CN214621165U - 一种冰下浪、潮、流数据获取装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种冰下浪、潮、流数据获取装置，属于水下数据获取技术领域，至少包括：水流数据获取模块：用于获取潮流流速信息的声学多普勒流速剖面仪、用于获取波高与水深信息的GPS浪潮仪；声学多普勒流速剖面仪的顶部中心位置设置有水准仪；信号转换模块，该信号转换模块包括声学—量子信号换能器；信号传输模块，接收信号转换模块的信号，并将接收到的信号发送至远程终端；安装声学多普勒流速剖面仪的测流架；基于海洋新能源——洋流发电的能量供给模块：能为测量仪器提供电能的洋流发电装置。本专利可实现冰底数据的自动测量与传输，适用于渤海、极地等寒区海域几年甚至几十年的长期冰底监测。

Description

一种冰下浪、潮、流数据获取装置

技术领域

本实用新型属于水下数据获取技术技术领域，具体涉及一种冰下浪、潮、流数据获取装置。

背景技术

随着世界经济的快速发展和世界局势的日趋严峻，世界各国渐渐地将发展的目光聚集到了海洋资源与两极地区。与流体相关的资料在国家发展过程中发挥着巨大的制约作用，国防、水产、养殖、航道疏浚、潮汐发电以及冰下海洋工程都离不开新兴的测算资料。在第三次科技革命的推动下，工业发展在21世纪取得了骄人的成绩，但是接踵而来的便是碳排放量的增多，全球气候变暖造成两极冰川融化，全球海平面上升。随着全球气候变暖趋势的日趋严峻，我国冬季的渤海海域以及极地地区出现了越来越多的冰水共存现象。

目前现有的对于流体活动的探测技术都是基于无冰条件下进行的，比如机器视觉波纹阻火盘表面波高测量是利用线阵CCD相机配合二维运动平台扫描的方式获取波浪图像；基于动态测波的潜艇测量海浪波高办法；通过测定水流经过时产生的水流运动能量驱动的转子扭矩估算流速的转子式流速仪；依据法拉第电磁感应定律，结合流体力学和电磁学原理，根据导电流体运动所产生的感应电动势的大小来测量流速的电磁流速仪；利用漂浮于海上的浮子随海面上下浮动，随动机构将浮子的上下运动转换为记录纸滚轴的转动，记录笔在记录纸上留下潮汐变化的曲线的浮子式验潮仪。此外，双组分单光束多普勒测速仪被用于海表面位移测量。

这些技术在无冰条件下可以有效的工作。但是如果遇到冰封季节，由于设备仪器安放困难、数据传递的延时差变长等一系列相关问题便会使这些设备的使用性能大打折扣。比如当轴向速度存在空间变化时，电磁流速仪中的电导率分布会严重影响水体流速；电容式波高传感器电容两极的电荷数易于受到环境的影响，影响采样稳定性，会产生幅值较大的波动；这些都会影响到测量数据的真实性与实时性。这些也正是本专利要解决的关键技术问题。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的不足，提出一种冰下浪、潮、流数据获取装置，用于深入冰下水中，通过上下往返运动，进而获取不同深度的多种水流数据，并将水流数据发送至远程终端。

本实用新型的目的是提供一种冰下浪、潮、流数据获取装置，包括：

水流数据获取模块，该水流数据获取模块包括：用于获取潮流流速信息的声学多普勒流速剖面仪、用于获取波高与水深信息的GPS浪潮仪；所述声学多普勒流速剖面仪的顶部中心位置设置有水准仪；

