CN106768043B - 海洋多参数剖面测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海洋多参数剖面测量仪，包括测量仪本体和上位机，测量仪本体通过有线线缆或无线通信与上位机相连；测量仪本体内设置有处理器电路板、温度传感器、电导率传感器、压力传感器、速度传感器、声速测量模块、收发一体换能器和发射板，所述温度传感器、电导率传感器、压力传感器、速度传感器和声速测量模块均与处理器电路板相连，所述收发一体换能器用于发射声波至反射板，反射板将声波反射回收发一体换能器接收，且收发一体换能器与声速测量模块相连；所述测量仪本体设置有外部接线口和释放机构。本发明应用方式灵活、安装使用方式多变、数据处理方式多样，提高了测量数据的准确性。
Description
技术领域
本发明属于海洋测量技术领域，尤其涉及一种海洋多参数剖面测量仪。
背景技术
海洋环境参数测量是获取海洋各种环境参数的时空分布和变化规律，为海洋科学研究、海洋资源开发、海洋工程等提供海洋环境基础数据。海水的温度、盐度(电导率)、深度、声速是最基本的海洋水文参数。监测海中不同深度(D)的海水温度(T)、盐度(电导率C)和声速的状况，具有广泛的科研和应用价值。其中，海水温度和盐度的深度变化资料在减灾预报上可以作为海洋环境数值预报和灾害性海况遥测的基本数据资料，在军事上可以用于声纳作用距离预报和舰艇航海保障的海洋环境基本实测数据，在海水养殖中可以用于预报海水环境变化规律和控制生物最佳养殖环境等。各种具体的海洋参数测量系统是实施各种海洋参数精确测量的前提。
传统的声速剖面仪只能单独测量声速剖面，温盐深剖面仪只能单独测量海洋温盐深剖面，而且这两种测量仪器高度依赖于传感器的精度，一旦超出传感器的使用范围(比如当前多数温盐深剖面仪的温度传感器测量范围在-5℃～35℃)，数据准确度会迅速下降，而且使用方式上基本只有固定回收和绑定设备两种使用方式。
申请号为201410030440.1的专利申请公开了一种光纤温深潜标连续测量系统，该系统包括通讯浮标、主浮球、仪器舱、解调系统、温深链、缆绳、声学释放器和锚定重物，其中通讯浮标包括太阳能电池、北斗通讯板卡和卫星组合天线；解调系统包括解调模块和锂电池，解调系统置于仪器舱内；温深链集成有测量温度以及压力的温度传感器和压力传感器；通讯浮标、主浮球、仪器舱、温深链、释放器以及锚定重物通过缆绳依次连接。该系统仅能实现海面至水下500m温深垂直剖面的数据测量，且数据测量的准确性高度依赖于温度传感器和压力传感器的精度，一旦超出各自的使用方法，其测量结果将失去准确性。
申请号为201510244120.0的专利申请公开了一种海洋动力环境多尺度同步观测潜标，包括竖向布置的缆绳，在缆绳的上部设置有第一温盐链、第二温盐链、微尺度定点湍流仪与主浮体，所述第一温盐链与第二温盐链均包括温度仪、温深仪和温盐深仪，主浮体位于第一温盐链和第二温盐链之间，主浮体上安装有声学多普勒流速剖面仪，在缆绳的中部设置有往复式微尺度湍流剖面仪，所述往复式微尺度湍流剖面仪上安装有温盐深仪、海流计以及用于观测湍流的剪切探头与快速温度探头，在缆绳的下部设置有深海海流与温盐测量单元，所述深海海流与温盐测量单元包括温盐深仪和海流计。该海洋动力环境多尺度同步观测潜标随能实现温度、盐度和流速的测量，但是其缺乏终端处理设备，对于不同海域、不同海况的参数测量，存在一定的局限性，当某一测量仪器失效时，无法通过其余的测量参数及时得到该失效仪器所应测得的数据，灵活性较差。
由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。
发明内容
