CN113709597B - 一种基于海底观测网的实时供电与高速数据传输潜标装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于海底观测网的实时供电与高速数据传输潜标装置，该潜标装置包括部署在海底的海床基以及与海床基上底面连接伸向海面的垂直锚系；海床基作为重力锚使潜标装置稳定定位于布设地点，还用于从海底观测网接驳盒获取潜标装置的电能供给，并将接驳盒发送的管控命令发送至垂直锚系，将垂直锚系采集的数据实时传输至接驳盒；垂直锚系采用整体承力绳结合分段式主电缆的结构，将从海床基获取的电能传递至承力绳上布置的各传感器，并根据海床基传来的管控命令，将不同设定水深的传感器数据发送至海床基。本发明改变了传统潜标的传感器依赖自身电池供电导致无法长期高速采集的模式，实现对海洋水体参数的长期高分辨率观测。

Description

一种基于海底观测网的实时供电与高速数据传输潜标装置
技术领域
本发明涉及海洋观测技术领域，尤其涉及一种基于海底观测网的实时供电与高速数据传输潜标装置。
背景技术
海洋科学是一门基于观测的科学，海洋科学信息分布于水面、水体和水底；其中水面(包括水体表层)信息可通过卫星遥感和浮标方式获取，水底信息可通过海床基方式获取，而包含最丰富海洋信息的水体观测一般通过垂直锚系潜标系统实现，通过在不同深度布设观测设备获取数据，具有观测深度范围广、观测时间长、观测数据相对稳定、观测方式隐蔽等优势。
传统潜标系统一般有如下几种类型：
(1)自容式潜标：潜标主浮体设置于水下一定深度，观测数据储存在潜标中，需待潜标回收后方可获取观测数据，工作时长受限且数据时效性差，一旦潜标遭到破坏，将面临丢失全部采集数据的风险。
(2)感应耦合类准实时潜标：通过感应耦合技术将垂直锚系上的观测设备数据进行汇聚，然后利用通信浮子、水下绞车或定时浮标通过海面向上经卫星进行准实时通信，或通过海床基平台连接到海底观测网进行准实时通信，一定程度提高了潜标观测的时效性。该方案中各观测设备供电只能依赖自身携带的电池，仍然无法有效解决电力实时供应问题，受能源限制，其携带的各类观测设备均无法以高采样率开展长期连续采样；另外感应耦合方式带宽受限，传输效率偏低。
上述两种潜标均存在电能供给受限、无法长期密集采样的缺点，导致无法观测海洋湍流、内波等快速现象；而海底观测网利用光电缆构建大功率供电与高速通信网络，通过接驳盒的接驳端口实现对水下观测设备的长期稳定供电与高带宽通信，使得发明一种基于海底观测网的实时供电与高速数据传输潜标成为可能。
专利申请201910928527.3公开了一种基于海底观测网的实时传输潜标系统，该系统仅解决了如何将潜标系统与海底观测网精准接驳的技术问题，对于如何为观测设备供电及通讯并无介绍。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于海底观测网的实时供电与高速数据传输潜标装置。该装置可通过海底观测网的接驳端口获取长期稳定的电能供给和高传输带宽的通讯能力，以满足对海洋水体参数的长期、实时、高分辨率观测的科学需求。
本发明提出了一种基于海底观测网的实时供电与高速数据传输潜标装置，所述潜标装置包括部署在海底的海床基以及与海床基上底面连接伸向海面的垂直锚系；其中，
所述海床基，用于提供重力锚的作用，使潜标装置稳定定位于布设地点；还用于从海底观测网接驳盒获取潜标装置的电能供给，并将海底观测网接驳盒发送的管控命令发送至垂直锚系，将垂直锚系采集的数据实时传输至海底观测网接驳盒；
所述垂直锚系，采用整体承力绳结合分段式主电缆的结构，用于将从海床基获取的电能传输至承力绳上布置的各传感器，并根据海床基传来的管控命令，将不同水深的传感器数据发送至海床基。
作为上述装置的一种改进，所述海床基内设置第一汇聚舱，所述第一汇聚舱通过湿插拔连接器与海底观测网接驳盒的接驳端口相连，所述第一汇聚舱包括电源转换器和协议转换器，其中，
所述电源转换器，用于将海底观测网接驳盒传输的高压电转换为中压电并发送至垂直锚系主电缆的电源线；
所述协议转换器，用于将海底观测网接驳盒发送的管控命令转换协议格式后发送至主电缆的数据总线；还用于汇集垂直锚系不同水深采集的传感器数据，转换为适于海底观测网接驳盒的通讯协议格式并发送至海底观测网接驳盒，所述数据总线的格式包括但不限于CAN和RS485现场总线。
