CN112697310B - 一种走航式船用强磁表贴式表层海水温度测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种走航式船用强磁表贴式表层海水温度测量装置，包括温度链模块和主机，温度链模块包括多个连接护套和安装护套，连接护套和安装护套一一间隔设置，在每个安装护套上均设有一个温度传感器与主机对接，所述连接护套和安装护套上均开设有强磁铁安装孔，连接护套和安装护套通过强磁铁安装孔内结构进行安装固定，所述强磁铁安装孔包括护套内部强磁安装孔位，在护套内部强磁安装孔位内设有强磁铁；本发明适用于安装在钢铁船舶船舷，进行走航式实时测量海水表层温度数据，通过处于海水表面的传感器的动态响应来预测表层水温，实现接触式自动观测，适合走航式自动观测，接触式测量，不易受外界干扰，测量精度较高。
Description
技术领域
本发明涉及海洋环境监测行业，具体是一种走航式船用强磁表贴式表层海水温度测量装置及测量方法。
背景技术
在海滨观测规范中，海水表层温度值是海洋环境监测中的重要参数，表层海水温度值的测量具有重要的意义。
现有的常规的测量方式基本上都属于定点测量，
1、海洋台站
海洋台站主要依靠建设的海洋岸站，施工量大，耗费资金量大，而且很多地点不适合建设海洋台站。
2、海洋浮标，
浮标通过锚系固定在海洋中某点，在浮标上通过挂载温度传感器来获取浮标的漂浮范围内的表层温度数据，
3、科考人员为了测量大洋中某海域的温度数据，通常随科考船停靠大洋中某点，通过布放CTD来获取某点的实时温度数据，工作量大，操作不便，受自然环境影响较大。
走航式温度测量可以在大范围内实时获取海洋表层温度数据，但至今还没有成熟的方案来实现。
志愿船是走航式测量的重要载体，现阶段志愿船上安装的水文气象观测设备，主要用于观测船舶航行中的气象参数，而对于水文参数中的海水表层温度测量还没有成熟的方案实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种走航式船用强磁表贴式表层海水温度测量装置及测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种走航式船用强磁表贴式表层海水温度测量装置，包括温度链模块和主机，温度链模块包括多个连接护套和安装护套，连接护套和安装护套一一间隔设置，在每个安装护套上均设有一个温度传感器与主机对接，所述连接护套和安装护套上均开设有强磁铁安装孔，连接护套和安装护套通过强磁铁安装孔内结构进行安装固定，所述强磁铁安装孔包括护套内部强磁安装孔位，在护套内部强磁安装孔位内设有强磁铁，在强磁铁上插装有与护套内部强磁安装孔位同轴设置的紧定螺钉，在护套内部强磁安装孔位的孔口处设有套装在紧定螺钉上的紧定螺母。
所述连接护套和安装护套上均开设有排水孔；所述安装护套上设有传感器固定卡环固定卡关套装在温度传感器外部，且传感器固定卡环通过螺钉与安装护套固定连接；所述温度传感器通过钢丝缆与主机对接，且每个温度传感器具有独立的与钢丝缆相连接的传感器缆，所述钢丝缆固定在传感器固定卡环内；所述主机包括依次连接的滤波模块、模数转换模块、数据处理模块和通信模块，温度链模块中的多个温度传感器组成测温模块并与滤波模块相连接。
一种走航式船用强磁表贴式表层海水温度测量装置的测量方法，包括设备安装步骤和计算步骤。
所述设备安装步骤包括将温度链模块沿竖直方向贴合设置在船舶的侧面，通过强磁磁吸的方式将整个结构固定在船舷外侧，温度链模块的最下端始终位于船舶吃水线以下，保证始终有温度传感器在测量表层海水温度，温度传感器通过无线传输方式将采集到的实时温度数据传送到主机。
所述计算步骤包括：采集信号的预处理、传感器位置判定、有效数据筛选、实时表层水温计算和最终表层水温计算。