本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种应用方式灵活且包含多种安装使用方式和数据处理方式的海洋多参数剖面测量仪。
本发明所采用的技术方案为：
海洋多参数剖面测量仪，包括测量仪本体和上位机，测量仪本体通过有线线缆或无线通信与上位机相连；测量仪本体内设置有处理器电路板、温度传感器、电导率传感器、压力传感器、速度传感器、声速测量模块、收发一体换能器和发射板，所述温度传感器、电导率传感器、压力传感器、速度传感器和声速测量模块均与处理器电路板相连，所述收发一体换能器用于发射声波至反射板，反射板将声波反射回收发一体换能器接收，且收发一体换能器与声速测量模块相连；所述测量仪本体设置有外部接线口和释放机构；所述上位机内设置有用于对温度传感器检测到的温度、电导率传感器检测到的盐度、压力传感器检测到的深度以及声速测量模块测得的声速进行收集、处理、分析的数据处理模块。
所述海洋多参数剖面测量仪为回收式海洋多参数剖面测量仪，该回收式海洋多参数剖面测量仪包括船舶及设置在船舶上的排缆装置，所述释放机构通过缆绳与排缆装置相连。
所述海洋多参数剖面测量仪为浮标式海洋多参数剖面测量仪，该浮标式海洋多参数剖面测量仪包括多功能浮标，所述释放机构通过通信线缆与多功能浮标相连。
所述多功能浮标外覆太阳能电池板，所述多功能浮标通过通信装置与上位机进行通信，所述通信装置包括无线电或卫星通信。
所述海洋多参数剖面测量仪为抛弃式海洋多参数剖面测量仪，该抛弃式海洋多参数剖面测量仪包括浮体，所述浮体内设置有存储模块，浮体与释放机构相连。
所述释放机构包括依次相连的释放器、电机及水声换能器，电机控制释放器动作。
所述测量仪本体内还设置有电池模块，所述处理器电路板与电池模块相连，所述压力传感器为带温度补偿的数字石英压力传感器。
所述温度传感器和电导率传感器通过导管相连，导管上设置有水泵。
所述测量仪本体内还设置有蓝牙模块，蓝牙模块与所述处理器电路板相连，测量仪本体通过蓝牙模块传输完成和上位机的命令或者数据的传输。
所述数据处理模块内存储有不同的声速计算函数和经验函数库。
由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：
1、本发明避免了传统剖面测量仪功能单一和高度依赖传感器精度的缺陷，可同时测量声速剖面和温盐深剖面。本发明中声速剖面的测量采用“时间飞跃”技术，提升了声速测量精度，温盐深剖面采用电导率传感器、温度传感器和带温度补偿的数字石英压力传感器来分别测量温度、盐度(电导率)和深度(静压力)剖面，使用过程中，即使出现某一传感器因各种原因失效，也可以由其他量推出失效量，保证了测量的稳定性和精确性。
2、本发明的安装使用方式灵活便捷，测量仪本体可以结合不同的外接设备采用回收式、浮标式或抛弃式等不同方式使用，从而能够满足不同使用者的各种使用要求，提高了适应性。
3、本发明的数据通信方式灵活，既可以通过有线线缆连接上位机与测量仪本体或抛弃式浮体，也可以通过蓝牙模块传输数据或者命令，以满足不同的需求。
4、本发明在数据分析上采用多种方式分析处理数据，在努力提高测量数据准确性的同时，还利用互推验证和不同权重计算的方法，提高了数据精确度，且本发明中的上位机功能强大，人机交互度高，可满足不同使用者的不同数据处理要求和分析要求，对海洋科学研究和实际应用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明中测量仪本体的结构示意图。
图2为本发明中回收式海洋多参数剖面测量仪的结构示意图。
图3为本发明中浮标式海洋多参数剖面测量仪的结构示意图。
图4为本发明中抛弃式海洋多参数剖面测量仪的结构示意图。
其中，
