CN207976230U - 一种河海口水域的平均水温测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种河海口水域的平均水温测量装置，涉及河海口水域的水温监测。包括两套声站；声站设有防水机箱、工控计算机、GPS定位装置、发射换能器、功率放大器、接收换能器、前置滤波放大器、数据采集卡和电源等；工控计算机、功率放大器、前置滤波放大器、数据采集卡和电源内置于防水机箱中，工控计算机实现对整个声站的仪器控制、信号收发及数据存储和处理；电源为功率放大器、前置滤波放大器供电；所述数据采集卡、功率放大器和发射换能器依次连接构成声发射部分，数据采集卡、功率放大器和发射换能器依次连接构成声发射部分。能够实现实时、快速、全天候的对河海口大面积水域的平均水温测量，能够有效地克服现有传统单点入侵或原位式测量的缺点。
Description
技术领域
本实用新型涉及河海口水域的水温监测，尤其是涉及应用声学技术实现对河口及沿海近岸的一种河海口水域的平均水温测量装置。
背景技术
河流-近海河口湾区域是人类海洋开发活动最为集中的区域之一，研究其水温度的时空分布及规律，不仅是海洋科学的重要内容，而且对气象、养殖、水声学等学科也有重要的意义。
目前在针对河口区域及近岸的水温监测中主要采用单点入侵式的观测仪器，如温度计、超声测温仪、温盐深仪(CTD)等。此类原位式单点测量方法只能监测探头可探测范围的温度，不能准确反映出长距离、大面积水域(千米量级)的平均水温。且这些仪器采用间歇性的走航式观测，不能快速、实时地实现水温监测，而且实施观测所耗费的人力、物力成本也较高。另外，如上所述水温测量仪器在观测过程中也易受气候、时间、甚至航运等因素的影响，无法实现全天候、全气象条件的连续测量。
声学测量方法是利用声波穿透整个水体区域以获得该区域的平均温流数据(声传播过程受到所在流体状态参数的影响，携带着传播途径上水体的温度信息)，可以克服以上单点或原位式测量缺点，实现对大面积水体高精度、实时的平均水温参数监测。早在上个世纪70年代，已有相关学者采用该技术利用低频声波对大洋的平均温度进行监测；但是只局限于在大尺度条件下应用，而在河流-近海河口区域测量时则存在温度分辨率不足的问题，不能满足生产生活需要。如中国专利CN90101944公开了一种声学测温方法和装置，利用超声脉冲使之在小范围水体内传播，经过多次的反射，测出反射次数所经历的时间并由传播路径计算出声速，得到平均温度。该专利主要适用于小尺度范围测量，在对河口、沿海区域等断面进行测量时有较大的局限性。
发明内容
本实用新型的目的是提供结构简单，安装方便，适用范围广，可在近海、河口等水域进行长时间的一种河海口水域的平均水温测量装置。
本实用新型包括两套相互收发水声信号的声站；所述声站设有防水机箱、工控计算机、GPS定位装置、发射换能器、功率放大器、接收换能器、前置滤波放大器、数据采集卡和电源等；所述工控计算机、功率放大器、前置滤波放大器、数据采集卡和电源内置于防水机箱中，所述工控计算机实现对整个声站的仪器控制、信号收发及数据存储和处理；所述电源为功率放大器、前置滤波放大器供电；所述数据采集卡、功率放大器和发射换能器依次连接构成声发射部分，数据采集卡、功率放大器和发射换能器依次连接构成声发射部分。
所述防水机箱可采用塑料防水机箱，防水机箱的侧面板设有接收换能器接口、发射换能器接口、GPS脉冲信号接口和防水机箱供电接口。
所述GPS定位装置其授时精度可为20ns，单点定位精度可为1m，GPS定位装置实现对两个观测声站的定位和时间同步(生成秒脉冲并触发数据采集卡的工作状态)功能。
所述数据采集卡可至少设有1个模拟输入通道、1个模拟输出通道和一个同步触发通道，数据采集卡的采样精度可为16bit，采样率可＞400kS/s，实现计算机的数字信号与换能器的模拟信号之间的模/数、数/模转换。
