CN115824450B - 一种光纤ctd自主解调保障系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤CTD自主解调保障系统，包括：波长扫描光源、1：2光分路器、光环形器、光电转换器、数据采集卡和开发板输入端，所述波长扫描光源与1：2光分路器的输入端相连，所述1：2光分路器的一个输出口与光环形器的A口相连，另一个所述输出口与光电转换器相连，所述光环形器的B口与需要进行解调的传感器相连。本发明设计了一种光纤CTD自主解调保障系统，本系统能够挂载在潜/浮标系统、无人艇、水下滑翔器、投弃式海洋界面观测设备等小型化无人平台上，若将该光纤CTD自主解调保障系统与光纤温盐深传感器结合，成为挂载在海洋无人平台的海洋CTD自主监测系统，即可实现远程对特定位置的海水环境的实时监测。

Description

一种光纤CTD自主解调保障系统

技术领域

本发明涉及海洋环境观测设备技术领域，具体为一种光纤CTD自主解调保障系统。

背景技术

海洋环境各要素参量直接影响海洋经济开发、海洋环境保护、海上装备及设备运行效能与安全等海洋相关活动(例如海水温度参数直接决定海洋内波运动规律、海水深度参数式海洋物理状态的重要基础参量)，对海洋声/振动、磁场、温度、盐度、深度等环境要素进行原位、实时、精确监测意义重大。

在国内外海洋环境检测网络建设来看，潜/浮标系统、无人艇、水下滑翔器、投弃式海洋界面观测设备等小型化自主海洋环境检测平台是构建未来“海洋物联网”的主要平台，在水下、海气界面快速机动组网观测系统建设方面有巨大的优势。目前各型号海洋监测传感器产品多为分立式电学传感器，难以形成多参量监测传感，且国内外技术还有一定差距，部分依赖进口，还存在价格昂贵、体积大、布放困难、容易受电磁干扰等问题。

由于光纤传感器具有体积较小、精度高、成本低、复用方便等优势特点，研究小型化、智能化能够基于海上无人平台挂载应用的海洋温盐深监测系统对我国海洋环境监测方向的发展有重大意义。但是目前多参量交叉敏感的全光纤海洋温盐深传感器的通用的解调算法不可避免地存在病态矩阵问题，在使用通用的解调算法进行自主解调过程时，解调结果会出现较大的误差，这是想要研发出小型化、智能化能够挂载在海上无人平台上应用的自主海洋温盐深监测系统的一大阻碍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤CTD自主解调保障系统，本系统能够挂载在潜/浮标系统、无人艇、水下滑翔器、投弃式海洋界面观测设备等小型化无人平台上，若将该光纤CTD自主解调保障系统与光纤温盐深传感器结合，成为挂载在海洋无人平台的海洋CTD自主监测系统，即可实现远程对特定位置的海水环境的实时监测，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：一种光纤CTD自主解调保障系统，包括：波长扫描光源、1：2光分路器、光环形器、光电转换器、数据采集卡和开发板输入端，所述波长扫描光源与1：2光分路器的输入端相连，所述1：2光分路器的一个输出口与光环形器的A口相连，另一个所述输出口与光电转换器相连，所述光环形器的B口与需要进行解调的传感器相连，所述光环形器的C口与光电转换器相连，所述光电转换器输出端与数据采集卡输入端相连，所述数据采集卡输出端与开发板输入端相连，所述开发板输入端的部件控制信号输出端与波长扫描光源、光电转换器、数据采集卡的控制信号输入端相连。

优选的，所述开发板输入端具有信号输入模块、部件控制信号发送模块、信号处理解调模块、数据存储模块、网络通信模块和总控制模块，所述信号输入模块用于接收数据采集卡输入的光源原始扫描信号与传感器的输出光谱信号，所述数据存储模块可存储光源原始扫描光谱数据、信号输入模块发送的传感器的输出光谱信号数据、光源实时波长扫描光谱信号数据和信号处理解调模块发送的传感器解调数据结果。

优选的，所述信号处理解调模块能调用数据存储模块中的数据，运用光源慢漂自补偿算法、寻峰算法、人工智能算法解调模型对从数据采集卡中获取的光源原始扫描信号和传感器输出光谱数据进行处理。

