精度附近的流速值时，可以认为接收换能器没有接收到声波散射区域的体积混响信号，提高了测试结果的可靠性，而且流速远大于由多普勒海流计发射换能器因施加电压而产生的声流流速(当换能器加电工作时，因介质的非线性效应而使得水流自换能器辐射面的法线方向运动形成射流，也称声流)，因此，采用测速精度的100倍流速，可以忽略发射换能器因施加电压而产生的声流影响；
5.标定方法约定的流速值为多普勒海流计测速精度的100倍(例如，测速精度为1cm/s，则流速值为1m/s)，但此流速仍属于小流速范围，标准板表面的边界层厚度极薄，由此边界层导致的循环水槽工作段内流场速度的分层变化可以忽略，这使得可以利用标准板作为多普勒海流计校准过程中的零流速基准；
6.由于多普勒海流计的输入电功率仅为几瓦量级，在水下产生的声波强度有限，由此导致标准板的声致振动效应可以忽略；采用上减振器和下减振器对多普勒海流计换能器发射声波束所致的标准板振动效应进行抑制，尽最大可能地保证标准板将发射声波遮挡后，多普勒海流计中的接收声信号为零；
7.通过对所标定的多普勒海流计的声波散射区域进行网格划分，采用ldv或piv技术对该区域的流速进行标定，就可以在实验室的循环水槽内完成对多普勒海流计测速精度的计量工作，这比常规的gps标定和其它流速设备比测方法的精度高得多，且工程可行性更强。
附图说明
图1为一种多普勒海流计声波散射区域的标定装置的整体框图；
图2为标准板二维运动和旋转运动的示意图；
图3为标准板长度计算示意图；
图4为多普勒海流计声波散射区域计算的示意图；
图5为一种多普勒海流计声波散射区域的标定方法流程图；
具体实施方式
下面结合附图1-5，对本发明的一种多普勒海流计声波散射区域的标定装置及方法做进一步说明。
如图1、图2所示，1为循环水槽的工作段、2为多普勒海流计、21为发射换能器、22为接收换能器、3为标准板、31为短圆锥、32为第一细螺柱、33为第二细螺柱、34为长圆锥、4为上减振器、5为下减振器、61为第一连接杆、62为第二连接杆、621为上竖直杆，622为水平杆，623为下竖直杆，71为第一导轨、72为第一直线步进电机、73为旋转步进电机、74为转盘、75为第二直线步进电机、76为第二导轨，箭头代表循环水槽的工作段内水流方向。
一种多普勒海流计声波散射区域的标定装置及方法，包括循环水槽的工作段1、多普勒海流计2、标准板3、上减振器4、下减振器5、第一连接杆61、第二连接杆62、移动机构；
循环水槽的工作段1由有机玻璃制成，长为1.6m，宽为0.4m，高为0.4m，在电机和螺旋桨的驱动下，可实现流速范围为0.3m/s～3m/s的水流均匀流动，在循环水槽的工作段1的侧面安装ultraldv(超级激光多普勒测速仪)，能够对水槽内的水流流速进行精确测定；
多普勒海流计2为lsh10-1a手持超声波多普勒流速仪，测速范围：0.02～7.00m/s，准确度：1.0％±1cm/s，在静水中使用时，流速输出：±1cm/s，此时可认为没有流动；
标准板3的主体是由钛合金制成的圆管，内部中空，两端封闭，圆管的前端和尾端分别安装实心的短圆锥31和长圆锥34，短圆锥31的母线与外径之比为2:1，长圆锥34的母线与外径之比为6:1，利用第一细螺柱32和第二细螺柱33可以将标准板3固定在上减振器4和下减振器5之间；
上减振器4跟标准板3形状一样，材质为铅质，利用第一细螺柱32和第二细螺柱33将上减振器4与标准板3固定在一起，通过第一连接杆61和第二连接杆62，将上减振器4与移动机构连接；
下减振器5跟标准板3形状一样，材质为铅质，利用第一细螺柱32和第二细螺柱33将下减振器5与标准板3固定在一起；
第一连接杆61和第二连接杆62均为圆柱形，两端攻设螺纹，用以固定上减振器4，第一连接杆61和第二连接杆62的表面有尖锐的锯齿结构，以削减卡门涡街引起的第一连接杆61和第二连接杆62的颤振效应；