所述功率放大器将数据采集卡的模拟信号进行功率放大，并输送至发射换能器，其最高工作功率可达200W。
所述发射换能器是将放大后的模拟信号转换成声信号，并进行发射，中心频率可为60kHz，带宽可为40～100kHz，水平方向无指向性。
所述滤波放大器为配合接收换能器使用；对接收换能器来的模拟信号进行前置放大与滤波，并输送至数据采集卡；滤波放大器设有滤波选择开关，工作时可在外部选择是否将信号接入滤波放大器，滤波的中心频率可为60kHz，带通可为40～100kHz。
所述接收换能器是将接收到的声信号转换成模拟电信号，并输送到滤波放大器，中心频率可为60kHz，带宽可为40～100kHz，水平方向无指向性。
所述电源可采用直流电源，直流电源可采用蓄电池或锂电池。
本实用新型的有益效果为：能够实现实时、快速、全天候的对河海口大面积水域的平均水温测量，能够有效地克服现有传统单点入侵或原位式测量的缺点，安装简单，施工难度小，且所耗费的人力物力成本低，无需架设浮标且不阻碍航道；而高频换能器的应用可以提高在河口区域尺度下所获得的平均水温参数的精度。
附图说明
图1是本实用新型实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本实用新型做进一步的说明：
参见图1，本实用新型实施例包括两套相互收发水声信号的声站；所述两套声站相同，均设有防水机箱、工控计算机、GPS定位装置、发射换能器、功率放大器、接收换能器、前置滤波放大器、数据采集卡和蓄电池等；
第一套声站设有防水机箱1、工控计算机2、GPS定位装置3、发射换能器4、功率放大器5、接收换能器6、滤波放大器7、数据采集卡8和蓄电池9。
第二套声站设有防水机箱10、工控计算机11、GPS定位装置12、发射换能器13、功率放大器14、接收换能器15、滤波放大器16、数据采集卡17和蓄电池18。
在图1中，标记M为水域。
本实施例中，两套声站均设有塑料防水机箱。工控计算机、GPS定位装置、发射换能器、功率放大器、接收换能器、前置滤波放大器、数据采集卡和蓄电池均内置于塑料防水机箱内。而塑料防水机箱的侧面板设有接收换能器接口、发射换能器接口、GPS脉冲信号接口、塑料防水机箱供电接口。
本实施例中的工控计算机实现对整个声站的所涉及的仪器控制、信号收发及数据存储和处理等工作。
所述数据采集卡与工控计算机相连，实现计算机的数字信号与换能器的模拟信号之间的模/数、数/模转换。
所述功率放大器将数据采集卡的模拟信号进行功率放大，并通过机箱侧面板上的发射换能器接口输送至发射换能器。发射换能器是将放大后的模拟信号转换成声信号，并进行水下发射。
所述接收换能器通过机箱侧面板上的接收换能器接口将接收到的水声信号转换成模拟电信号，并输送到滤波放大器。滤波放大器对接收换能器接收到的模拟信号进行前置放大与滤波，并输送至数据采集卡。
所述GPS定位装置通过机箱侧面板上的GPS脉冲信号接口与采集卡触发端口相连，实现对两个观测声站的定位和时间同步(生成秒脉冲并触发数据采集卡的工作状态)功能。
所述蓄电池可采用锂电池，锂电池为塑料防水机箱中的功率放大器和滤波放大器提供直流电源。
实际工作时，将发射换能器和接收换能器置于水下，分别进行信号发射和信号接收；GPS定位装置、防水机箱放置于岸基或水上平台；首先由第一套(1号)声站进行发射，第二套(2号)声站进行接收：所发射的信号由工控计算机生成，输送至数据采集卡，经过功率放大器进行功率放大，再由发射换能器的探头发射出去；接收换能器的探头所接收到的信号经过滤波放大器进行放大、滤波，之后通过数据采集卡进行模数转换后输送至工控计算机，并对信号进行处理并存储；完成后，再由第二套(2号)声站进行发射，第一套(1号)声站进行接收，并以此规律重复进行。观测时需要两套声站在一定的距离上，并每隔一段时间进行信号的相互同步接收和发射。
