CN110207673A - 一种基于数字信号传输的消耗性海底底质特性探测及温度测量传感系统 - Google Patents

一种基于数字信号传输的消耗性海底底质特性探测及温度测量传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数字信号传输的消耗性海底底质特性探测及温度测量传感系统，主要包括自沉式电学探头等，自沉式电学探头通过探头发射单元发射，自沉式电学探头利用自重实现入水及水中下沉，下沉过程中自沉式电学探头采集加速度和温度信号并经过电光转化上传到甲板单元，甲板单元对原始数据进行实时处理、显示，并支持数据的存储以及回放。本发明采用加速度数据采集以及分析手段，通过高性能多轴加速度模块对探头自由下沉过程中的姿态参数进行监测；可实现发射及下沉过程中关键点的判断以及数据的连续采集，可得到探头的下沉速度以及不同时刻对应的下沉深度参数；可给出海底底质的沉积物类型定性判断；具有底质、温度以及深度多参数测量功能。

Description

一种基于数字信号传输的消耗性海底底质特性探测及温度测 量传感系统
技术领域
本发明涉及消耗性海洋测量系统仪器的领域，具体涉及一种基于数字信号传输的消耗性海底底质特性探测及温度测量传感系统。
背景技术
当前，对海洋温、盐、深等信息的快速获取及处理，更多地依赖相关海洋仪器设备，从操作使用的便利性、经济性以及费效比等方面来说，消耗性海洋仪器设备在其中扮演着重要的角色，如XBT系统、XCTD系统、XSV系统等，广泛应用于海洋温度、盐度及声速等参数的快速获取。消耗性海洋仪器相关产品和技术主要集中在美国，技术成熟，产品种类齐全，应用广泛；其他国家和地区也有同类产品，但多以专利授权的方式进行生产。国际上生产XBT系统(英文全称：Expendable Bathythermograph system)的主要有美国、日本、意大利等国的多家公司。有代表性的是美国的Lockheed Martin公司子公司Sippican的产品，广泛应用于海军反潜战、国际海洋科考等领域。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于数字信号传输的消耗性海底底质特性探测及温度测量传感系统。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种基于数字信号传输的消耗性海底底质特性探测及温度测量传感系统，主要包括自沉式电学探头、探头发射单元、甲板单元三个模块，自沉式电学探头通过探头发射单元发射，自沉式电学探头利用自重实现入水及水中下沉，下沉过程中自沉式电学探头采集加速度和温度信号并经过电光转化上传到甲板单元，甲板单元对原始数据进行实时处理、显示，并支持数据的存储以及回放；所述自沉式电学探头包括流线形探头导流罩、加速度传感模块、热敏电阻测温模块、供电模块、流线形探头导流头、内抽式快速释放漆包线圈A，流线形探头导流头内部通道中心安装热敏电阻测温模块，流线形探头导流头内部还安装加速度传感模块和供电模块，供电模块向加速度传感模块、热敏电阻测温模块同时供电，热敏电阻测温模块上方安装内抽式快速释放漆包线圈A，内抽式快速释放漆包线圈A外部套装流线形探头导流罩，流线形探头导流罩与流线形探头导流头构成流线形的纺锤结构。
所述探头发射单元主要包括内抽式快速释放漆包线圈B外壳、拉环式定位销、发射筒外壳、发射单元前端盖、探头序列号标签、定位销紧固螺母、内抽式快速释放漆包线圈B、内插拔式电学法兰、法兰固定平台，发射单元前端盖上方连接发射筒外壳，发射筒外壳内部安装自沉式电学探头，发射筒外壳外侧一边设有探头序列号标签，发射筒外壳上端设有相互配合的拉环式定位销和定位销紧固螺母以固定内部的自沉式电学探头，发射筒外壳顶部连接内抽式快速释放漆包线圈B外壳，内抽式快速释放漆包线圈B外壳内安装内抽式快速释放漆包线圈B，内抽式快速释放漆包线圈B外壳上方安装中心连接有内插拔式电学法兰的法兰固定平台。
所述甲板单元包括加速度和温度信号解析模块、导航及定位模块、信号综合处理模块、数据显示及控制模块，加速度和温度信号解析模块解调加速度传感模块和热敏电阻测温模块采集的信号并交由信号综合处理模块进行处理，得到相应的温度数据和加速度数据，通过相关算法对探头触底前的不同下沉阶段进行一次或二次时间积分，进而得到探头的不同时刻的速度和深度数据，结合温度的时空数据，给出海洋的温深剖面曲线，并通过数据显示及控制模块进行温度数据或温度剖面曲线显示。