信号转换模块，该信号转换模块包括声学—量子信号换能器；

信号传输模块，接收信号转换模块的信号，并将接收到的信号发送至远程终端；

带动水流数据获取模块在水中实现上下往返运动的测流架；

为声学多普勒流速剖面仪提供电能的洋流发电装置，所述洋流发电装置通过稳压整流器分别与声学多普勒流速剖面仪、GPS浪潮仪、水准仪的供电端子连接。

优选地，所述测流架包括固定顶环支架，在所述固定顶环支架的上表面安装有握把；螺旋连接杆的上端与固定顶环支架通过螺纹连接，所述螺旋连接杆的下端通过螺旋连接端轴与支撑架上端通过螺纹连接；所述支撑架下端与固定底环支架上端固定连接；固定环的侧壁设置有均匀分布的固定槽；所述固定槽内固定安装有纵向布置的锁钉；双端连接杆的一端设置有纵向通孔，所述锁钉位于所述纵向通孔内，所述锁钉的外径小于纵向通孔的内径，所述双端连接杆的另一端设置有螺纹杆，所述螺纹杆水平贯穿支撑架与蝴蝶螺母螺纹连接；所述声学多普勒流速剖面仪套装在固定环以及固定底环支架的内部。

优选地，还包括液压支撑杆件；所述液压支撑杆件上安装有滑轨，所述测流架安装于滑轨上。

优选地，在所述液压支撑杆件两端固定有防撞块，在所述防撞块上安装有液压传感器。

优选地，所述防撞块内设置有中央处理器。

优选地，所述中央处理器的I/O端口通过数据线与液压传感器的信号输出端口连接。

优选地，所述中央处理器与液压传感器之间通过无线传输模块进行数据交互。

优选地，所述防撞块为钛合金滑块。

优选地，所述液压支撑杆件包括电液控制系统，电液控制，是指在液压传动与控制中，能够接受模拟式或数字式信号，使输出的流量或压力边续成比例地受到控制的一种控制方法。该电液控制系统包括依次电连接的指令元件、比较元件、滤波器、比例阀、液压执行器、检测反馈元件；所述洋流发电装置通过稳压整流器与电液控制系统的供电端子连接；其中：

指令元件接受来自外设输入的模拟信号，给出与控制信号同量级的反馈信号，作为一种程序控制器来命令后续操作；

比较元件把外设输入信号与反馈信号进行比较，将得出的偏差信号作为滤波器的输入信号；

滤波器对得到的偏差信号进行加工、整形和放大，使达到电–机转换装置的控制要求；

比例阀是电液控制系统的接口元件；把经过放大后的电信号转换成与其电学量成比例的力或位移信号；

检测反馈元件根据控制量的中间实际值，得出系统的反馈信号。

优选地，还包括与所述洋流发电装置连接的蓄电池组，所述蓄电池组通过电源管理器与分别与声学多普勒流速剖面仪、GPS浪潮仪、水准仪的供电端子连接。

本申请的有益效果是：

本申请能够有效测量冰下浪、潮以及各水深位置处的潮流参数，并将实测数据实时传递给数据处理终端，适用于渤海或者极地的结冰海域。此外，本申请对于海面不结冰时也同样适用。所述量子信息传递系统可对测量数据进行安全传递，从原理上避免信息泄露的风险，保证数据传递的安全稳定。本申请的有益效果主要有以下三个方面：

第一、本装置不仅适用于渤海冬季期间短期的冰底浪、潮和流的监测，而且适用于极地海域几年甚至几十年的长期冰底监测。

第二、在长期冰底监测需要重点解决的是供电问题，本专利基于海洋新能源——洋流发电装置为电液控制系统、浪潮仪以及ADCP流速仪供电，保障系统的长期稳定运行。

第三、本装置解决了长期监测的另一个关键技术问题：数据传输问题。本专利基于“墨子号”量子通信卫星技术与北斗卫星实现了冰底传感器获取到的测量数据至用户端的自动实时传输，解决了以往需要依靠测量船和传输电缆进行短期和短距离数据传输的弊端。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型优选实施例的系统框图；