a、采集信号的预处理：温度链模块上电工作后Δt之后开始计时，针对温度链模块中的任一温度传感器在固定时间点t(3s的整数倍)收集(t-Δt，t)时间段的采样点集合[(T0，X0)，(T1，X1)，…，(Tn，Xn)]，并对其进行滑动平均滤波如下：
得到滤波后的数据集合[(t0，x0)，(t1，x1)，…，(tn-m，xn-m)]，其中采样频率、n、m、Δt等参数根据实验数据进行优化决定。
b、传感器位置判定：包括频域计算判定、幅值计算判定、离散信号的二阶导数判定相结合；
针对采集信号的预处理步骤中滤波之后的数据集(x0，x1，…，xn-m)，采样频率取基于快速傅里叶变换，计算数据集波动能量特征参数：
针对采集信号的预处理步骤中滤波之后的数据集(x0，x1，…，xn-m)，计算信号幅值：
A2＝Max([x0，x1，…，xn-m])-Min([x0，x1，…，xn-m])
针对采集信号的预处理步骤中滤波之后的数据集(x0，x1，…，xn-m)，计算信号序列的二次导数：
得到数据集(x″0，x″1，…，x″n-m-2)，计算幅值特征参数：
B1＝Max([x″0，x″1，…，x″n-m-2])
B2＝Min([x″0，x″1，…，x″n-m-2])
最终判定特征值计算：
其中A10，A20，A30是温度传感器在静水状态的计算特征值；k1，k2，k3是响应的权重系数，根据试验优化确定。
判定方法：
c、有效数据筛选：具体为离散信号的一阶导数判定可选序列，根据信号时间长度判定有效序列；
根据传感器位置判定中结果判定出属于水面状态下，进行下一步计算，否则舍弃数据。
针对采集信号的预处理步骤中滤波之后的数据集(x0，x1，…，xn-m)，计算信号序列的一次导数：
求得数据集(x′0，x′1，…，x′n-m)，根据其符号找出所有连续递增或递减数列：
d、表层水温计算：根据有效序列，进行变参数数据拟合，拟合目标函数为一阶惯性环节，根据拟合参数计算表层水温；
针对在有效数据筛选步骤中提取一组有效的阶跃响应序列(yk+1，yk+2，…，yk+M)，对应时间点(tk+1，tk+2，…，tk+M)通过最小二乘法对数据进行一阶惯性环节的拟合，推算出海水表层温度值，具体理论结果如下：
(其中，/>M＞4)
根据有效数据筛选步骤中的所有有效数列计算出表层水温的数据集：(T1，T2，…，Tk)
e、有效表层水温的判定：通过表层水温计算的表层水温与数据序列的趋向极值比较，差值在一定范围内为有效值。
针对表层水温计算出的(T1，T2，…，Tk)，进行幅值判定，舍弃跳变点得到数据集：(T1，T2，…，Tk-q)，其中k-q＞0。最终求平均值作为当前时间点的有效值。
作为本发明的优选方案：所述护套内部强磁安装孔位内壁填充有硫化胶，硫化胶与强磁铁及紧定螺钉贴合接触。
作为本发明再进一步的优选方案：所述连接护套和安装护套上下两端均具有凸出板，且连接护套和安装护套截面均呈“Z”字形，相邻的连接护套和安装护套通过凸出板叠加安装，且叠加位置具有间隙。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明适用于安装在钢铁船舶船舷，进行走航式实时测量海水表层温度数据，通过处于海水表面的传感器的动态响应来预测表层水温，实现接触式自动观测，适合走航式自动观测，接触式测量，不易受外界干扰，测量精度较高，表温计算过程设计信号滤波、传感器状态判定、变参数数据拟合水温计算等环节，水温测量数据可靠，精度高。
2、本发明采用磁吸的方式固定在船舷外侧，不破坏现有的船舶外壳结构，不焊接任何连接支点，安装位置灵活，操作方便，结构简单，采用磁吸附方式贴于船体外测，成本较低。
3、安装套之间采用瓦片式结构进行连接，环环相扣，增强了整体链状结构的牢固稳定性，对内部传输电缆以及传感器起到保护作用的同时，也能保持外观的整体美观性。