作为上述装置的一种改进，所述垂直锚系自顶端向下依次设置定位信标和主浮体；其中，
所述定位信标，用于当所述潜标装置浮出海面时发射定位信息，便于打捞；
所述主浮体，用于通过浮力使垂直锚系拉直。
作为上述装置的一种改进，所述主浮体内设置第二汇聚舱和水声通信机，所述第二汇聚舱用于监测第一汇聚舱发出的周期性指令，当能收到周期性指令时，第二汇聚舱为从机状态；当不能收到周期性指令时，第二汇聚舱为主机状态，通过主电缆数据总线获取垂直锚系不同水深采集的传感器数据，转换为水声通信机所需的格式并由水声通信机发送至海底观测网接驳盒内的水声通信机。
作为上述装置的一种改进，所述垂直锚系设置接入舱、中继舱和传感器，其中，
所述接入舱的数量为一个或两个以上，通过卡具固定在承力绳上，通过主电缆分别连接第一汇聚舱和第二汇聚舱，并通过接入电缆与传感器连接；
所述中继舱，用于当主电缆长度过长或接入的传感器数量过多导致主电缆传输距离不足时，对传输的信号进行增强；所述中继舱位于两个接入舱之间，或接入舱与第一汇聚舱之间，或接入舱与第二汇聚舱之间，中继舱的上下两端均与主电缆相连，通过卡具固定在承力绳上。
作为上述装置的一种改进，所述接入舱包括电源转换器和协议转换器，其中，
所述电源转换器，用于将主电缆电源线的中压电转换为低压电为传感器供电；
所述协议转换器，用于将管控命令由主电缆数据总线上的通讯协议格式转换为适于传感器的通讯协议格式，还用于将传感器采集的数据转换为主电缆数据总线所需的协议格式并发送至主电缆数据总线。
作为上述装置的一种改进，所述中继舱包括电源转换器和信号再生器；其中，
所述电源转换器，用于将主电缆电源线的中压电转换为低压电为信号再生器供电；
所述信号再生器，用于对主电缆数据总线的双向数据均进行信号增强。
作为上述装置的一种改进，在主浮体和垂直锚系之间以及垂直锚系和海床基之间分别设置一个承重电滑环，用于消除垂直锚系的扭矩。
作为上述装置的一种改进，在接入舱、中继舱和传感器外部均包裹浮力块，用于将垂直锚系的水中重量调节为零。
作为上述装置的一种改进，主电缆长度略长于承力绳，通过电缆卡具将主电缆固定于承力绳上，避免主电缆受力损坏，同时避免主电缆与承力绳互相扭绞。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明利用海底观测网提供的稳定电力供应和高速数据接口，改变了传统潜标的传感器只能依赖自身电池供电导致无法长期高速采集的模式，通过汇聚舱、接入舱和主电缆将各传感器连接起来并连接至海床基，可使各传感器从海底观测网接驳盒获取持续稳定的电力供应，使各传感器可工作在最高性能模式，并将采集的数据通过海底观测网实时高速数据传回，从而实现对海洋水体参数的长期高分辨率观测；
2、本发明中的主电缆为分段式，当某段主电缆出现破损时，仅需替换受损的主电缆分段，提高了潜标装置的可维护性并降低了主电缆的制作难度；
3、本发明在潜标装置上端设置了第二汇聚舱作为备用水声传输通道，可在垂直锚系的中继舱或第一汇聚舱发生传输故障时通过水声通信机将各传感器数据传回接驳盒。
附图说明
图1是本发明的基于海底观测网的实时供电与高速数据传输潜标装置组成图；
图2是本发明潜标装置的第一汇聚舱组成图；
图3是本发明潜标装置的接入舱组成图；
图4是本发明潜标装置的中继舱组成图；
图5是本发明潜标装置的第二汇聚舱组成图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明的实施例1提供了基于海底观测网的实时供电与高速数据传输潜标装置。
该装置由海床基与垂直锚系两部分组成，使用汇聚舱、接入舱、中继舱及舱间主电缆形成主干线路，各组成部分功能如下：
(1)第一汇聚舱(即图1中的汇聚舱1)组成如图2所示，位于海床基部分，通过湿插拔连接器与海底观测网接驳盒的接驳端口相连，协议转换器1作为主机与多个从机(传感器)通讯，实现接驳盒管控命令下发和传感器数据汇聚上传。