通过第一套的GPS定位装置3和第二套的GPS定位装置12测出两套仪器在观测时的距离L，以及在同一时刻测得的声传播时间分别为T+和T-，则得：
其中，CSTP为声速，由式(1)求得的CSTP代入Del Grosso声速公式：
其中，s为盐度，t为温度，P为压力；ΔCT、ΔCS、ΔCP项分别代表声速受温度、盐度、压力的影响，ΔCSTP为温度、盐度、压力对声速的联合作用；由于湖泊、河口区域的盐度可以忽略不计，在同一水平面上测量时压力差小，所以根据ΔCT即可算出温度。
Claims (10)
1.一种河海口水域的平均水温测量装置，其特征在于包括两套相互收发水声信号的声站；所述声站设有防水机箱、工控计算机、GPS定位装置、发射换能器、功率放大器、接收换能器、前置滤波放大器、数据采集卡和电源；所述工控计算机、功率放大器、前置滤波放大器、数据采集卡和电源内置于防水机箱中，所述工控计算机实现对整个声站的仪器控制、信号收发及数据存储和处理；所述电源为功率放大器、前置滤波放大器供电；所述数据采集卡、功率放大器和发射换能器依次连接构成声发射部分，数据采集卡、功率放大器和发射换能器依次连接构成声发射部分。
2.如权利要求1所述一种河海口水域的平均水温测量装置，其特征在于所述防水机箱采用塑料防水机箱。
3.如权利要求1所述一种河海口水域的平均水温测量装置，其特征在于所述防水机箱的侧面板设有接收换能器接口、发射换能器接口、GPS脉冲信号接口和防水机箱供电接口。
4.如权利要求1所述一种河海口水域的平均水温测量装置，其特征在于所述GPS定位装置其授时精度为20ns，单点定位精度为1m。
5.如权利要求1所述一种河海口水域的平均水温测量装置，其特征在于所述数据采集卡至少设有1个模拟输入通道、1个模拟输出通道和一个同步触发通道，数据采集卡的采样精度为16bit，采样率＞400kS/s。
6.如权利要求1所述一种河海口水域的平均水温测量装置，其特征在于所述功率放大器将数据采集卡的模拟信号进行功率放大，并输送至发射换能器，其最高工作功率达200W。
7.如权利要求1所述一种河海口水域的平均水温测量装置，其特征在于所述发射换能器是将放大后的模拟信号转换成声信号，并进行发射，中心频率为60kHz，带宽为40～100kHz，水平方向无指向性。
8.如权利要求1所述一种河海口水域的平均水温测量装置，其特征在于所述滤波放大器为配合接收换能器使用；对接收换能器来的模拟信号进行前置放大与滤波，并输送至数据采集卡；滤波放大器设有滤波选择开关，工作时在外部选择是否将信号接入滤波放大器，滤波的中心频率为60kHz，带通为40～100kHz。
9.如权利要求1所述一种河海口水域的平均水温测量装置，其特征在于所述接收换能器是将接收到的声信号转换成模拟电信号，并输送到滤波放大器，中心频率为60kHz，带宽为40～100kHz，水平方向无指向性。
10.如权利要求1所述一种河海口水域的平均水温测量装置，其特征在于所述电源采用直流电源，直流电源采用蓄电池或锂电池。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN111982343A (zh) * | 2020-08-19 | 2020-11-24 | 闽南师范大学 | 一种适用于河流入海区域的水温声层析方法及其装置 |
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- 2018-02-24 CN CN201820265775.5U patent/CN207976230U/zh not_active Expired - Fee Related
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