移动机构是由垂直流动方向的第一导轨71、直线运动的第一直线步进电机72、旋转运动的旋转步进电机73、转盘74、直线运动的第二直线步进电机75、平行流动方向的第二导轨76组成；其中，垂直流动方向的第一导轨71放置在循环水槽的工作段1的两侧，直线运动的第一直线步进电机72可带动旋转运动的旋转步进电机73、转盘74、直线运动的第二直线步进电机75和平行流动方向的第二导轨76沿垂直流动的方向进行运动；旋转运动的旋转步进电机73可带动转盘74、直线运动的第二直线步进电机75和平行流动方向的导轨76进行旋转运动；转盘74安装在旋转运动的旋转步进电机73和直线运动的第二直线步进电机75之间；直线运动的第二直线步进电机75安装在转盘74之上，可带动平行流动方向的第二导轨76沿平行流动的方向进行运动；
如图5所示，一种多普勒海流计声波散射区域的标定装置及方法，还包括标定方法，步骤如下：
第一步，将多普勒海流计放置在循环水槽的工作段内，参照多普勒海流计的使用说明书规定的精度要求，选取其100倍的流场速度作为校准速度，本实施例中多普勒海流计2的最小测速精度为1cm/s，故循环水槽中工作段的流速为1m/s；
第二步，参照多普勒海流计2的使用频率、发射和接收换能器之间的夹角、以及波束宽度，估算得到多普勒海流计2前端的声波波束交叉的体积范围，则标准板3中圆管的长度等于交叉体积范围里的纵剖面最大长度，即图3中的a、b两点长度，标准板3的宽度与长度相等；
第三步，将标准板3放置在多普勒海流计2的前端，标准板3中的圆管轴线方向与流动平行，且处于声波波束交叉的体积范围中间位置，如果多普勒海流计2的换能器、电子线路设计合理的话，此时多普勒海流计2的输出应在最小测速精度附近上下跳动，即±1cm/s；
第四步，如果多普勒海流计2的输出大于1cm/s，则此时的标准板3没有处于多普勒海流计2声波波束交叉体积范围的中间位置，利用移动机构沿垂直流场的方向缓慢调节标准板，当多普勒海流计2的输出在±1cm/s范围时，此时标准板3的位置即为多普勒海流计2声学波束交叉的中间位置；利用移动机构使标准板3沿逆流场的方向缓慢移动，当多普勒海流计2的输出首次大于1cm/s时，记录此时的位置坐标l1；
第五步，以多普勒海流计2的发射换能器21和接收换能器22的中心法线方向与此时的位置坐标l1进行连线，利用正弦定理，计算得到多普勒海流计2发射和接收波束前端的剖面夹角为α1+α2；
第六步，根据第四步标定的坐标位置，以标准板3圆管与短圆锥31的连接处为轴心，利用移动机构沿同一个圆周方向缓慢转动标准板3，观察多普勒海流计2的输出，当最大输出为1m/s时，记录标准板3转动的角度β1；将标准板3归原位，利用移动机构沿相反的圆周方向缓慢转动标准板3，观察多普勒海流计2的输出，当最大输出为1m/s时，记录此时标准板3转动的角度β2，则多普勒海流计2发射和接收波束尾端的剖面夹角为β1+β2；
第七步，将标准板3归原位，利用移动机构带动标准板3缓慢沿着工作段中逆流场方向进行运动，并观察多普勒海流计2的输出，当多普勒海流计最大输出为1m/s，记录位置坐标l2；
第八步，可得到多普勒海流计声波散射区域的长度为l2-l1，联立方程、求解方程组，由发射波束和接收波束相交所成的声学散射区域为两个类圆锥形构造，
圆锥的底面直径：(l2-l1)×sinβ1sinα1/(sinβ1+sinα1)+(l2-l1)×sinβ2sinα2/(sinβ2+sinα2)，
前部圆锥的高度：(l2-l1)×sinβ1cosα1/(sinβ1+sinα1)，且(l2-l1)×sinβ1cosα1/(sinβ1+sinα1)＝(l2-l1)×sinβ2cosα2/(sinβ2+sinα2)，
后部圆锥的高度：(l2-l1)×cosβ1sinα1/(sinβ1+sinα1)，且(l2-l1)×cosβ1sinα1/(sinβ1+sinα1)＝(l2-l1)×cosβ2sinα2/(sinβ2+sinα2)；
