CN113091831A - 一种机载抛弃式海水温深测量系统及测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种机载抛弃式海水温深测量系统及测量方法，测量系统包括：显控设备、信号收发设备、无人机和机载抛弃式海水温深测量装置；显控设备设置在岸基上，信号收发设备置于无人机上；无人机用于飞行到指定测量海域并投放机载抛弃式海水温深测量装置；机载抛弃式海水温深测量装置用于海水温度和深度的测量；显控设备用于控制无人机的起飞、巡航飞行到测量海域、投放机载抛弃式海水温深测量装置、实时接收并显示测量数据和剖面，返航。只需将机载抛弃式海水温深测量装置投入海中即可实现温深剖面数据的快速测量和自动传输，测量精度高，测量信号采用无线传输模式且具有较大的通信距离，测量完成可自毁后沉入海底，使用方便，机动性好。

Description

一种机载抛弃式海水温深测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及海水测量技术领域，具体涉及一种机载抛弃式海水温深测量系统及测量方法。
背景技术
温度、盐度、深度等水文数据是海洋的基本要素，是影响海水声速梯度的基本参数，也是影响水下声场的基本物理量和影响声纳设备性能的基本参数。
水文数据舰载测量方式可以通过电缆绞车吊放相应的传感器来实现，如温深测量仪(CTD)、声速仪等，但这些设备使用时舰船需处于停车漂浮状态，使用条件苛刻，测量过程耗时较长，效率较低，测量时舰船的机动性较差，不利于舰船作战使用。
抛弃式温深剖面仪可在舰船走航状态下快速获取海水温深剖面数据，具有效率高、成本低、不影响舰船航行状态等优点，但仍受制于航速的限制且连接探头测量体的信号传输细线存在一定断线的风险。
发明内容
针对海水测量中舰船存在的技术问题，本申请提供一种机载抛弃式海水温深测量系统及测量方法，只需将浮标投入海中即可实现温深剖面数据的快速测量和自动传输，测量精度高，测量信号采用无线传输模式且具有较大的通信距离，测量完成可自毁后沉入海底，使用方便，机动性好。
本发明技术方案如下：
本发明提供一种机载抛弃式海水温深测量系统，包括：显控设备、信号收发设备、无人机和机载抛弃式海水温深测量装置；
所述显控设备分别与所述信号收发设备和无人机信号连接，所述显控设备设置在岸基上；
所述信号收发设备放置在无人机上，与所述显控设备和所述机载抛弃式海水温深测量装置信号连接；
所述无人机用于飞行到指定测量海域投放所述机载抛弃式海水温深测量装置；
所述机载抛弃式海水温深测量装置，在被投放降落到海面后，用于海水温度和深度的测量，并将海水温度和深度的测量数据发送至所述信号收发设备；
所述显控设备用于控制所述无人机的起飞、巡航飞行到测量海域、投放所述机载抛弃式海水温深测量装置、返航并实时接收并显示经信号收发设备转发的测量数据和剖面。
进一步优选的，所述机载抛弃式海水温深测量装置包括浮体部、电子舱、壳体、测量部、控制模块、释放机构、自毁机构；
所述浮体部、电子舱、测量部自上而下依次设置；
所述控制模块设置于所述电子舱内，所述控制模块与无人机上的信号收发设备无线通讯；
所述测量部用于测量海水的温度和深度，所述测量部设置于所述壳体内，所述测量部与所述控制模块通过信号传输线进行信号连接；
所述控制模块用于控制所述释放机构释放信号传输线以使所述测量部进行海水温深测量，及测量完成后，所述控制模块还用于控制所述自毁机构自毁所述浮体部，以使所述机载抛弃式海水温深测量装置沉入海底。
进一步优选的，所述测量部包括温度传感器和压力传感器，所述温度传感器用于测量海水温度，所述压力传感器用于测量海水压力。
进一步优选的，所述温度传感器采用高精度快速响应负温度系数热敏电阻，及采用三线恒流源激励法测量电路。
进一步优选的，所述机载抛弃式海水温深测量装置还包括降落伞，所述降落伞用于在所述机载抛弃式海水温深测量装置被所述无人机抛载后，到达一定高度打开以控制所述机载抛弃式海水温深测量装置的降落速度。