附图说明
图1为本发明装置的安装示意图。
图2为本发明装置的正视图。
图3为本发明装置的具体结构图。
图4为图3中I处的放大剖视图。
图5为本发明装置中连接护套和安装护套的连接处局部放大图。
图6为本发明装置的系统图。
图7为本发明装置计算流程图。
图中1-连接护套、2-安装护套、3-钢丝缆、4-传感器缆、5-传感器固定卡环、6-强磁铁安装孔、7-排水孔、8-温度传感器，9-强磁铁、10-紧定螺钉、11-紧定螺母、12-硫化胶，13-护套内部强磁安装孔位。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1-3，本发明实施例中，一种走航式船用强磁表贴式表层海水温度测量装置，包括温度链模块和主机，温度链模块包括多个连接护套1和安装护套2，连接护套1和安装护套2一一间隔设置，在每个安装护套2上均设有一个温度传感器8与主机对接，所述连接护套1和安装护套2上均开设有强磁铁安装孔6，连接护套1和安装护套2通过强磁铁安装孔6内结构进行安装固定，如图4，所述强磁铁安装孔6包括护套内部强磁安装孔位13，在护套内部强磁安装孔位13内设有强磁铁9，在强磁铁9上插装有与护套内部强磁安装孔位13同轴设置的紧定螺钉10，在护套内部强磁安装孔位13的孔口处设有套装在紧定螺钉10上的紧定螺母11，在进行安装时，通过强磁铁9与安装位置进行贴合固定，护套套装在强磁铁9上，然后通过紧定螺母11旋转套装在紧定螺钉10上，使得护套与安装位置贴合固定，保证安装的稳定性。
进一步的，所述连接护套1和安装护套2上均开设有排水孔7，排水孔7的作用，是在温度链模块进行测量时，防止船舶受海浪影响时船舶升沉时，水流对底部护套造成冲击；所述安装护套2上设有传感器固定卡环5固定卡关套装在温度传感器8外部，且传感器固定卡环5通过螺钉与安装护套2固定连接；所述温度传感器8通过钢丝缆3与主机对接，且每个温度传感器8具有独立的与钢丝缆3相连接的传感器缆4，所述钢丝缆3固定在传感器固定卡环5内。
参阅图6，所述主机包括依次连接的滤波模块、模数转换模块、数据处理模块和通信模块，温度链模块中的多个温度传感器8组成测温模块并与滤波模块相连接。
参阅图7，采用上述测量装置的测量方法，包括设备安装步骤和计算步骤。
所述设备安装步骤包括将温度链模块沿竖直方向贴合设置在船舶的侧面，通过强磁磁吸的方式将整个结构固定在船舷外侧，温度链模块的最下端始终位于船舶吃水线以下，保证始终有温度传感器8在测量表层海水温度，温度传感器8通过无线传输方式将采集到的实时温度数据传送到主机。
所述计算步骤包括：采集信号的预处理、传感器位置判定、有效数据筛选、实时表层水温计算和最终表层水温计算。
a、采集信号的预处理：温度链模块上电工作后Δt之后开始计时，针对温度链模块中的任一温度传感器在固定时间点t(3s的整数倍)收集(t-Δt，t)时间段的采样点集合[(T0，X0)，(T1，X1)，…，(Tn，Xn)]，并对其进行滑动平均滤波如下：
得到滤波后的数据集合[(t0，x0)，(t1，x1)，…，(tn-m，xn-m)]，其中采样频率、n、m、Δt等参数根据实验数据进行优化决定。
b、传感器位置判定：包括频域计算判定、幅值计算判定、离散信号的二阶导数判定相结合；
针对采集信号的预处理步骤中滤波之后的数据集(x0，x1，…，xn-m)，采样频率取基于快速傅里叶变换，计算数据集波动能量特征参数：
针对采集信号的预处理步骤中滤波之后的数据集(x0，x1，…，xn-m)，计算信号幅值：
A2＝Max([x0，x1，…，xn-m])-Min([x0，x1，…，xn-m])
针对采集信号的预处理步骤中滤波之后的数据集(x0，x1，…，xn-m)，计算信号序列的二次导数：