优选的，所述网络通信模块负责与网络监测平台的通信，负责接收外界的指令并将其发送到总控制模块中或将数据存储模块中存储的数据上传到网络中。

优选的，所述部件控制信号发送模块发送模块用给光纤CTD自主解调保障系统中的波长扫描光源、数据采集卡部件发送控制指令。

优选的，所述总控制模块负责接收从网络通信模块中获取的外界控制指令，和向所述开发板中信号输入模块、部件控制信号发送模块、信号处理解调模块、数据存储模块和网络通信模块发送控制指令。

优选的，所述光源慢漂自补偿算法通过当前的光源输出光谱数据与记录的光源原始扫描光谱数据进行对比，算出光源的慢漂程度，由此对传感器输出光谱数据进行补偿调整

优选的，所述寻峰算法能够将光谱数据中的波谷或波峰的信息提取，并将其作为输入送入训练好的人工智能算法解调模型中

优选的，所述人工智能算法解调模型预先对由多个不同温度、压力、盐度下的传感器的输出光谱数据构成的数据集进行训练，获得光谱信息与温度、压力、盐度的映射关系并建立人工智能算法解调模型

优选的，所述光纤CTD自主解调保障系统包括温盐深传感器和光纤CTD 自主解调保障系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、该光纤CTD自主解调保障系统操作简单，技术门槛低，只需将特定温盐深传感器下放到水体中后，本自主解调保障系统将实时自主取得探头所在位置的温度、盐度、深度环境参数，并将数据进行自我保存或上传网络的功能。

2、该光纤CTD自主解调保障系统突破了传统多参量传感器交叉敏感解调的盲区，使用人工智能算法解调模型对传感器进行解调，规避了多参量交叉敏感传感器常用的多参量交叉灵敏矩阵解调算法存在的病态矩阵问题，在传感器的多个传感参量灵敏度相似时也能够进行较小误差的自主式传感。

3、该光纤CTD自主解调保障系统体积小巧，可挂载在浮标、潜标、波浪滑翔器、无人艇、无人潜航器、无人机等无人平台上，将传感器接入本发明即可实现水体温盐深参量自主式获取。

附图说明

图1为本发明光纤CTD自主解调保障系统结构示意图；

图2为本发明不同温度下传感器的输出光谱示例图；

图3为本发明基于开发板各个模块的联系结构示意图；

图4为本发明光纤CTD自主解调保障系统实施例结构示意图。

图中：101、波长扫描光源；102、1：2光分路器；103、光环形器；104、光电转换器；105、数据采集卡；106、开发板输入端；301、信号输入模块； 302、部件控制信号发送模块；303、信号处理解调模块；304、数据存储模块； 305、网络通信模块；306、总控制模块；401、温盐深传感器；402、光纤CTD 自主解调保障系统。

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。

实施例一：本发明提供一种技术方案：一种光纤CTD自主解调保障系统，包括：波长扫描光源101、1：2光分路器102、光环形器103、光电转换器104、数据采集卡105和开发板输入端106，波长扫描光源101与1：2光分路器102 的输入端相连，1：2光分路器102的一个输出口与光环形器103的A口相连，另一个输出口与光电转换器104相连，光环形器103的B口107与需要进行解调的传感器相连，光环形器103的C口与光电转换器104相连，光电转换器104输出端与数据采集卡105输入端相连，数据采集卡105输出端与开发板输入端106相连，开发板输入端106的部件控制信号输出端与波长扫描光源101、光电转换器104、数据采集卡105的控制信号输入端相连。

进一步优选的，光纤CTD自主解调保障系统是针对特定类型的温盐深传感器401所采用的，特定类型的温盐深传感器401具有外界温度、压力、盐度任一参量发生变化时，传感器输出的光谱信号会产生波长漂移的特点。

进一步优选的，波长扫描光源101为传感器提供传感所需光信号。

进一步优选的，1：2光分路器102将光源输出光分成相同的两路，一路通向光环形器为传感器提供光源信号，一路通向光电转换器104为开发板输入端106提供光源慢漂自补偿算法需要的光源实时波长扫描信号。