进一步优选的，所述机载抛弃式海水温深测量装置还包括天线，所述天线设置于所述浮体部，所述浮体部遇水后自动展开并支起所述天线。
本发明还提供一种机载抛弃式海水温深测量方法，包括步骤：
控制机载抛弃式海水温深测量装置与信号收发设备完成初始化通信；
控制无人机携带机载抛弃式海水温深测量装置飞行至测量目标海域坐标点，投放所述机载抛弃式海水温深测量装置；
降落伞打开，所述机载抛弃式海水温深测量装置降落至海面；
浮体部遇水后自动展开并支起天线；
待所述机载抛弃式海水温深测量装置姿态稳定后，所述机载抛弃式海水温深测量装置与信号收发设备再次通讯测试；
发送释放命令控制释放机构释放测量部，测量部在下降的过程中实时测量海水温度和海水深度，并将测量的海水温度和海水深度数据实时反馈至信号收发设备；
发送自毁命令控制自毁机构自毁所述浮体部，以使所述机载抛弃式海水温深测量装置沉入海底。
本发明提供的机载抛弃式海水温深测量系统及测量方法，具有以下效果：
1、机载抛弃式海水温深测量系统只需将机载抛弃式海水温深测量装置投入海中即可实现温深剖面数据的快速测量和自动传输，测量精度高，测量信号采用无线传输模式且具有较大的通信距离，测量完成可自毁后沉入海底，使用方便，机动性好。
2、通过无线电将测得的海水温深剖面数据发送到无人机上的信号收发设备并由信号收发设备转发至岸基显控设备进行实时显示和控制，从而可利用飞机高速运动的特性在短时间内完成大范围的海洋温深剖面调查，效率大为提高。
附图说明
图1为机载抛弃式海水温深测量系统原理图；
图2为机载抛弃式海水温深测量装置结构示意图；
图3为温度传感器电路原理图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
温度、盐度、深度等水文数据是海洋调查和研究的基础内容，是海洋环境的基本物理量和影响声纳设备性能的基本参数。本申请以现有抛弃式温深剖面仪、抛弃式温度探头(XBT)、抛弃式温盐深探头(XCTD)、吊放式温盐深探头等成熟产品为基础，结合已有的机载抛弃式海洋温度测量系统(AXBT)研制能力，进行机载抛弃式海水温深测量系统的研制。
本申请提供的机载抛弃式海水温深测量系统，如图1所示，包括显控设备1、信号收发设备2、无人机3、机载抛弃式海水温深测量装置4。
显控设备1分别与信号收发设备2和无人机3信号连接，显控设备设置在岸基上；信号收发设备2放置在无人机上；显控设备1用于控制无人机3的起飞、巡航飞行到测量海域、投放机载抛弃式海水温深测量装置4、返航，实时接收并显示载抛弃式海水温深测量装置4的状态和测量数据。
显控设备1是机载抛弃式海水温深测量系统的控制中心，显控设备1不仅具有向无人机3、机载抛弃式海水温深测量装置4发送控制命令的功能，同时还具有数据显示和存储功能，例如，显控设备1可以对测量的海水温度和深度数据进行存储、分析、显示。
信号收发设备2放置于无人机3上，接收显控设备1发出的信号和控制命令并转发给机载抛弃式海水温深测量装置4，接收机载抛弃式海水温深测量装置4以无线通讯方式发出的测量数据并转发给显控设备1。
无人机3用于飞行到指定测量海域投放机载抛弃式海水温深测量装置4；由图1可以包括多个机载抛弃式海水温深测量装置4，无人机3起飞飞行至投放点将机载抛弃式海水温深测量装置4投下，随后无人机3即可向下一个测量点进行投放，故，本申请利用飞机高速运动的特性在短时间内完成大范围的海洋温深剖面调查，效率大为提高。
机载抛弃式海水温深测量装置4在被抛载降落到海面后，用于海水温度和深度的测量，并将海水温度和深度的测量数据发送至信号收发设备2。
本申请的机载抛弃式海水温深测量装置4的具体结构图如图2所示，包括浮体部41、电子舱42、壳体43、测量部44、控制模块、释放机构45、自毁机构。
其中，浮体部41、电子舱42、测量部44自上而下依次设置，控制模块设置于电子舱42内，控制模块与无人机上的信号收发设备2无线通讯。