得到数据集(x″0，x″1，…，x″n-m-2)，计算幅值特征参数：
B1＝Max([x″0，x″1，…，x″n-m-2])
B2＝Min([x″0，x″1，…，x″n-m-2])
最终判定特征值计算：
其中A10，A20，A30是温度传感器在静水状态的计算特征值；k1，k2，k3是响应的权重系数，根据试验优化确定。
判定方法：
c、有效数据筛选：具体为离散信号的一阶导数判定可选序列，根据信号时间长度判定有效序列；
根据传感器位置判定中结果判定出属于水面状态下，进行下一步计算，否则舍弃数据。
针对采集信号的预处理步骤中滤波之后的数据集(x0，x1，…，xn-m)，计算信号序列的一次导数：
求得数据集(x′0，x′1，…，x′n-m)，根据其符号找出所有连续递增或递减数列：
d、表层水温计算：根据有效序列，进行变参数数据拟合，拟合目标函数为一阶惯性环节，根据拟合参数计算表层水温；
针对在有效数据筛选步骤中提取一组有效的阶跃响应序列(yk+1，yk+2，…，yk+M)，对应时间点(tk+1，tk+2，…，tk+M)通过最小二乘法对数据进行一阶惯性环节的拟合，推算出海水表层温度值，具体理论结果如下：
(其中，/>M＞4)
根据有效数据筛选步骤中的所有有效数列计算出表层水温的数据集：(T1，T2，…，Tk)
e、有效表层水温的判定：通过表层水温计算的表层水温与数据序列的趋向极值比较，差值在一定范围内为有效值。
针对表层水温计算出的(T1，T2，…，Tk)，进行幅值判定，舍弃跳变点得到数据集：(T1，T2，…，Tk-q)，其中k-q＞0。最终求平均值作为当前时间点的有效值。
实施例2：
参阅图4，在实施例1的基础之上，由于在海洋环境中使用，需要考虑强磁铁9的密封，所述护套内部强磁安装孔位13内壁填充有硫化胶12，硫化胶12与强磁铁9及紧定螺钉10贴合接触，实现对于强磁铁9等的密封防水。
实施例3：
参阅图5，在实施例1的基础之上，所述连接护套1和安装护套2上下两端均具有凸出板，且连接护套1和安装护套2截面均呈“Z”字形，相邻的连接护套1和安装护套2通过凸出板叠加安装，且叠加位置具有一定间隙，从而使得装置整体能够进行一定角度的调节，符合船舷外部的弧线变化，进一步保证与船舷的贴合，保证使用时的稳定性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (1)
1.走航式船用强磁表贴式表层海水温度测量装置的测量方法，采用所述的走航式船用强磁表贴式表层海水温度测量装置，包括温度链模块和主机，温度链模块包括多个连接护套(1)和安装护套(2)，连接护套(1)和安装护套(2)一一间隔设置，在每个安装护套(2)上均设有一个温度传感器(8)与主机对接，所述连接护套(1)和安装护套(2)上均开设有强磁铁安装孔(6)，连接护套(1)和安装护套(2)通过强磁铁安装孔(6)内结构进行安装固定，所述强磁铁安装孔(6)包括护套内部强磁安装孔位(13)，在护套内部强磁安装孔位(13)内设有强磁铁(9)，在强磁铁(9)上插装有与护套内部强磁安装孔位(13)同轴设置的紧定螺钉(10)，在护套内部强磁安装孔位(13)的孔口处设有套装在紧定螺钉(10)上的紧定螺母(11)；所述主机包括依次连接的滤波模块、模数转换模块、数据处理模块和通信模块，温度链模块中的多个温度传感器(8)组成测温模块并与滤波模块相连接；其特征在于，包括设备安装步骤和计算步骤，所述设备安装步骤包括将温度链模块沿竖直方向贴合设置在船舶的侧面，通过强磁磁吸的方式将整个结构固定在船舷外侧，温度链模块的最下端始终位于船舶吃水线以下，保证始终有温度传感器(8)在测量表层海水温度，温度传感器(8)通过无线传输方式将采集到的实时温度数据传送到主机，所述计算步骤包括：采集信号的预处理、传感器位置判定、有效数据筛选、实时表层水温计算和最终表层水温计算；