(2)第二汇聚舱(即图1中的汇聚舱2)组成如图5所示，位于垂直锚系顶端的主浮体内，通过接插件4与主电缆相连，可通过水声无线通信的方式将数据传输至接驳盒上的水声通信机1。第二汇聚舱监测第一汇聚舱发出的周期性指令以判断二者之间的通讯链路是否正常。若第二汇聚舱能接收到第一汇聚舱发出的周期性指令表示二者通讯链路正常，第二汇聚舱保持从机状态无通讯动作；否则表示二者通讯链路异常，第二汇聚舱切换为主机状态，从垂直锚系上的各传感器获取数据并通过水声通信机1与接驳盒建立通讯链路实现数据传输路径的冗余。
(3)接入舱组成如图3所示，位于垂直锚系部分，数量为一个或两个以上，通过卡具固定在承力绳上，也可布置于海床基内，通过主电缆连接第一汇聚舱和第二汇聚舱，并通过接入电缆连接至传感器。
(4)当因主电缆长度过长或接入的传感器数量过多导致主电缆传输距离不足时，通过中继舱完成信号的恢复与再生，可进一步延长通讯距离，提高通讯质量。中继舱组成如图4所示，两端与主电缆相连，位于两个接入舱之间或接入舱与汇聚舱之间，通过卡具固定在承力绳上。
(5)海床基部分同时起到重力锚的作用，使潜标装置可稳定定位于布设地点，防止潜标装置被海流移动导致与接驳盒的连接缆损坏或脱开。
(6)主浮体位于潜标装置上端，通过较大的浮力将垂直锚系部分拉直，使传感器工作于设定的水深。
(7)定位信标位于潜标装置顶端，当打捞潜标装置或潜标意外浮出海面时可发射定位信息，便于打捞。
(8)潜标装置在海水中受到海流的影响，其主浮体及锚系部分易发生扭转，为此通过承重电滑环实现主浮体、海床基与锚系部分之间的连接，可消除锚系部分的扭矩。
(9)为减轻垂直锚系部分在海水中的重力，降低承力绳和承重电滑环的工作拉力，在接入舱、中继舱甚至传感器外部包裹浮力块，可将垂直锚系部分的水中重量调节为零，并将各舱体通过卡具固定于承力绳上。
主电缆长度略长于承力绳，通过电缆卡具将主电缆固定于承力绳上，避免主电缆受力损坏，同时避免主电缆与承力绳互相扭绞。
定义从接驳盒至第二汇聚舱的方向为下行，反之为上行。
需要说明的是，本实施例及附图2-5，主电缆数据总线协议以RS485现场总线为例，也可以是CAN等其他协议；接入缆数据格式以RS232为例，也可以是RS485等其他协议。
(1)接驳盒发出的下行指令(通常是以太网协议，但不限于以太网协议)与高压电经湿插拔缆和接插件1进入第一汇聚舱，其下行指令经协议转换器1转换为RS485接口格式，经接插件1’进入主电缆中的RS485总线；其下行高压电经电源转换器1转换为中压电，经接插件1’进入主电缆中的电源线。高电压通常为375V左右，来自观测网接驳盒输出；中电压通常为100V左右，用于减轻主电缆耐电压指标；
(2)第一汇聚舱发出的高压电沿主电缆中的电源线经接插件2进入接入舱，由电源转换器2转换为低压电，取决于传感器所需，通常为24V左右，也可以12～48V，经接插件2”沿分支缆内的低压电源线进入传感器并为其供电。
(3)RS485总线上的下行指令沿主电缆中的RS485总线经接插件2进入接入舱，经协议转换器2转换为适用于传感器通讯的RS232协议，经接插件2”沿分支缆内的RS232通讯线进入传感器；传感器接收并识别该下行指令是否为本机通讯指令，若是则做出响应数据，若否则忽略。
(4)下行高压电与RS485下行指令沿主电缆传输至所有接入舱，第一汇聚舱在同一时刻仅与1个接入舱所连接的传感器通讯，以免多个传感器通讯时互相冲突。
(5)传感器发出的上行响应数据沿支缆内的RS232通讯线经接插件2”进入接入舱，经协议转换器2转换为RS485格式经接插件2进入主电缆内的RS485总线，经接插件1’进入第一汇聚舱，由协议转换器1转换为以太网协议，经接插件1沿湿插拔缆进入接驳盒，完成数据交互。
(6)中继舱可位于垂直锚系的任意位置。①主电缆内的中压电经接插件3和接插件3’穿过中继舱，同时在中继舱内部经电源转换器3转换为低压电为信号再生器供电；②主电缆内的RS485总线经接插件3进入中继舱，经信号再生器增强信号后经接插件3’连接主电缆。由于RS485总线可双向传输，上述过程亦可从接插件3’进入，从接插件3输出。