1、外部接线口 2、释放机构 3、温度传感器 4、电导率传感器 5、压力传感器 6、蓝牙模块 7、速度传感器 8、收发一体换能器 9、声速测量模块 10、处理器电路板 11、电池模块 12、排缆装置 13、多功能浮标 14、太阳能电池板 15、浮体 16、反射板 17、缆绳 18、定滑轮 19、轮盘 20、固定支架 21、通信装置 22、通信线缆 23、定位重物 24、存储模块 25、电机 26、水声换能器 27、水泵 28、导管
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，海洋多参数剖面测量仪，包括测量仪本体和上位机，测量仪本体通过有线线缆或无线通信与上位机相连。所述测量仪本体外侧设置有外部接线口1和释放机构2。测量仪本体内设置有处理器电路板10、温度传感器3、电导率传感器4、压力传感器5、速度传感器7、声速测量模块9、收发一体换能器8和反射板16，所述温度传感器3、电导率传感器4、压力传感器5、速度传感器7和声速测量模块9均与处理器电路板10相连。所述收发一体换能器8用于发射声波至反射板16，反射板16将声波反射回收发一体换能器8接收，且收发一体换能器8与声速测量模块9相连。所述测量仪本体内还设置有电池模块11，所述处理器电路板10与电池模块11相连。所述压力传感器5为带温度补偿的数字石英压力传感器。所述测量仪本体内还设置有蓝牙模块6，蓝牙模块6与所述处理器电路板10相连，测量仪本体可以通过蓝牙模块6传输完成和上位机的命令或者数据的传输。
所述海洋多参数剖面测量仪采用时间飞跃技术测量声速剖面，该时间飞跃技术的原理是：已知收发一体换能器8和反射板16之间的距离L，发射声波到反射板16，反射板16反射声波到收发一体换能器8，从发射到接收的时间为t,则声速为C＝2L/t。
所述海洋多参数剖面测量仪使用温度传感器3测量温度剖面，使用电导率传感器4测量盐度剖面，使用带温度补偿的数字石英压力传感器测量深度(静压力)剖面，其中所述温度传感器3和电导率传感器4通过导管28相连，导管28上设置有水泵27，通过水泵27强迫测量海域内的海水以恒定的速度通过温度传感器3的感温元件进入电导率传感器4的电导率池，这样的设计极大地减小了测量仪本体的升沉对测量的影响，使得经过温度传感器3和电导率传感器4的水流速度是恒定的，通过温度传感器3和电导率传感器4之间的时间和空间关系，可以保证能够得到同一水团的温度和电导率值。
所述上位机内设置有用于对温度传感器3检测到的温度、电导率传感器4检测到的盐度、压力传感器5检测到的深度以及声速测量模块9测得的声速进行收集、处理、分析的数据处理模块。所述数据处理模块内存储有不同的声速计算函数和经验函数库。
实施例一：
如图1和图2所示，所述海洋多参数剖面测量仪为回收式海洋多参数剖面测量仪，为描绘方便，图2中的测量仪本体仅用轮廓表示。该回收式海洋多参数剖面测量仪除包括上述测量仪本体和上位机以外，还包括船舶及设置在船舶上的排缆装置12。所述测量仪本体可以在静止或运动的船舶上通过绑定释放机构2在测量海域进行布放回收使用。所述释放机构2通过缆绳与排缆装置12相连。所述排缆装置12包括如图2所示的缆绳17、定滑轮18、轮盘19及用于将轮盘19固定在船舶上的固定支架20，释放机构2与缆绳17相连，缆绳17依次经多个定滑轮18的改向绕至轮盘19，通过轮盘19进行缆绳17的收放。
实施例二：
如图1和图3所示，所述海洋多参数剖面测量仪为浮标式海洋多参数剖面测量仪，为描绘方便，图3中的测量仪本体仅用轮廓表示。该浮标式海洋多参数剖面测量仪除包括上述测量仪本体和上位机以外，还包括多功能浮标13和定位重物23，定位重物23设置在发射板16的下方且与反射板16相连。所述多功能浮标13外覆太阳能电池板14。当所述多功能浮标13通过通信装置21与上位机进行通信：当多功能浮标13与上位机之间为中短距离时，两者通过无线电通讯；当所述多功能浮标13与上位机之间为远距离时，两者通过卫星通讯。所述释放机构2通过通信线缆22与多功能浮标13相连。通过多功能浮标13长时间监测测量海域的多参数变化情况，测得的数据通过多功能浮标13上的无线电或卫星通信设备将数据传至上位机作进一步的处理。