进一步优选的，光电转换器104将接收到的传感器输出光谱的光信号和光源原始波长扫描信号转换为电信号并输入到数据采集卡105中；

进一步优选的，数据采集卡105将从光电转换器104获取的光谱数据电信号输入开发板中。

进一步优选的，一种光纤CTD自主解调保障系统，开发板输入端106具有信号输入模块301、部件控制信号发送模块302、信号处理解调模块303、数据存储模块304、网络通信模块305和总控制模块306，信号输入模块301 用于接收数据采集卡105输入的光源原始扫描信号与传感器的输出光谱信号，并将数据发送给数据存储模块304，数据存储模块304可存储光源原始扫描光谱数据、信号输入模块301发送的传感器的输出光谱信号数据、光源实时波长扫描光谱信号数据和信号处理解调模块303发送的传感器解调数据结果，信号处理解调模块303能调用数据存储模块304中的数据，运用光源慢漂自补偿算法、寻峰算法、人工智能算法解调模型对从数据采集卡105中获取的光源原始扫描信号和传感器输出光谱数据进行处理，自主解调出传感器所处海水环境的温度、盐度、压力，其中通过压力可换算出传感器所处海水的深度。信号处理解调模块303在解调结束后将数据发送给数据存储模块304，网络通信模块305负责与网络监测平台的通信，负责接收外界的指令并将其发送到总控制模块306中或将数据存储模块304中存储的数据上传到网络中，部件控制信号发送模块302发送模块用给光纤CTD自主解调保障系统402中的波长扫描光源101、数据采集卡105部件发送控制指令，对这些部件进行设置操作与开关操作，总控制模块306负责接收从网络通信模块305中获取的外界控制指令，和向开发板中信号输入模块301、部件控制信号发送模块302、信号处理解调模块303、数据存储模块304和网络通信模块305发送控制指令。

进一步优选的，光源慢漂自补偿算法通过当前的光源输出光谱数据与记录的光源原始扫描光谱数据进行对比，算出光源的慢漂程度，由此对传感器输出光谱数据进行补偿调整。

进一步优选的，寻峰算法能够将光谱数据中的波谷或波峰的信息提取，并将其作为输入送入训练好的人工智能算法解调模型中。

进一步优选的，人工智能算法解调模型预先对由多个不同温度、压力、盐度下的传感器的输出光谱数据构成的数据集进行训练，获得光谱信息与温度、压力、盐度的映射关系并建立人工智能算法解调模型。在传感器工作时再将待测水体环境下得到的样本光谱数据送入训练好的人工智能算法模型中进行解调，即可获得人工智能算法解调模型预测的待测水体的温度、压力、盐度数据。

进一步优选的，光纤CTD自主解调保障系统实施例，包括温盐深传感器401、光纤CTD自主解调保障系统402。

实施例二：在进行水体环境参数测量前，操作人员利用网络监测平台通过开发板输入端106的网络通信模块305向开发板输入端106中的总控制模块306远程发送控制指令，开发板输入端106的总控制模块306再通过部件控制信号发送模块302对光纤CTD自主解调保障系统402中的波长扫描光源 101、数据采集卡105进行设置保证自主解调保障系统402对温盐深传感器401 的适配性，并将波长扫描光源101的原始扫描光谱数据保存到开发板输入端 106的数据存储模块304中。水体环境参数测量工作开始后，光纤温盐深传感器401被投入水中，连接好光纤温盐深传感器401的光纤CTD自主解调保障系统402被网络发送的控制指令启动，光纤CTD自主解调保障系统402开始工作后，系统中的波长扫描光源101开始向1：2光分路器102输入光信号， 1：2光分路器102将波长扫描光源101提供的光信号分成完全相同的两路光信号，一路通过光环形器103向传感器提供传感所需输入光信号，另一路向光电转换器104提供光源波长扫描信号，温盐深传感器401获得输入光信号后根据外界环境的不同通过光环形器103向光电转换器104输出回不同的光谱信号。光电转换器104将获得的两路光谱光信号转化为电信号向数据采集卡105进行输入。数据采集卡105通过开发板输入端106的信号输入模块301 将两路光谱数据输入，并保存到开发板输入端106的数据存储模块304中。开发板输入端106的信号处理模块303利用光源慢漂自补偿算法通过当前的光源输出光谱数据与记录的光源原始扫描光谱数据进行对比，算出光源的慢漂程度，由此对温盐深传感器401输出光谱数据进行补偿调整，信号处理模块303再使用寻峰算法从补偿调整过的传感器输出光谱数据获取人工智能算法解调模型进行解调需要的参数，并将这些参数送入人工智能算法解调模型中，使得模型预测解调出温盐深传感器401所处水体环境中的温度、盐度、压力参数，并将这些参数保存到开发板输入端106的数据存储模块304中。开发板输入端106中的网络通信模块305再将数据存储模块304中存储的水体环境参数上传到网络监测平台中，实现对温盐深传感器401的自主解调功能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种光纤CTD自主解调保障系统，包括：波长扫描光源、1：2光分路器、光环形器、光电转换器、数据采集卡和开发板输入端，其特征在于：所述波长扫描光源与1：2光分路器的输入端相连，所述1：2光分路器的一个输出口与光环形器的A口相连，另一个输出口与光电转换器相连，所述光环形器的B口与需要进行解调的传感器相连，所述光环形器的C口与光电转换器相连，所述光电转换器输出端与数据采集卡输入端相连，所述数据采集卡输出端与开发板输入端相连，所述开发板输入端的部件控制信号输出端与波长扫描光源、光电转换器、数据采集卡的控制信号输入端相连；所述需要进行解调的传感器为：温盐深传感器，具有外界温度、压力、盐度任一参量发生变化时，传感器输出的光谱信号会产生波长漂移的特点；