机载抛弃式海水温深测量装置4的控制模块包括电源、数据接收模块、无线通讯模块和控制电路等，其中，数据接收模块对测量部44获取的信号进行解码处理，并将处理后的数据发送给无线通讯模块，无线通讯模块与无人机上的信号收发设备2通过无线方式建立通讯，实时接收控制命令并发送测量数据和状态信息；控制电路根据接收到的控制信号对释放机构45、自毁机构等各项操作发出相应的指令，以实现各种功能，例如释放测量部、信号传输、自毁等。
测量部44用于测量海水的温度和深度，测量部44设置于壳体43内，测量部44与控制模块通过信号传输线进行信号连接；控制模块用于控制释放机构45释放信号传输线以使测量部44进行海水温深测量，及测量完成后，控制模块还用于控制自毁机构自毁浮体部41，以使机载抛弃式海水温深测量装置4沉入海底，实现自毁。
释放机构45根据控制信号通过电动方式或机械方式实现测量部44的释放，浮体部41可通过自身的结构设计实现自动展开，随之实现机载抛弃式海水温深测量装置4的漂浮和姿态稳定，自毁机构根据控制信号逐渐减小浮体部41的浮力最终使机载抛弃式海水温深测量装置4沉入海底。
进一步，本申请的机载抛弃式海水温深测量装置4还包括降落伞，降落伞设置于浮体部41上方设置的舱体46内，降落伞用于在机载抛弃式海水温深测量装置4被无人机3抛载后，到达一定高度打开以控制机载抛弃式海水温深测量装置4的降落速度。
进一步，为了使机载抛弃式海水温深测量装置4与无人机上的信号收发设备2进行无线通信，本申请的机载抛弃式海水温深测量装置4还包括天线，天线设置于浮体部41，浮体部41遇水后自动展开并支起天线。
进一步，测量部44包括温度传感器441和压力传感器442，温度传感器441用于测量海水温度，压力传感器442用于测量压力值，本申请还进一步对温度传感器441和压力传感器442进行改进设计，以提高传感器的测量精度和可靠性；具体的，温度测量和深度测量采用模块化设计，提高互换性和可维修性，测量数据采用数字传输方式，提高测量精度和抗干扰性。
本申请的温度传感器441的原理图如图3所示，温度传感器441采用高精度快速响应负温度系数热敏电阻(NTC)，温度测量采用三线恒流源激励法测量电路，图3中的R11、R12、R13分别表示连接导线的电阻，通过温度测量电路再利用NTC电阻和温度的关系就可以计算出温度。
本申请的压力传感器442选用高精度硅压力传感器，输出为4～20mA电流调制信号，中央处理器不能直接处理电流信号，因此需要首先将电流信号转换为电压信号，经过差分放大之后转换为数字信号送中央处理器计算深度。
通过本申请提供的机载抛弃式海水温深测量装置4整体结构设计，实现降落伞的自动打开、浮体部41的自动展开、测量部44的自动释放、信号线的匹配释放、测量结束后实现浮体部41的自毁；研究测量数据实时无线传输技术和方式，实现机载抛弃式海水温深测量装置4与无人机上的信号收发设备2之间的无线数据传输；对温度传感器和压力传感器进行改进设计，提高传感器的测量精度和可靠性；将数据采集模块、控制电路、无线传输模块集成到机载抛弃式温深测量的浮体部41上，实现测量数据的自动采集、处理、无线发送等功能。
进一步，本申请还提供一种机载抛弃式海水温深测量方法，以岸基上的显控设备1作为执行端执行该测量方法为例进行描述，具体包括以下步骤：
步骤1：控制机载抛弃式海水温深测量装置与信号收发设备完成初始化通信；
步骤2：控制无人机携带机载抛弃式海水温深测量装置飞行至测量目标海域坐标点，投放所述机载抛弃式海水温深测量装置；
步骤3：降落伞打开，所述机载抛弃式海水温深测量装置降落至海面；
步骤4：浮体部遇水后自动展开并支起天线；
步骤5：待所述机载抛弃式海水温深测量装置姿态稳定后，所述机载抛弃式海水温深测量装置与信号收发设备再次通讯测试；
步骤6：发送释放命令控制释放机构释放测量部，测量部在下降的过程中实时测量海水温度和海水深度，并将测量的海水温度和海水深度数据实时反馈至信号收发设备；
步骤7：发送自毁命令控制自毁机构自毁所述浮体部，以使所述机载抛弃式海水温深测量装置沉入海底。
下面举例说明本申请提供的机载抛弃式海水温深测量方法的实施过程。