实施例三：
如图1和图4所示，所述海洋多参数剖面测量仪为抛弃式海洋多参数剖面测量仪，为描绘方便，图4中的测量仪本体仅用轮廓表示。该抛弃式海洋多参数剖面测量仪除包括上述测量仪本体和上位机以外，还包括浮体15，所述浮体15内设置有存储模块24，浮体15与释放机构2相连。所述释放机构2包括依次相连的释放器、电机25及水声换能器26，电机25控制释放器动作，电机25及水声换能器26均与电池模块11相连。当然释放机构2并不局限于上述的释放器、电机25及水声换能器26的组合方式，还可以是现在常用的声学释放器。
在复杂海况无法完成布放回收作业时可采用所述的抛弃式海洋多参数剖面测量仪。当测量仪本体连同浮体15放入海中以后，在测量仪本体的重力作用下开始下沉，所述温度传感器3、电导率传感器4、压力传感器5、声速测量模块9和收发一体换能器8工作的同时，速度传感器7开始记录下沉速度，并将数据传输到浮体15内的存储模块24中。当速度传感器7感应到测量仪本体的下沉速度为零时，测量仪本体接触到海底，得到完整的剖面数据。控制释放机构2释放浮体15，浮体15上浮以后对浮体15进行打捞，获取数据，通过获取的数据结合下沉的速度得出精确的多参数剖面。
本发明的使用方式灵活多变，完全满足海洋科研或者应用的各种需求。上位机可以采用多种方式采集测量数据，如结合船舶上的配套设备使用上述的布放回收式采集数据，在海况条件不好的情况下加载浮体15使用上述的抛弃式作业，也可以和海洋多功能浮标13结合长期固定的采集固定还深的海洋参数。
本发明中的测量仪本体自带蓝牙模块6，可以通过蓝牙模块6传输完成和上位机的命令或者数据的传输，无需使用传统电缆进行连接，主要应用在上述回收式海洋多参数剖面测量仪上。本发明中的测量仪本体还可以通过有线电缆连接进行数据传输，主要应用在多功能浮标式海洋多参数剖面测量仪上，与多功能浮标13通信使用，或者应用在抛弃式海洋多参数剖面测量仪上，将测量数据传输到存储模块中。
本发明通过测量声速和温盐深四个参数来保证测量数据的完整性，当测量探头8、温度传感器3、电导率传感器4和压力传感器5中的任何一个出现故障时，都可以通过另外三个测量数据进行反推以得到失效传感器所应测得的参数，目前存在较多的应用于不同海洋环境的声速计算公式，声速均可由不同的温、盐、深函数推出，因此，当声速、温度、盐度、深度中的任意一个数值出现问题时，均可通过声速计算公式推算出该失效数据。常用的声速计算公式如由威尔逊海水声速公式编制成的声速计算表和H.W.弗赖伊的声速经验公式等。如：
c＝1448.96+△cT+△cS+△cD
其中：
△cT＝4.591T-5.304×10-2+2.374×10-4T3
△cS＝1.340-1.025×10-2T(S-35)
△cD＝1.630×10-2D+1.675×10-7D2-7.139×10-13TD3
即：
c＝1448.96+4.591T-5.304×10-2+2.374×10-4T3+
1.340-1.025×10-2T(S-35)+1.630×10-2D+1.675×10-7D2
-7.139×10-13TD3
其中c为海洋水声声速，T为温度，S为盐度，D为深度，T、S、D分别为温度传感器3、电导率传感器4、压力传感器5的测量值，因为海洋情况瞬息万变，所以在这里使用者可以根据具体情况灵活使用计算公式，测量仪本体测得的声速数据、温度、盐度、深度的值可以导入上位机中根据不同的公式进行计算，也可以通过上位机将公式传入测量仪本体在测量仪本体上进行简单计算，复杂的数据计算或者图形化处理可显示在上位机上实现。除此以外，在得到测量数据和计算数据的同时，还可以得到不同权重下的数据，各数据也可以导入上位机结合上位机涉及的程序进行数据分析运算和处理。