所述加速度传感模块负责探头发射及下沉过程中关键点加速度信号采集，加速度传感模块同时采集热敏电阻测温模块的温度信号，加速度信号和温度信号进行电光信号转换后通过内抽式快速释放漆包线圈A将光信号上传。
所述加速度传感模块、热敏电阻测温模块根据测试需要复用集成电学盐度计、电学深度计等不同种类的传感器拓展探头功能，此时加速度和温度信号解析模块增加相应的解调模块。
所述流线形探头导流罩外部末端部分具有导流的尾翼，尾翼末端具有一定面积、一定大小和方向的弯角。
所述内抽式快速释放漆包线圈A和内抽式快速释放漆包线圈B均采用内抽式设计，在漆包线释放时释放掉绕制过程中累计的扭矩以防止漆包线扭结在一起，并且两者同时放纤以防止漆包线张力过大影响探头姿态或者扯断漆包线，内抽式快速释放漆包线圈A的长度由测试海深决定，内抽式快速释放漆包线圈B的长度由探头投放平台航速决定。
所述自沉式电学探头外形设计、内部结构设计以及探头重心分布设计对应着一定的恒定下沉速度。
所述探头发射单元具有手持式和固定式两种，甲板单元分为便携式和固定式两种，甲板单元的四个功能模块集成在一起。
所述加速度和温度信号数据通过数字信号进行传输。
系统自动采集探头序列号标签给出的探头参数信息以及导航及定位模块给出的经纬度信息，自动生成包含探头序列号、投放经纬度、投放时间以及加速度和温度等信息的时空数据文件。
本发明的有益效果为：本发明采用加速度数据采集以及分析手段，通过高性能多轴加速度模块对探头自由下沉过程中的包括探头不同下沉阶段的加速度、探头相对于竖直方向的倾角以及探头的自旋状态等姿态参数进行监测；加速度采集频率从几十Hz到几KHz不等，可依据探头的下沉速度以及算法需要进行优选；可实现发射过程及探头下沉过程中关键点、过渡点的判断以及加速度数据的连续采集，采用相关积分算法对加速度进行时空积分，可得到探头的下沉速度以及不同时刻对应的下沉深度参数，使得深度计算定量因素增强，测量更加精确；可根据探头触底撞击时采集的加速度数据，进行数据反演，并根据反演结果给出海底底质的沉积物类型定性判断；系统量程一般在1000米以下分布，构成不同深度的系列产品，和基于光信号传输的海底底质特性探测及温度测量传感系统构成量程高(1000米以上)、低搭配的消耗性产品系列；系统具有底质、温度以及深度多参数测量功能，尤其海洋底质探测功能，是抛弃式海洋仪器设备领域的的重要创新，在海洋考察领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的构成及工作流程示意图。
图2为本发明的自沉式电学探头结构示意图。
图3为本发明的探头发射单元结构示意图。
图4为本发明的甲板单元构成及工作流程示意图。
附图标记说明：自沉式电学探头1、流线形探头导流罩2、加速度传感模块3、热敏电阻测温模块4、供电模块5、流线形探头导流头6、内抽式快速释放漆包线圈A7、探头发射单元8、抽式快速释放漆包线圈B外壳9、拉环式定位销10、发射筒外壳11、发射单元前端盖12、探头序列号标签13、定位销紧固螺母14、内抽式快速释放漆包线圈B15、内插拔式电学法兰16、法兰固定平台17、甲板单元18、加速度和温度信号解析模块19、导航及定位模块20、信号综合处理模块21、数据显示及控制模块22、尾翼23。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
实施例：如附图所示，这种基于数字信号传输的消耗性海底底质特性探测及温度测量传感系统，主要包括自沉式电学探头1、探头发射单元8、甲板单元18三个模块，自沉式电学探头1通过探头发射单元8发射，自沉式电学探头1利用自重实现入水及水中下沉，下沉过程中自沉式电学探头1采集加速度和温度信号并经过电光转化上传到甲板单元18，甲板单元18对原始数据进行实时处理、显示，并支持数据的存储以及回放。