机载抛弃式海水温深测量装置4从飞机上投放后，降落伞受风自动打开，在降落伞的作用下以一定速度降落到海面，机载抛弃式海水温深测量装置4降落至海面后，由于惯性会继续降落，浮体部41遇海水自动展开，支起天线，待姿态稳定后，机载抛弃式海水温深测量装置4的控制模块与信号收发设备2进行通讯测试，然后根据命令释放测量部44，测量部44在下降的过程中，信号线自适应下降速率有序放出，海水不断从进水孔进入，从出水孔流出，利用温度传感器和压力传感器实时测量温度和深度数据，测量数据经前置处理后由信号线实时传回数据接收模块，数据接收模块处理后的数据经无线通讯模块和天线发送至信号收发设备2，信号收发设备2将数据发送至显控设备1进行数据存储和显示，待测量完成后，机载抛弃式海水温深测量装置4进行自毁，自毁后沉入海底。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (7)

1.一种机载抛弃式海水温深测量系统，其特征在于，包括：显控设备、信号收发设备、无人机和机载抛弃式海水温深测量装置；
所述显控设备分别与所述信号收发设备和无人机信号连接，所述显控设备设置在岸基上；
所述信号收发设备置于无人机上，与所述显控设备和所述机载抛弃式海水温深测量装置信号连接；
所述无人机用于飞行到指定测量海域投放所述机载抛弃式海水温深测量装置；
所述机载抛弃式海水温深测量装置，在被投放降落到海面后，用于海水温度和深度的测量，并将海水温度和深度的测量数据发送至所述信号收发设备；
所述显控设备用于控制所述无人机的起飞、巡航飞行到测量海域、投放所述机载抛弃式海水温深测量装置、实时接收并显示测量数据和剖面，返航，还用于控制所述机载抛弃式海水温深测量装置的自毁。
2.如权利要求1所述的机载抛弃式海水温深测量系统，其特征在于，所述机载抛弃式海水温深测量装置包括浮体部、电子舱、壳体、测量部、控制模块、释放机构、自毁机构；
所述浮体部、电子舱、测量部自上而下依次设置；
所述控制模块置于所述电子舱内，所述控制模块与无人机上的信号收发设备无线通讯；
所述测量部用于测量海水的温度和深度，所述测量部设置于所述壳体内，所述测量部与所述控制模块通过信号传输线进行信号连接；
所述控制模块用于控制所述释放机构释放信号传输线以使所述测量部进行海水温深测量，及测量完成后，所述控制模块还用于控制所述自毁机构自毁所述浮体部，以使所述机载抛弃式海水温深测量装置沉入海底。
3.如权利要求2所述的机载抛弃式海水温深测量系统，其特征在于，所述测量部包括温度传感器和压力传感器，所述温度传感器用于测量海水温度，所述压力传感器用于测量海水压力。
4.如权利要求3所述的机载抛弃式海水温深测量系统，其特征在于，所述温度传感器采用高精度快速响应负温度系数热敏电阻，及采用三线恒流源激励法测量电路。
5.如权利要求2所述的机载抛弃式海水温深测量系统，其特征在于，所述机载抛弃式海水温深测量装置还包括降落伞，所述降落伞用于在所述机载抛弃式海水温深测量装置被所述无人机抛载后，到达一定高度打开以控制所述机载抛弃式海水温深测量装置的降落速度。
6.如权利要求2所述的机载抛弃式海水温深测量系统，其特征在于，所述机载抛弃式海水温深测量装置还包括天线，所述天线设置于所述浮体部，所述浮体部遇水后自动展开并支起所述天线。
7.一种机载抛弃式海水温深测量方法，其特征在于，包括步骤：
控制机载抛弃式海水温深测量装置与信号收发设备完成初始化通信；
控制无人机携带机载抛弃式海水温深测量装置飞行至测量目标海域坐标点，投放所述机载抛弃式海水温深测量装置；
降落伞打开，所述机载抛弃式海水温深测量装置降落至海面；
浮体部遇水后自动展开并支起天线；
待所述机载抛弃式海水温深测量装置姿态稳定后，所述机载抛弃式海水温深测量装置与信号收发设备再次通讯测试；
发送释放命令控制释放机构释放测量部，测量部在下降的过程中实时测量海水温度和海水深度，并将测量的海水温度和海水深度数据实时反馈至信号收发设备；
发送自毁命令控制自毁机构自毁所述浮体部，以使所述机载抛弃式海水温深测量装置沉入海底。
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