深海垂直剖面实时监测系统的设计与实现

深海垂直剖面实时监测系统的设计与实现
杜亮
【摘要】为了对深海动力环境进行监测，设计了一种深海垂直剖面实时监测系统。

系统利用浮力调节的方法实现测量平台沿系留索升降，在升降的过程中进行海洋剖面参数的测量，同时将测量数据通过感应耦合传输和卫星通信的方式传送给岸站。

突破了水下大背压条件下浮力调节技术和海上数据实时通信传输技术，实现了深海动力环境的实时测量。

%In order to monitor the power and environment of deep sea,a real-time measuring system for deep-sea vertical section is designed,which uses the buoyancy regulation to ascend or fall along the
tie-down. In the course of movement,the sys-tem measures the section parameter of the sea and transfers the parameter to the shore by the inductive coupling and the satellite communications. The system broke through the buoyancy regulation technique in large back-pressure underwater and the real-time communication technique at the sea,thus realized the real-time measurement of deep-sea power and environment.【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2014(000)001
【总页数】3页(P107-109)
【关键词】深海;剖面;实时测量;浮力调节
【作者】杜亮
【作者单位】中船重工第七一〇研究所，湖北宜昌 443003
【正文语种】中文
【中图分类】TN972-34
在海洋环境监测和资源调查中，经常需要对深海海洋动力环境进行实时测量，迫切需要研制一种既具有剖面观测功能又具有数据实时传输功能的深海垂直剖面实时监测系统，深海垂直剖面实时监测系统就是满足上述要求进行研制的一种测量系统。

深海垂直剖面实时监测系统主要由流线型主浮体、测量平台、通信浮标和锚泊回收系统等构成。

深海垂直升降平台通过感应耦合传输将获取的测量数据传输到主浮体上的通信浮标上，之后通信浮标定期将获取的数据通过卫星传输方式传送到岸站进行海洋环境监测和研究。

系统结构简单、动作可靠、功耗低，实现了无人值守条件下的全天候长期连续定点实时观测。

深海垂直剖面实时监测系统示意图如图1所示，该系统包括综合控制系统、浮力
调节装置、感应耦合传输装置、海洋观测设备、大容量存储器、卫星通信系统及岸站等。

浮力调节装置和海洋观测设备安装在测量平台上，浮力调节装置通过浮力的变化带动测量平台沿系留索上下运动，CTD、海流计等海洋观测设备在测量平台
运动的过程中测量盐度、温度、深度和海流等海洋参数，各种测量参数通过感应耦合传输到卫星通信系统，然后发送给岸站。

测量海洋主要通过测量海水的流速、流向、温度、盐度、深度等各种物理性质的时间和空间序列进行海洋环境研究，深海垂直剖面实时监测系统可根据不同的需要选取不同的测量设备，文中CTD选用
Fal⁃mouth Scientific Inc公司的专门为Argo浮标设计的CTD：Xr620 CTD，海流计选用Nobska公司的MAVS⁃3声学海流计。

浮力调节控制回路如图2所示，主要由电机、油泵、控制阀及管路组成。

控制阀
有5个，通过控制各个阀不同的开启和关闭状态，实现四种不同的功能：当F11、F12开启，F21、F22、F3关闭时，形成排油回路，开启油泵，实现排油功能；当
F21、F22开启，F11、F12、F3关闭时，形成吸油回路，通过油泵实现吸油功能；当F3开启，F11、F12、F21、F22关闭时，密闭腔室与油囊直接沟通，此时油泵停止工作，油在压力作用下可直接进入油箱；当F11、F22开启，F12、F21、F3
关闭时，油箱进出口连通，用于电机和油泵的卸载启动。

为了节省能源，吸油有两种方式，在外部水压不大的情况下（水面附近），通过油泵吸油，有一定水压的情况下（大于一定的水深），油泵不用工作，靠外部水压直接向密闭腔室注油。