图2为本实用新型优选实施例中测流架的俯视图；

图3为本实用新型优选实施例中测流架的主视图；

图4为本实用新型优选实施例的局部结构图，用于显示液压支撑杆件的结构；

图5为本实用新型优选实施例中电液控制系统的电路图；

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

请查阅图1至图5：一种冰下浪、潮、流数据获取装置，包括：

水流数据获取模块，该水流数据获取模块包括：用于获取潮流流速信息的声学多普勒流速剖面仪1、用于获取波高与水深信息的GPS浪潮仪2；所述声学多普勒流速剖面仪1的顶部中心位置设置有水准仪34；

信号转换模块，该信号转换模块包括声学—量子信号换能器3；

信号传输模块，接收信号转换模块的信号，并将接收到的信号发送至远程终端；

带动水流数据获取模块在水中实现上下往返运动的测流架6；

洋流发电装置4，所述洋流发电装置4通过稳压整流器12分别与声学多普勒流速剖面仪1、GPS浪潮仪2、水准仪34的供电端子连接。水准仪34优选的是电子水准仪。

与所述洋流发电装置连接的蓄电池组，所述蓄电池组通过电源管理器与分别与声学多普勒流速剖面仪、GPS浪潮仪、水准仪的供电端子连接。所述蓄电池组由锂—三元材料电池组成。

请查阅图2和图3，所述测流架6包括固定顶环支架25，在所述固定顶环支架的上表面安装有握把36；螺旋连接杆26的上端与固定顶环支架25通过螺纹连接，所述螺旋连接杆26的下端通过螺旋连接端轴28与支撑架29上端通过螺纹连接；所述支撑架29下端与固定底环支架27上端固定连接；固定环35的侧壁设置有均匀分布的固定槽31；所述固定槽31内固定安装有纵向布置的锁钉33；双端连接杆32的一端设置有纵向通孔，所述锁钉33位于所述纵向通孔内，所述锁钉33的外径小于纵向通孔的内径，所述双端连接杆32的另一端设置有螺纹杆，所述螺纹杆水平贯穿支撑架29与蝴蝶螺母30螺纹连接；所述声学多普勒流速剖面仪2套装在固定环35以及固定底环支架27的内部。

测流架6还包括液压支撑杆件8；所述液压支撑杆件8上安装有滑轨7，所述测流架6安装于滑轨7上。使用过程中，通过液压支撑杆件8的上下往返运动，即可带动测流架6上下往返运动。

在所述液压支撑杆件8两端固定有防撞块，在所述防撞块上安装有液压传感器10。

所述防撞块为钛合金滑块9。

钛合金滑块9内设置成空腔结构，并配备有孔隙与给排水设备38。给排水设备38的工作命令由中央处理器11提供。当测流架需要下沉时，给排水设备38往空腔内吸水，当测流架需要上浮时，给排水设备38往空腔外排水；基于阿基米德浮力定律，便可实现ADCP测流架6的沉浮。

在钛合金滑块9周围布设有液压传感器10，它能够感知水下各水位的压力，并将压力数据传输给底部的中央处理器11。中央处理器11的命令语言是由不同水位处的压力数据和通过指挥机17传来的指挥命令两部分组成。中央处理器11位于防撞块内；中央处理器11与液压传感器之间的数据交互方式有两种；

一、有线通信，所述中央处理器的I/O端口通过数据线与液压传感器的信号输出端口连接。

二、无线通信，所述中央处理器与液压传感器之间通过无线传输模块进行数据交互。

由于上述两种通信方式均为现有技术，因此此处不再赘述。

中央处理器11能根据在命令系统中预先设定好的的控制语言调整每个液压支撑杆件8的液压值，通过不同位置处液压支撑杆件8的升降完成ADCP1的位置调节，使ADCP1到达冰下指定位置。进而完成数据的采集与传递。

为保证ADCP1在水下能够保持正常的水平姿态完成流速测量，在其测流架中央设置一套水准仪34，水准仪34的实测信息与中央处理器11相连，保证ADCP1在工作时保持水平姿态。