第二汇聚舱从主电缆电源线获取的中压电经电源转换器4转换为低压电，为协议转换器4供电，并经接插件4’为水声通信机供电；当第一汇聚舱与第二汇聚舱通讯链路正常时，第二汇聚舱的协议转换器保持从机状态并无动作；当第二汇聚舱检测不到第一汇聚舱发出的周期性指令时，切换自身状态为主机，通过主电缆中的RS485总线获取垂直锚系上各传感器数据，并转换为RS232，经接插件4’连接至水声通信机2，通过水声信道与接驳盒上的水声通信机1建立通讯，从而实现路径冗余。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于海底观测网的实时供电与高速数据传输潜标装置，其特征在于，所述潜标装置包括部署在海底的海床基以及与海床基上底面连接伸向海面的垂直锚系；其中，
所述海床基，用于提供重力锚的作用，使潜标装置稳定定位于布设地点；还用于从海底观测网接驳盒获取潜标装置的电能供给，并将海底观测网接驳盒发送的管控命令发送至垂直锚系，将垂直锚系采集的数据实时传输至海底观测网接驳盒；
所述垂直锚系，采用整体承力绳结合分段式主电缆的结构，用于将从海床基获取的电能传输至承力绳上布置的各传感器，并根据海床基传来的管控命令，将不同水深的传感器数据发送至海床基；
所述海床基内设置第一汇聚舱，所述第一汇聚舱通过湿插拔连接器与海底观测网接驳盒的接驳端口相连，所述第一汇聚舱包括电源转换器和协议转换器，其中，
所述电源转换器，用于将海底观测网接驳盒传输的高压电转换为中压电并发送至垂直锚系主电缆的电源线；
所述协议转换器，用于将海底观测网接驳盒发送的管控命令转换协议格式后发送至主电缆的数据总线；还用于汇集垂直锚系不同水深采集的传感器数据，转换为适于海底观测网接驳盒的通讯协议格式并发送至海底观测网接驳盒，实现海底观测网接驳盒与各传感器间的双向通讯，所述数据总线的格式包括但不限于CAN和RS485现场总线；
所述垂直锚系自顶端向下依次设置定位信标和主浮体；其中，
所述定位信标，用于当所述潜标装置浮出海面时发射定位信息，便于打捞；
所述主浮体，用于通过浮力使垂直锚系拉直；
所述主浮体内设置第二汇聚舱和水声通信机，所述第二汇聚舱用于监测第一汇聚舱发出的周期性指令，当能收到周期性指令时，第二汇聚舱为从机状态；当不能收到周期性指令时，第二汇聚舱为主机状态，通过主电缆数据总线获取垂直锚系不同水深采集的传感器数据，转换为水声通信机所需的格式并由水声通信机发送至海底观测网接驳盒内的水声通信机。
2.根据权利要求1所述的基于海底观测网的实时供电与高速数据传输潜标装置，其特征在于，所述垂直锚系设置接入舱、中继舱和传感器，其中，
所述接入舱的数量为一个或两个以上，通过卡具固定在承力绳上，通过主电缆分别连接第一汇聚舱和第二汇聚舱，并通过接入电缆与传感器连接；
所述中继舱，用于当主电缆长度过长或接入的传感器数量过多导致主电缆传输距离不足时，对传输的信号进行增强；所述中继舱位于两个接入舱之间，或接入舱与第一汇聚舱之间，或接入舱与第二汇聚舱之间，中继舱的上下两端均与主电缆相连，通过卡具固定在承力绳上。
3.根据权利要求2所述的基于海底观测网的实时供电与高速数据传输潜标装置，其特征在于，所述接入舱包括电源转换器和协议转换器，其中，
所述电源转换器，用于将主电缆电源线的中压电转换为低压电为传感器供电；
所述协议转换器，用于将管控命令由主电缆数据总线上的通讯协议格式转换为适于传感器的通讯协议格式，还用于将传感器采集的数据转换为主电缆数据总线所需的协议格式并发送至主电缆数据总线。
4.根据权利要求2所述的基于海底观测网的实时供电与高速数据传输潜标装置，其特征在于，所述中继舱包括电源转换器和信号再生器；其中，
所述电源转换器，用于将主电缆电源线的中压电转换为低压电为信号再生器供电；
所述信号再生器，用于对主电缆数据总线的双向数据均进行信号增强。
5.根据权利要求1所述的基于海底观测网的实时供电与高速数据传输潜标装置，其特征在于，在主浮体和垂直锚系之间以及垂直锚系和海床基之间分别设置一个承重电滑环，用于消除垂直锚系的扭矩。
6.根据权利要求2所述的基于海底观测网的实时供电与高速数据传输潜标装置，其特征在于，在接入舱、中继舱和传感器外部均包裹浮力块，用于将垂直锚系的水中重量调节为零。
7.根据权利要求2所述的基于海底观测网的实时供电与高速数据传输潜标装置，其特征在于，主电缆长度略长于承力绳，通过电缆卡具将主电缆固定于承力绳上，避免主电缆受力损坏，同时避免主电缆与承力绳互相扭绞。
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