采集信号的预处理：温度链模块上电工作后Δt之后开始计时，针对温度链模块中的任一温度传感器在固定时间点t(3s的整数倍)收集(t-Δt，t)时间段的采样点集合[(ti0，xi0),(ti1，xi1)，···,(tik，xik)，···，(tin，xin)](其中，tik是第k个采样点的采集时间，xik是第k个采样点的温度值)，并对其进行滑动平均滤波如下：得到滤波后的数据集合[(t0，x0),(t1，x1)，···，(tk，xk)，···，(tn-m，xn-m)](其中，tk是滤波后的第k个采样点的采集时间，xk是滤波后的第k个采样点的温度值，m是滑动平均滤波窗口的长度)，其中采样频率、n、m、Δt等参数根据实验数据进行优化决定；
传感器位置判定：包括频域计算判定、幅值计算判定、离散信号的二阶导数判定相结合；
针对采集信号的预处理步骤中滤波之后的数据集合[(t0，x0),(t1，x1)，···，(tk，xk)，···，(tn-m，xn-m)]，采样频率取基于快速傅里叶变换，计算数据集波动能量特征参数：
其中，N表示n-m；
针对采集信号的预处理步骤中滤波之后的数据集合[(t0，x0),(t1，x1)，···，(tk，xk)，···，(tn-m，xn-m)]，计算信号幅值：
A2＝Max([x0，x1，···，xn-m])-Min([x0，x1，···，xn-m])
针对采集信号的预处理步骤中滤波之后的数据集合[(t0，x0),(t1，x1)，···，(tk，xk)，···，(tn-m，xn-m)],计算信号序列的二次导数：
得到数据集(x"0，x"1，···,x"n-m-2)，计算幅值特征参数：
B1＝Max([x″0，x″1，···，x″n-m-2])
B2＝Min([x″0，x″1，···，x″n-m-2])
最终判定特征值计算：
其中A10，A20，A30是温度传感器在静水状态的计算特征值；k1，k2，k3是响应的权重系数，根据试验优化确定；
判定方法：其中R是一个常数，根据实验确定，At1表示滤波之后数据集的波动特征值；
有效数据筛选：具体为离散信号的一阶导数判定可选序列，根据信号时间长度判定有效序列；
根据传感器位置判定中结果判定出属于水面状态下，进行下一步计算，否则舍弃数据；
针对采集信号的预处理步骤中滤波之后的数据集合[(t0，x0),(t1，x1)，···，(tk，xk)，···，(tn-m，xn-m)],计算信号序列的一次导数：
求得数据集合(x‘0，x‘1，···，x‘n-m-1)，根据其符号找出所有关于温度数据的连续递增或递减数列，如下：
表层水温计算：根据有效序列，进行变参数数据拟合，拟合目标函数为一阶惯性环节，根据拟合参数计算表层水温；
针对在有效数据筛选步骤中提取一组有效的阶跃响应序列(yk+1,yk+2,···，yk+M)，对应时间点(tk+1,tk+2,···，tk+M)通过最小二乘法对数据进行一阶惯性环节的拟合，推算出海水表层温度值，具体理论结果如下：
(其中，/>ym为阶跃响应序列的取值,M>4)
根据有效数据筛选步骤中的所有有效数列计算出表层水温的数据集(总计m2组)：(T1，T2，···，Tk,···，Tm2)；
有效表层水温的判定：通过表层水温计算的表层水温与数据序列的趋向极值比较，差值在一定范围内为有效值；
针对表层水温计算出的(T1，T2，···，Tk,···，Tm2)，进行幅值判定，舍弃跳变点 得到数据集：(T'1，T'2，···，T'm2-q),其中m2-q>0；最终求平均值作为当前时间点的有效值：
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