液压支撑杆件的控制命令采用电液控制系统完成。所述液压支撑杆件8包括电液控制系统，该电液控制系统包括指令元件、比较元件、电控器、比例阀、液压执行器、检测反馈元件；所述洋流发电装置4通过稳压整流器12与电液控制系统的供电端子连接；其中：

指令元件接受来自外设输入的模拟信号，给出与控制信号同量级的反馈信号，作为一种程序控制器来命令后续操作；

比较元件把输入信号与反馈信号进行比较，将得出的偏差信号作为电控器的输入信号；

滤波器对输入信号进行加工、整形和放大，使达到电–机转换装置的控制要求；

比例阀是电液控制系统的接口元件；把经过放大后的电信号转换成与其电学量成比例的力或位移信号；

检测反馈元件根据控制量的中间实际值，得出系统的反馈信号。

本申请主要包括如下部分：

①安放在冰下的潮流测量装置声学多普勒流速剖面仪(Acoustic DopplerCurrent Profiler(简称ADCP))；

②安装在水下的波浪测量装置GPS浪潮仪；

③安装在水下的潮汐测量装置声学—量子信号换能器；

④为测量仪器进行供电的洋流发电装置；

⑤对测量仪器收集到的数据进行传递的数据传递系统5；

⑥用于安放ADCP的测流架和ADCP滑轨。

所述测量仪器和数据传递系统5要满足大约-2.0℃状况下防水、防冻、防撞的工作环境要求。

所述ADCP安装在测流架上，所述测流架与ADCP滑轨通过液压支撑杆件相连，所述液压支撑杆件两端连接有钛合金滑块，所述钛合金滑块周围布设有液压传感器10，所述钛合金滑块底部布设有一套数据中央处理器，所述ADCP与洋流发电装置通过稳压整流器相连。

ADCP测量原理是基于物理学中的声学多普勒效应。当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的波频会因波在介质中的传播而发生改变，声波频率在声源移向观察者时变高，在声源远离观察者时变低。

由于ADCP既能发射声波，又能检测回波，多普勒公式应用在ADCP中需要加倍且需要考虑流速矢量与ADCP的夹角，因此在原多普勒频移公式的基础上修正如下：

式中F_d表示声学多普勒频移(kHz)，F表示发射波频率(kHz)，v表示颗粒物沿声速方向的移动速度(m/s)，Q表示声波在水中的传播速度(m/s)，θ表示流速矢量与ADCP的夹角(rad)。

水下ADCP通过水下电机控制器控制水下电机转动，使喇叭口始终跟洋流方向保持一致，喇叭口将海底洋流汇聚，洋流汇聚后带动叶轮转动，从而使洋流发电机转动发电，产生的电能经过稳压整流器后通过供电电路给水下ADCP设备供电。洋流发电装置作为主电源优先为设备供电，当洋流流速较小导致供电量不足时，采用锂—三元材料电池集成电池组作为备用电源为设备继续供电，保证设备正常运行。

GPS浪潮仪是通过GPS原理测算波高与水深。当水面在波浪作用下水位发生变化时，由于测深仪探头吃水线到GPS天线顶端的高度不变，实时动态载波相位差分技术测得的高程将发生变化，相应地测得的水深值也改变相同的值。数据传递系统与ADCP数据传递系统一致。

为了保证实验仪器稳定，螺旋连接杆、支撑架、蝴蝶螺母以及双端连接杆的数量均为6个。

本申请采用液压支撑杆件固定ADCP测流架，支架操作时控制系统的执行机构为电液控制系统，感知系统为水下压力综合监测系统，通过对两个系统的集成，实现液压支撑杆件作业姿态的实时自适应调节。

当ADCP移动到水面不同位置时，水下压力的不同可以通过感知系统监测，将信号处理后传递给电液控制系统，可以相应地调节ADCP测流架各液压支撑杆件中液压值的大小，这就提供了使ADCP移动的动力。