控制电路主要由CPU、通信接口、A/D、D/A、I/O和驱动电路组成，CPU为电路控
制核心，根据控制指令自动实现浮力调节功能。

浮力调节根据控制指令和水深自动控制油泵和阀动作，实现吸排油功能，采用位移传感器进行体积实时监测，为闭环控制，浮力控制到位后自动停止工作。

通信接口用于接收控制指令以及水深等相关参数，并回送浮力调节的控制状态数据，A/D用于采样位移传感器信号，D/A用
于控制水泵电机动作，I/O和驱动电路用于控制。

海上监测设备数据通信传输是系统建设的关键，深海垂直升降平台通过感应耦合传输将获取的测量数据传输到主浮体上的通信浮标上，之后通信浮标将获取的数据通过卫星传输方式将传输出去。

感应耦合数据传输示意图如图3所示，感应耦合数
据传输的原理相当于两个变压器，水下每台仪器的数据信息通过载波加到一个水下圆形磁环的初级绕组上。

靠近水表面也有一圆形磁环，磁环上也有一绕组，绕组两端与水上数据终端相连。

带有塑料绝缘层的系泊钢缆穿过所有圆形磁环的内孔，钢缆的两端有很小一段为裸露的钢缆和海水一起构成一个单匝回路，数据发送终端通过串口与耦合信号发送模块连接，耦合信号发送模块的输出端与发送线圈信号连接，发送线圈对应接收线圈设置，在海水介质中以电磁耦合方式相连接，接收线圈与耦合信号接收模块的输入端信号连接，耦合信号接收模块通过串口与数据接收终端连接。

耦合信号发送模块由数据接口、调制电路、功放电路组成，数据接口与调制电路信号连接；调制电路与功放电路信号连接，功放电路与发送线圈信号连接。

耦合
信号接收模块包含放大电路、前段滤波电路、检波电路、后端滤波电路、数字信号还原电路以及数据接口，放大电路一端连接接收线圈，另一端与前端滤波电路一端信号连接，前段滤波电路另一端与检波电路一端信号连接，检波电路另一端与后端滤波电路一端信号连接，后端滤波电路与数字信号还原电路一端信号连接，数字信号还原电路另一端连接数据接口。

发送线圈和接收线圈均为采用漆包线绕制的具有一定匝数和半径的封闭空心线圈。

发送线圈用于经过功率放大后的调制信号的耦合输出，接收线圈用于调制信号的耦合接收。

系统软件流程如图4所示。

布放到达设定的水深后，系统上电工作，进入工作流程，综合控制系统控制浮力调节装置减小浮力，测量平台开始下降，在下降过程中，综合控制系统控制CTD、海流计等海洋设备测量海洋剖面参数并将数据记录到大容量FLASH中，同时将测量数据通过感应耦合装置传送到卫星通信系统，然后卫星通信系统根据设定的时序将测量数据传送到岸站，测量平台到达设定海水深度后，综合控制系统控制浮力调节装置增加浮力直到系统上浮。

在上浮过程中，控制系统控制海洋设备测量海洋剖面参数并将数据记录到大容量FLASH中，在上升过程中，综合控制系统控制CTD、海流计等海洋设备测量海洋剖面参数并将数据记录到大容量FLASH中，同时将测量数据通过感应耦合装置传送到卫星通信系统，然后卫星通信系统根据设定的时序将测量数据传送到岸站，如此往复循环直到测量结束，实现无人值守条件下全天候海洋环境监测。

深海垂直剖面实时监测系统实现了实时传输潜标和浮力调节升降平台的系统集成，突破了大背压条件下的浮力调节、感应耦合传输和卫星通信的结合等关键技术，为海洋立体监测提供一种高效、经济、安全、隐蔽的测量方法，该系统将大幅提升未来我国海洋及深远海动力环境监测和环境信息安全保障能力，为加速我国向更深更
远的海洋进军打下坚实基础，并将为我国海洋监测技术的发展起到积极的作用。

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