需要说明的是，声速计算函数有很多，基本都是温盐深和声速的函数表达式，把这些公式放到上位机的经验函数库里或者通过上位机导入测量仪本体中，测量时用到的时候直接选择合适的公式，把测量得到的数据放进去计算即可。除了测量仪本体得到的测量数据、计算数据和权值数据以外，也可以将数据导入上位机中进行数据分析处理，得到更清晰的图像剖面和分析结构。另外，使用者也可以根据实际测量海域的不同海况，如风速、海面温度和浪高等外部参数来自编辑自定义函数，计算符合使用要求的声速和温盐深剖面。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (9)
1.海洋多参数剖面测量仪，其特征在于，包括测量仪本体和上位机，测量仪本体通过有线线缆或无线通信与上位机相连；测量仪本体内设置有处理器电路板、温度传感器、电导率传感器、压力传感器、速度传感器、声速测量模块、收发一体换能器和发射板，所述温度传感器、电导率传感器、压力传感器、速度传感器和声速测量模块均与处理器电路板相连，所述收发一体换能器用于发射声波至反射板，反射板将声波反射回收发一体换能器接收，且收发一体换能器与声速测量模块相连；所述测量仪本体设置有外部接线口和释放机构；所述上位机内设置有用于对温度传感器检测到的温度、电导率传感器检测到的盐度、压力传感器检测到的深度以及声速测量模块测得的声速进行收集、处理、分析的数据处理模块；所述数据处理模块内存储有不同的声速计算函数和经验函数库，当声速测量模块、温度传感器、电导率传感器和压力传感器中的任何一个出现故障时，都能通过另外三个测量数据进行反推以得到失效传感器所应测得的参数。
2.根据权利要求1所述的海洋多参数剖面测量仪，其特征在于，所述海洋多参数剖面测量仪为回收式海洋多参数剖面测量仪，该回收式海洋多参数剖面测量仪包括船舶及设置在船舶上的排缆装置，所述释放机构通过缆绳与排缆装置相连。
3.根据权利要求1所述的海洋多参数剖面测量仪，其特征在于，所述海洋多参数剖面测量仪为浮标式海洋多参数剖面测量仪，该浮标式海洋多参数剖面测量仪包括多功能浮标，所述释放机构通过通信线缆与多功能浮标相连。
4.根据权利要求3所述的海洋多参数剖面测量仪，其特征在于，所述多功能浮标外覆太阳能电池板，所述多功能浮标通过通信装置与上位机进行通信，所述通信装置为无线电通信。
5.根据权利要求1所述的海洋多参数剖面测量仪，其特征在于，所述海洋多参数剖面测量仪为抛弃式海洋多参数剖面测量仪，该抛弃式海洋多参数剖面测量仪包括浮体，所述浮体内设置有存储模块，浮体与释放机构相连。
6.根据权利要求5所述的海洋多参数剖面测量仪，其特征在于，所述释放机构包括依次相连的释放器、电机及水声换能器，电机控制释放器动作。
7.根据权利要求1至6任一项权利要求所述的海洋多参数剖面测量仪，其特征在于，所述测量仪本体内还设置有电池模块，所述处理器电路板与电池模块相连，所述压力传感器为带温度补偿的数字石英压力传感器。
8.根据权利要求1至6任一项权利要求所述的海洋多参数剖面测量仪，其特征在于，所述温度传感器和电导率传感器通过导管相连，导管上设置有水泵。
9.根据权利要求1至6任一项权利要求所述的海洋多参数剖面测量仪，其特征在于，所述测量仪本体内还设置有蓝牙模块，蓝牙模块与所述处理器电路板相连，测量仪本体通过蓝牙模块传输完成和上位机的命令或者数据的传输。
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