为了保证ADCP能够在冰下正常工作，测流架材料必须具有一定的低温工作性能，基于我国现有材料，钛合金材料的应用前景十分广泛。因此测流架和液压支撑杆件材料采用钛合金制品。

冰下测量过程中还应考虑防撞措施，因此滑轨的上下两端采用具有抗冲击性能的材料，制作成块体结构。在块体结构周围布设有液压传感器，分布在上下块体的液压传感器能够感知上下块体所处位置处的压力。布设在底部的CPU中央处理器11根据各液压传感器传递来的压力数据，计算出压力差数据，以此控制ADCP的沉浮。中央处理器与设计的ADCP数据传递系统串联，使ADCP既可以根据水下压力差数据完成自动沉浮，也可以根据外部中枢命令完成手动沉浮，进而完成数据的采集与传递。

液压支撑杆件采用电液控制系统。电液控制系统由指令元件、比较元件、电控器、比例阀、液压执行器、检测反馈元件六部分组成。

指令元件接受来自程序员所输入的数字模拟信号，给出与控制信号同量级的反馈信号，作为一种程序控制器来命令后续操作。模拟信号既可以手动设定也可以按照相应的程序设定。

比较元件把输入信号与反馈信号进行比较，将得出的偏差信号作为电控器的输入信号。进行比较的信号必须是同类型的。如遇到不同类型的量作比较，在比较前要进行信号类型转换，例如A/D或D/A转换。

电控器的作用是对输入的信号进行加工、整形和放大，使达到电–机转换装置的控制要求。

比例阀是电液控制系统的接口元件。它把经过放大后的电信号转换成与其电学量成比例的力或位移信号。这个输出的力或位移改变了液压放大级的控制液阻，经液压放大作用，把较小的控制信号放大到足以驱动系统负载。这是整个系统的功率放大部分。

检测反馈元件本身又是一种转换器，(作为一种机电转换系统)根据控制量的中间实际值，得出系统的反馈信号。

由于液压支架周围布设的液压传感器10可以感知与上下块体位置处的压力，并将其以感应电流的形式传递给中央处理器11，中央处理器11能够通过液压传感器10对周围情况感知得出上下块体之间的压力差数据，进而做出相应反馈，故对于不同厚度的冰层，由于液压不同，ADCP都能及时调整自己的姿态。从而完成潮流测量。

为保证数据传输的准确性和实时性，波浪测量拟采用GPS浪潮仪2测量。依托北斗卫星导航系统23进行数据传递。构成系统是在基站安置一台GPS接收机，适用于所有可见GPS并将其观测数据通过北斗卫星导航系统23设备实时地发送给终端。终端对数据筛选处理后依托北斗卫星23再传递给每一个需要的客户端。GPS接收机在接收GPS基准站传输的数据后，根据相对定位原理确定其三维坐标。

GPS测出的是其在WGS-84椭球中的位置，与以往所采用的验潮仪有所不同，验潮仪测出的是相对于海底的水深。显然，GPS验潮不但包含了海水的潮汐变化，还包含了地壳的固体潮。前面已经提到在引潮力的作用下，地壳的起伏可达十几到几十厘米，因此在采用GPS验潮时，要设法修正和减小固体潮的影响。根据北斗导航卫星的授时功能便可以获取潮高与时间的关系，进而绘出流体浪高与时间的关系曲线。通过对曲线要素进行傅里叶变换，便可以得到波高和周期。

为了合理收集波浪的信息，避免浪潮仪受到风浪的破坏，拟将浪潮仪通过滑轨固定在上述设计的ADCP测流架上，在测量波浪流速数据的同时收集海水潮位信息。

请参阅图1，本申请的工作原理为：

测量作业分三步来进行，即测前的准备、外业的数据采集测量作业和数据的后处理形成成果输出。

测前的准备

(1)求转换参数。

①将GPS基准站架设在已知点上，设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、发射间隔及最大卫星使用数；关闭转换参数，输入基准站坐标(该点的WGS-84坐标)后设置为基准站。