所述波长扫描光源为传感器提供传感所需光信号；所述1：2光分路器将光源输出光分成相同的两路，一路通向光环形器为传感器提供光源信号，一路通向光电转换器为开发板输入端提供光源慢漂自补偿算法需要的光源实时波长扫描信号；所述光电转换器将接收到的传感器输出光谱的光信号和光源实时波长扫描信号转换为电信号并输入到数据采集卡中；

所述开发板输入端具有信号输入模块、部件控制信号发送模块、信号处理解调模块、数据存储模块、网络通信模块和总控制模块，所述信号输入模块用于接收数据采集卡输入的光源实时波长扫描信号与传感器输出光谱的光信号，所述数据存储模块可存储光源原始扫描光谱数据、信号输入模块发送的传感器输出光谱的光信号的数据、光源实时波长扫描信号的光谱数据和信号处理解调模块发送的传感器解调数据结果；

所述信号处理解调模块能调用数据存储模块中的数据，运用光源慢漂自补偿算法、寻峰算法、人工智能算法解调模型对从数据采集卡中获取的光源实时波长扫描信号和传感器输出光谱的光信号进行处理，自主解调出传感器所处海水环境的温度、盐度、压力，其中通过压力换算出传感器所处海水的深度；

所述光源慢漂自补偿算法通过当前的光源实时波长扫描信号的光谱数据与记录的光源原始扫描光谱数据进行对比，算出光源的慢漂程度，由此对传感器输出光谱的光信号的数据进行补偿调整；

所述寻峰算法从补偿调整过的传感器输出光谱的光信号的数据获取人工智能算法解调模型进行解调需要的参数；能够将光谱数据中的波谷或波峰的信息提取，并将其作为输入送入训练好的人工智能算法解调模型中；

所述人工智能算法解调模型预先对由多个不同温度、压力、盐度下的传感器输出光谱的光信号的数据构成的数据集进行训练，获得光谱信息与温度、压力、盐度的映射关系并建立人工智能算法解调模型。

2.根据权利要求1所述的一种光纤CTD自主解调保障系统，其特征在于：所述网络通信模块负责与网络监测平台的通信，负责接收外界的指令并将其发送到总控制模块中或将数据存储模块中存储的数据上传到网络中。

3.根据权利要求1所述的一种光纤CTD自主解调保障系统，其特征在于：所述部件控制信号发送模块用于给光纤CTD自主解调保障系统中的波长扫描光源、数据采集卡部件发送控制指令。

4.根据权利要求2所述的一种光纤CTD自主解调保障系统，其特征在于：所述总控制模块负责接收从网络通信模块中获取的外界控制指令，和向所述开发板输入端中的信号输入模块、部件控制信号发送模块、信号处理解调模块、数据存储模块和网络通信模块发送控制指令。