自沉式电学探头1包括流线形探头导流罩2、加速度传感模块3、热敏电阻测温模块4、供电模块5、流线形探头导流头6、内抽式快速释放漆包线圈A7，流线形探头导流头6内部通道中心安装热敏电阻测温模块4，热敏电阻测温模块4的温度响应时间决定了探头设计下沉速度，探头下沉速度又决定了自沉式电学探头1的长径比，其值为4.3时，一般对应约6m/s的下沉速度，流线形探头导流头6内部还安装加速度传感模块3和供电模块5，供电模块5向加速度传感模块3、热敏电阻测温模块4同时供电，热敏电阻测温模块4上方安装内抽式快速释放漆包线圈A7，内抽式快速释放漆包线圈A7外部套装流线形探头导流罩2，流线形探头导流罩2与流线形探头导流头6构成流线形的纺锤结构。加速度传感模块3负责探头发射及下沉过程中关键点加速度信号采集，主要包括自沉式电学探头1从探头发射单元8发射瞬间、入水瞬间、入水减速过程、入水后探头重新加速下沉过程、匀速下沉过程以及触底时瞬间等关键点的加速度信号采集；加速度传感模块3同时采集热敏电阻测温模块4的温度信号，加速度信号和温度信号进行电光信号转换后通过内抽式快速释放漆包线圈A7将光信号上传。加速度传感模块3、热敏电阻测温模块4根据测试需要复用集成电学盐度计、电学深度计等不同种类的传感器拓展探头功能，此时加速度和温度信号解析模块19增加相应的解调模块。流线形探头导流罩2外部末端部分具有导流的尾翼23，尾翼23末端具有一定面积、一定大小和方向的弯角，弯角面积和大小决定了探头的自旋速度，以维持探头姿态稳定，弯角方向决定了探头的自旋方向，或为顺时针，或为逆时针。
探头发射单元8主要包括内抽式快速释放漆包线圈B外壳9、拉环式定位销10、发射筒外壳11、发射单元前端盖12、探头序列号标签13、定位销紧固螺母14、内抽式快速释放漆包线圈B15、内插拔式电学法兰16、法兰固定平台17，发射单元前端盖12上方连接发射筒外壳11，发射筒外壳11内部安装自沉式电学探头1，发射筒外壳11外侧一边设有探头序列号标签13，发射筒外壳11上端设有相互配合的拉环式定位销10和定位销紧固螺母14以固定内部的自沉式电学探头1，发射筒外壳11顶部连接内抽式快速释放漆包线圈B外壳9，内抽式快速释放漆包线圈B外壳9内安装内抽式快速释放漆包线圈B15，内抽式快速释放漆包线圈B外壳9上方安装中心连接有内插拔式电学法兰16的法兰固定平台17。
甲板单元18包括加速度和温度信号解析模块19、导航及定位模块20、信号综合处理模块21、数据显示及控制模块22，加速度和温度信号解析模块19解调加速度传感模块3和热敏电阻测温模块4采集的信号并交由信号综合处理模块21进行处理，得到相应的温度数据和加速度数据，通过相关算法对探头触底前的不同下沉阶段进行一次或二次时间积分，进而得到探头的不同时刻的速度和深度数据，结合温度的时空数据，给出海洋的温深剖面曲线，并通过数据显示及控制模块22进行温度数据或温度剖面曲线显示。
内抽式快速释放漆包线圈A7和内抽式快速释放漆包线圈B15均采用内抽式设计，在漆包线释放时释放掉绕制过程中累计的扭矩以防止漆包线扭结在一起，并且两者同时放纤以防止漆包线张力过大影响探头姿态或者扯断漆包线，内抽式快速释放漆包线圈A7的长度由测试海深决定，内抽式快速释放漆包线圈B15的长度由探头投放平台航速决定。
自沉式电学探头1外形设计、内部结构设计以及探头重心分布设计对应着一定的恒定下沉速度，该恒定下沉速度条件下，信号综合处理模块21对不同海底底质模拟材料撞击时的加速度大小及振动频谱特征进行预先采集和建模，通过对探头撞击海底时采集的加速度数据进行计算和解析、模型对比，可以对海底的底质类别做出甄别。
探头发射单元8具有手持式和固定式两种，考虑到操作的便利性，多以手持式为主，可单手持握；甲板单元8分为便携式和固定式两种，根据应用对象、操作便利性以及使用目的、水面平台特点，选用最佳配置。甲板单元18的四个功能模块考虑到携带的便利性集成在一起，整体采用采用集约化、便携式方案设计。
系统的加速度和温度信号数据通过数字信号进行传输。系统自动采集探头序列号标签13给出的探头参数信息以及导航及定位模块20给出的经纬度信息，自动生成包含探头序列号、投放经纬度、投放时间以及加速度和温度等信息的时空数据文件。
本发明具体实施方式：
自沉式电学探头1在发射单元8的发射筒外壳11内固定，两者构成一个整体。每一枚自沉式电学探头1具有唯一的探头序列号标签13，用于探头传感器参数的识别和读取。序列号一般由6-8位数字组成，包括探头生产日期、传感器类别等信息，序列号标签13位于发射单元8的发射筒外壳11外部。