②将GPS移动站架设在另外一个已知点上，设置好参考坐标系、投影参数、电文数据格式、接收间隔，关闭转换参数后，求得该点的固定解(WGS-84坐标)。

③通过A、B两点的WGS-84坐标及当地坐标，求得转换参数。

(2)建立任务，设置好坐标系、投影、一级变换及图的定义。

(3)作计划线。如果已经有了测量断面就要重新布设，可以根据需要进行加密。

外业的数据采集

(1)架设基准站在求转换参数时架设的基准点上，且坐标不变。

(2)将GPS接收机、数字化测深仪和便携机等连接好后，打开电源。设置并记录好设置、定位仪和测深仪接口、接收数据格式、测深仪配置、天线偏差改正及延迟校正后，就可以进行测量工作。

GPS浪潮仪2是依托于北斗卫星导航系统23设计的波浪测量装置。由于北斗卫星兼具授时、定位、短报文通讯能力于一体。因此GPS浪潮仪的所测得的波浪数据便可以依托于北斗系统直接进行数据传递。

只要RTK13测得的高程能满足测量精度要求，RTK13无验潮测深将消除波浪和潮位的影响，是一种理想的水上测量方法。根据北斗导航卫星的授时功能便可以获取波高、水深与时间的关系，进而绘出流体浪高与时间的关系曲线。

潮汐测量

潮汐测量是通过声纳测距的原理实现的。布设在海底的具有平衡装置的收发双用的声学—量子信号换能器3。通过“墨子号”以量子信号的方式接受指挥机发射的固定信号。该信号通过换能器转换，向海面发射声波，当声波到达海面时即发生反射，反射波返回到发射机后以推动换能器进行二次转换，将声波转换为量子信息在传递给指挥机。计数和控制电路测出了声波信号的往返时间变化，从而计算出海面潮汐高度的变化和潮周期。潮汐测量仪器主要有发射机、接收机、控制机、数据存贮单元组成。

当指挥机17将量子信息14传递给声学—量子信号换能器3后，声学—量子信号换能器3作为发射机自下而上发射声波，当声波发射时计数电路开始计时。声波触及到海面时会发生反射，反射声波返回到声学—量子信号换能器3时计时结束。通过计数和控制电路测算出两次时间间隔即可得到声波的传递时间。进而得到潮汐周期与的潮汐高度。

中央处理器11是作为数据前期处理装置，对经过声学—量子信号换能器3转换过的声学数据和量子数据进行前期处理整合，便于后期进行数据传递。

所述测流架6的组装过程为：

S1、将固定底环支架27与支撑架29焊接；

S2、将螺旋连接杆26通过螺旋连接端轴安装于固定底环支架27上端；

S3、将固定环35与固定槽31焊接为一体，套接于声学多普勒流速剖面仪1上；

S4、将声学多普勒流速剖面仪1放入基本固定框架中；

S5、将双端连接杆32通过锁钉33与固定槽31相连接，另一端穿过支撑架29通过蝴蝶螺母30固定；

S6、通过蝴蝶螺母30与双端连接杆32将水准仪34调节至水平，并将声学多普勒流速剖面仪1固定于基本固定框架上。

所述声学—量子信号换能器3通过“墨子号”量子通信卫星16以量子信号14的方式接受指挥机发射的固定信号；该固定信号通过声学—量子信号换能器转换，向海面发射声波，当声波到达海面时即发生反射，反射声波返回到海底后推动声学—量子信号换能器3进行二次转换，将声波转换为量子信号14，然后再传递给指挥机17；声波信号的往返时间变化通过计数电路和控制电路测算，从而计算出海面潮汐高度的变化和潮周期；

根据声纳测距原理，潮汐测量按下列公式计算：

其中：Hi为声学—量子信号换能器3到海面的垂直距离(m)，T为声学—量子信号换能器3从发射声波到接受声波的时间(s)，V为声波在海水中的传播速度(m/s)；根据不同海水所含盐分的不同，在海水温度与含盐率上对声波在海水中的传播速度进行修正：