第九步，将第八步确定的多普勒海流计2声波散射区域按照一定的长度进行网格划分、离散，采用ultraldv测量离散点的流速，将这些流速值进行均方处理，作为多普勒海流计2的标准流速，进而完成多普勒海流计2测速精度的计量校准。
值得注意的是：本发明中标定的多普勒海流计前端的波束夹角比发射换能器的发射波束夹角大1～2°，(例如，多普勒海流计的发射波束和接收波束夹角为2～4°)，由于该角度很小，例如1°对应的弧度值仅为0.017弧度，因此，由此角度所对应的扇面面积就更小，在测试过程中可以忽略。
一种多普勒海流计声波散射区域的标定装置及方法，包括标准板、上减振器、下减振器、连接杆、移动机构，标准板的上端安装上减振器，上减振器安装在连接杆的下端，下减振器安装在标准板的下端，连接杆的上端连接移动机构，移动机构具有二维扫描功能和旋转功能；
标准板由圆管排列而成，每个圆管的前部连接短圆锥，尾部连接长圆锥，材质为钛合金；
上减振器的构型跟标准板相似，内部为实心结构，材质为铅质；
下减振器的构型跟标准板相似，内部为实心结构，材质为铅质；
上减振器、标准板和下减振器以细螺柱紧固在一起；
一种多普勒海流计声波散射区域的标定装置，还包括标定方法，具有以下步骤：
第一步，将多普勒海流计放置在循环水槽的工作段内，参照多普勒海流计使用说明书规定的测速精度，选取其100倍的流场速度作为校准速度，例如，多普勒海流计的最小测速精度为1cm/s，则循环水槽的工作段流速为1m/s；
第二步，参照多普勒海流计的使用频率、发射和接收换能器之间的夹角，以及换能器工作的波束宽度，计算得到声波波束交叉的体积范围，以此确定标准板中圆管的长度，标准板中圆管的长度等于交叉体积范围纵剖面的最大长度，标准板的宽度与长度相等；
第三步，将标准板放置在多普勒海流计的前端，标准板的圆管轴线与流动的方向平行，且处于声波波束交叉形成体积范围的中间位置，若多普勒海流计的换能器、电子线路设计合理的话，此时多普勒海流计的输出应在最小测速精度附近上下跳动，即±1cm/s；
第四步，如果多普勒海流计的输出大于1cm/s，则此时的标准板没有处于多普勒海流计声波波束交叉体积范围的中间位置，利用移动机构沿垂直水流的方向缓慢调节标准板，当多普勒海流计的输出在±1cm/s范围时，此时标准板的位置即为多普勒海流计声学波束交叉形成体积范围的中间位置；利用移动机构沿逆流场的方向缓慢调节标准板，当多普勒海流计的输出首次大于1cm/s时，记录此时的位置坐标l1；
第五步，以多普勒海流计的发射换能器和接收换能器的中心法线方向与此时的位置坐标l1进行连线，利用正弦定理，计算得到多普勒海流计发射和接收波束前端的剖面夹角为α1+α2；
第六步，以标准板的圆管与短圆锥的连接处为轴心，利用移动机构缓慢朝一个方向旋转标准板，观察多普勒海流计的输出，当首次输出1m/s时，记录标准板转动的角度β1；利用移动机构缓慢朝相反的方向旋转标准板，观察多普勒海流计的输出，当首次输出1m/s时，记录此时标准板转动的角度β2，则多普勒海流计发射和接收波束尾端的剖面夹角为β1+β2；
第七步，将标准板归原位，利用移动机构带动标准板缓慢沿着工作段中逆流场方向进行运动，并观察多普勒海流计的输出，当多普勒海流计首次输出1m/s，记录位置坐标l2；
第八步，多普勒海流计声学散射区域的长度为l2-l1，联立方程、求解方程组，由发射波束和接收波束相交所成的声学散射区域为两个类圆锥形结构；
圆锥的底面直径：(l2-l1)×sinβ1sinα1/(sinβ1+sinα1)+(l2-l1)×sinβ2sinα2/(sinβ2+sinα2)，
前部圆锥的高度：(l2-l1)×sinβ1cosα1/(sinβ1+sinα1)，且(l2-l1)×sinβ1cosα1/(sinβ1+sinα1)＝(l2-l1)×sinβ2cosα2/(sinβ2+sinα2)，
后部圆锥的高度：(l2-l1)×cosβ1sinα1/(sinβ1+sinα1)，且(l2-l1)×cosβ1sinα1/(sinβ1+sinα1)＝(l2-l1)×cosβ2sinα2/(sinβ2+sinα2)。