系统通过自沉式电学探头1内部的加速度传感模块3同时采集加速度和温度信息，通过内抽式快速释放漆包线圈A7和内抽式快速释放漆包线圈B15传送到加速度和温度信号解析模块19进行解析，经过解析之后发送到信号综合处理模块21，经过处理后发送到数据显示及控制模块22。在发射开始前，探头序列号信息、导航及定位模块20采集的相关地理坐标信息一次性发送到信号综合处理模块21，确保系统采集信息的完整性，并进入数据记录状态。
打开发射单元前端盖12以及解除定位销紧固螺母14和拉环式定位销10之后，自沉式电学探头1将利用自重脱离探头发射单元8，脱离的同时，带动内抽式快速释放漆包线圈A7和内抽式快速释放漆包线圈B15双双同步放线。随后，自沉式电学探头1将完成空气中下沉→入水减速→加速下沉→匀速下沉→触底这一完整的发射过程，直至自沉式电学探头1和探头发射单元8之间的漆包线圈断开，完成一次发射过程。发射过程当中，加速度以及温度信息通过内抽式快速释放漆包线圈圈A7和内抽式快速释放漆包线圈圈B15实时传送到加速度和温度解析模块19，完成加速度和温度信号解析。解析后的信号经过信号综合处理模块21处理后得到加速度、温度数据。对触底前的加速度数据，由信号综合处理模块21完成一次或二次相关积分算法，并给出速度和深度数据；对触底后的加速度数据，由信号综合处理模块21根据数据库模型比对结果，给出海底底质的种类判断结果；对温度数据，根据用户实际需求，给出温度-深度曲线，结合温度的时空数据，给出海洋的温深剖面曲线，或者根据声速公式，计算得到声速，给出声速-深度曲线。所有由信号综合处理模块21实时采集的原始数据以及处理之后的数据，均实时存储在信号综合处理模块21内部，处理之后的数据，发送到数据显示及控制模块22。
发射完成之后，需要再次测试时，要整体更换自沉式电学探头1和探头发射单元8，重新连通系统链路，输入新更换探头序列号信息，采集导航及定位模块20发送的地理坐标信息，再次进入数据记录状态，完成再次发射准备。
本发明工作状态：
本发明有几种可能的入水状态，其一是从水面开始加速下沉，初始水阻力为零，探头自重大于浮力，初始速度为零，加速度最大，当探头阻力和浮力之和与其重力相同时，加速度为零，探头达到匀速；其二是探头从一定高度投放入水，入水速度小于探头均匀下沉速度，探头阻力和浮力之和小于其重力，入水后将继续加速，当探头阻力和浮力之和与其重力达到平衡时，加速度为零，此时探头开始匀速下沉；其三是探头从一定高度投放入水，入水速度大于探头均匀下沉速度，探头阻力和浮力之和大于其重力，入水后探头首先将减速下沉，当探头阻力和浮力之和与其其重力达到平衡时，探头加速度为零，开始匀速下沉。对于探头的不同入水状态或者姿态，系统根据相关算法以及采集的加速度数据，作出基本判断。根据大量的XBT海试数据，探头一般在下沉数十米之后，其探头阻力和浮力之和与其重力达到平衡，此后探头开始匀速下沉。在达到海底时，根据海底底质的不同，对岩石、砂石、沙石、泥沙、沙泥、淤泥等不同材料，探头和其撞击时的加速度频谱不同。事先模拟海底底质材料模型进行撞击试验时的加速度频谱采集，并将两者进行比对，即可实现对海底底质特性的探测和判断。探头的速度满足下述第一个积分公式，探头任意时刻在水中的深度满足下述第二个公式：
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于数字信号传输的消耗性海底底质特性探测及温度测量传感系统，其特征在于：主要包括自沉式电学探头(1)、探头发射单元(8)、甲板单元(18)三个模块，自沉式电学探头(1)通过探头发射单元(8)发射，自沉式电学探头(1)利用自重实现入水及水中下沉，下沉过程中自沉式电学探头(1)采集加速度和温度信号并经过电光转化上传到甲板单元(18)，甲板单元(18)对原始数据进行实时处理、显示，并支持数据的存储以及回放；所述自沉式电学探头(1)包括流线形探头导流罩(2)、加速度传感模块(3)、热敏电阻测温模块(4)、供电模块(5)、流线形探头导流头(6)、内抽式快速释放漆包线圈A(7)，流线形探头导流头(6)内部通道中心安装热敏电阻测温模块(4)，流线形探头导流头(6)内部还安装加速度传感模块(3)和供电模块(5)，供电模块(5)向加速度传感模块(3)、热敏电阻测温模块(4)同时供电，热敏电阻测温模块(4)上方安装内抽式快速释放漆包线圈A(7)，内抽式快速释放漆包线圈A(7)外部套装流线形探头导流罩(2)，流线形探头导流罩(2)与流线形探头导流头(6)构成流线形的纺锤结构。