V＝-0.119t²+3.354t+1547.114+1.137(w-35) (3)

其中：t为海水温度(℉)，w为海水含盐率(‰)，V为声波在海水中的传播速度(m/s)。

所述声学多普勒流速剖面仪1通过声学—量子信号换能器3将声波信号转换为量子信号14与指挥机17之间通过“墨子号”量子通讯卫星16进行“量子信息”传递，所述声学多普勒流速剖面仪1与指挥机17之间的数据传递通过“墨子号”量子通讯卫星16进行“量子信息”传递，指挥机17与WCF服务器19通过串口18方式进行数据传递，WCF服务器19与交换机21之间通过网口20进行数据传递，交换机21与北斗终端22之间通过串口18方式进行数据传递，北斗终端22与各个连接在客户端24的交换机21通过北斗通讯卫星23进行数据传递；交换机21与各客户端24通过网口20进行数据传递。

为了克服单光子信号在海水中传递会产生衰减的效应，本专利中拟采用具有强相干性与高亮度的激光来增强光子信号强度。激光中的每个脉冲都包含了大量的光子。采用激光衰减的方法使其变得非常微弱。让一束弱激光脉冲通过一个合适的衰减器使其产生微弱激光脉冲量子信号14，使单光子脉冲的平均光子数满足N≤0.1。在传递过程中，我们可以考虑量子纠缠对的作用，让两点间产生量子纠缠，以保证更高的安全性。另外可以采用中继器来延长传输距离。

在量子信号14传递过程中，基于不同两点间会产生量子纠缠，这样一来就可以把量子信息传送到另一个地点，而不用传递信息载体本身。量子信息传递中的最小单位是以量子比特<0>和<1>计算的。

海水粒子和海冰粒子会引起光子脉冲色散。根据已有的散射延时差计算公式，本专利在此基础上考虑进冰体的衰减效应，由海水与海冰散射引起的激光脉冲传输延时差为：

其中

其中ΔT表示激光脉冲传输延时差，T_s表示存在散射效应的脉冲传输时间，T₀表示无散射效应的脉冲传输时间，b表示海水体积散射系数，ζ表示冰的体积衰减系数，z表示海水深度，n表示海水折射率，c表示光速，γ₀表示光子与粒子单次碰撞时的散射角；m表示中间参数。

光子信号在冰下传递的过程中，存在吸收与衰减两部分的能量损耗，因此在考虑冰下量子信息传递的过程中时也要考虑到这些因素。

光子在冰体中同样存在能量吸收。光子在透过冰体时，它的一部分能量会被吸收，并且发生散射。本专利在水体散射效应的基础上考虑冰体对于光子传输路径的影响，能量吸收规律按下式拟合：

A(R)＝e^-Rσ (6)

其中R表示光子在冰体中的传输距离，即冰层厚度；α_m表示冰体的分子吸收系数，α_α表示冰体中悬浮杂质的吸收系数，β_α表示冰体中散射系数或瑞利散射系数，β_β表示冰体中悬浮颗粒物的散射系数或米氏散射系数，

表示冰体的扰动系数。

在一般衰减过程时应满足下列衰减规律

其中

表示考虑衰减效应的回波能量，

表示没有考虑衰减效应的能量，K表示衰减因子。

在某一具体路径上衰减时，考虑到衰减的微分算子

其中

表示接收功率的减少值，k_L表示衰减系数。

据此可以得到衰减系数的计算公式

并可得到衰减因子K有如下关系

其中R表示冰层厚度，单位为米(m)

基于上述理论，可以推得衰减因子的计算公式为

根据以上所述，当光子经过冰体时，在冰体中的体积衰减系数为：

其中R表示光子在冰体中的传输距离，即冰层厚度，

表示没有考虑衰减效应的能量，α_m表示冰体的分子吸收系数，α_α表示冰体中悬浮杂质的吸收系数，β_α表示冰体中散射系数或瑞利散射系数，β_β表示冰体中悬浮颗粒物的散射系数或米氏散射系数，