2.根据权利要求1所述的基于数字信号传输的消耗性海底底质特性探测及温度测量传感系统，其特征在于：所述探头发射单元(8)主要包括内抽式快速释放漆包线圈B外壳(9)、拉环式定位销(10)、发射筒外壳(11)、发射单元前端盖(12)、探头序列号标签(13)、定位销紧固螺母(14)、内抽式快速释放漆包线圈B(15)、内插拔式电学法兰(16)、法兰固定平台(17)，发射单元前端盖(12)上方连接发射筒外壳(11)，发射筒外壳(11)内部安装自沉式电学探头(1)，发射筒外壳(11)外侧一边设有探头序列号标签(13)，发射筒外壳(11)上端设有相互配合的拉环式定位销(10)和定位销紧固螺母(14)以固定内部的自沉式电学探头(1)，发射筒外壳(11)顶部连接内抽式快速释放漆包线圈B外壳(9)，内抽式快速释放漆包线圈B外壳(9)内安装内抽式快速释放漆包线圈B(15)，内抽式快速释放漆包线圈B外壳(9)上方安装中心连接有内插拔式电学法兰(16)的法兰固定平台(17)。
3.根据权利要求1所述的基于数字信号传输的消耗性海底底质特性探测及温度测量传感系统，其特征在于：所述甲板单元(18)包括加速度和温度信号解析模块(19)、导航及定位模块(20)、信号综合处理模块(21)、数据显示及控制模块(22)，加速度和温度信号解析模块(19)解调加速度传感模块(3)和热敏电阻测温模块(4)采集的信号并交由信号综合处理模块(21)进行处理，得到相应的温度数据和加速度数据，通过相关算法对探头触底前的不同下沉阶段进行一次或二次时间积分，进而得到探头的不同时刻的速度和深度数据，结合温度的时空数据，给出海洋的温深剖面曲线，并通过数据显示及控制模块(22)进行温度数据或温度剖面曲线显示。
4.根据权利要求1所述的基于数字信号传输的消耗性海底底质特性探测及温度测量传感系统，其特征在于：所述加速度传感模块(3)负责探头发射及下沉过程中关键点加速度信号采集，加速度传感模块(3)同时采集热敏电阻测温模块(4)的温度信号，加速度信号和温度信号进行电光信号转换后通过内抽式快速释放漆包线圈A(7)将光信号上传。
5.根据权利要求1所述的基于数字信号传输的消耗性海底底质特性探测及温度测量传感系统，其特征在于：所述加速度传感模块(3)、热敏电阻测温模块(4)根据测试需要复用集成电学盐度计、电学深度计等不同种类的传感器拓展探头功能，此时加速度和温度信号解析模块(19)增加相应的解调模块。
6.根据权利要求1所述的基于数字信号传输的消耗性海底底质特性探测及温度测量传感系统，其特征在于：所述流线形探头导流罩(2)外部末端部分具有导流的尾翼(23)，尾翼(23)末端具有一定面积、一定大小和方向的弯角。
7.根据权利要求1所述的基于数字信号传输的消耗性海底底质特性探测及温度测量传感系统，其特征在于：所述内抽式快速释放漆包线圈A(7)和内抽式快速释放漆包线圈B(15)均采用内抽式设计，在漆包线释放时释放掉绕制过程中累计的扭矩以防止漆包线扭结在一起，并且两者同时放纤以防止漆包线张力过大影响探头姿态或者扯断漆包线，内抽式快速释放漆包线圈A(7)的长度由测试海深决定，内抽式快速释放漆包线圈B(15)的长度由探头投放平台航速决定。
8.根据权利要求1所述的基于数字信号传输的消耗性海底底质特性探测及温度测量传感系统，其特征在于：所述探头发射单元(8)具有手持式和固定式两种，甲板单元(8)分为便携式和固定式两种，甲板单元(18)的四个功能模块集成在一起。
9.根据权利要求1所述的基于数字信号传输的消耗性海底底质特性探测及温度测量传感系统，其特征在于：系统自动采集探头序列号标签(13)给出的探头参数信息以及导航及定位模块(20)给出的经纬度信息，自动生成包含探头序列号、投放经纬度、投放时间以及加速度和温度等信息的时空数据文件。
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