表示冰体的扰动系数。在确定量子信号的衰减策略之后，便可以根据不同的传播条件确定不同的发射策略。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冰下浪、潮、流数据获取装置，其特征在于，至少包括：

水流数据获取模块，该水流数据获取模块包括：用于获取潮流流速信息的声学多普勒流速剖面仪(1)、用于获取波高与水深信息的GPS浪潮仪(2)；所述声学多普勒流速剖面仪(1)的顶部中心位置设置有水准仪(34)；

信号转换模块，该信号转换模块包括声学—量子信号换能器(3)；

信号传输模块，接收信号转换模块的信号，并将接收到的信号发送至远程终端；

带动水流数据获取模块在水中实现上下往返运动的测流架(6)；

洋流发电装置(4)，所述洋流发电装置(4)通过稳压整流器(12)分别与声学多普勒流速剖面仪(1)、GPS浪潮仪(2)、水准仪(34)的供电端子连接。

2.根据权利要求1所述冰下浪、潮、流数据获取装置，其特征在于，所述测流架(6)包括固定顶环支架(25)，在所述固定顶环支架(25)的上表面安装有握把(36)；螺旋连接杆(26)的上端与固定顶环支架(25)通过螺纹连接，所述螺旋连接杆(26)的下端通过螺旋连接端轴(28)与支撑架(29)上端通过螺纹连接；所述支撑架(29)下端与固定底环支架(27)上端固定连接；固定环(35)的侧壁设置有均匀分布的固定槽(31)；所述固定槽(31)内固定安装有纵向布置的锁钉(33)；双端连接杆(32)的一端设置有纵向通孔，所述锁钉(33)位于所述纵向通孔内，所述锁钉(33)的外径小于纵向通孔的内径，所述双端连接杆(32)的另一端设置有螺纹杆，所述螺纹杆水平贯穿支撑架(29)与蝴蝶螺母(30)螺纹连接；所述声学多普勒流速剖面仪(1)套装在固定环(35)以及固定底环支架(27)的内部。

3.根据权利要求2所述冰下浪、潮、流数据获取装置，其特征在于，还包括液压支撑杆件(8)；所述液压支撑杆件(8)上安装有滑轨(7)，所述测流架(6)安装于滑轨(7)上。

4.根据权利要求3所述冰下浪、潮、流数据获取装置，其特征在于，在所述液压支撑杆件(8)两端固定有防撞块，在所述防撞块上安装有液压传感器(10)。

5.根据权利要求4所述冰下浪、潮、流数据获取装置，其特征在于，所述防撞块为钛合金滑块(9)。

6.根据权利要求4所述冰下浪、潮、流数据获取装置，其特征在于，所述防撞块内设置有中央处理器(11)。

7.根据权利要求6所述冰下浪、潮、流数据获取装置，其特征在于，所述中央处理器(11)的I/O端口通过数据线与液压传感器(10)的信号输出端口连接。

8.根据权利要求6所述冰下浪、潮、流数据获取装置，其特征在于，所述中央处理器(11)与液压传感器(10)之间通过无线传输模块进行数据交互。

9.根据权利要求3所述冰下浪、潮、流数据获取装置，其特征在于，所述液压支撑杆件(8)包括电液控制系统，该电液控制系统包括依次电连接的指令元件、比较元件、滤波器、比例阀、液压执行器、检测反馈元件；所述洋流发电装置(4)通过稳压整流器(12)与电液控制系统的供电端子连接。

10.根据权利要求1所述冰下浪、潮、流数据获取装置，其特征在于，还包括与所述洋流发电装置(4)连接的蓄电池组，所述蓄电池组通过电源管理器与分别与声学多普勒流速剖面仪(1)、GPS浪潮仪(2)、水准仪(34)的供电端子连接。

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