CN111323611A - 一种具备感应传输通讯方式的深海海流计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海流计技术领域，且公开了一种具备感应传输通讯方式的深海海流计，包括锚定物和浮标体，其特征在于：所述锚定物和浮标体之间由通信钢缆连接，所述浮标体上设有感应传输调制解调器，所述通信钢缆上间隔设有若干感应传输海流计。本发明可以部署在浮标锚系***和潜标锚系***中，或集成在综合性的海洋观测平台上，基本解除了传统海流计的平台应用限制，且可以通过感应传输模块实时上传至平台，极大的提升了数据的时效性与应用价值，避免了传统深海海流计应用中数据存储和访问存在的问题。本发明还公开了一种具备感应传输通讯方式的深海海流计的测量方法。

Description

一种具备感应传输通讯方式的深海海流计及其测量方法

技术领域

本发明涉及海流计技术领域，具体为一种具备感应传输通讯方式的深海海流计及其测量方法。

背景技术

海流计是一种测量海水流速和流向的仪器，安装在Argo浮标、锚定资料浮标、潜标、海床基、自治水下机器人(AUV)、水下滑翔机、调查船等海洋测流平台上用于海流观测。基于工作原理的差别，传统海流计可分为机械海流计、电磁海流计、声学多普勒海流计、声学时差海流计等类型。

机械海流计在所有类型的海流计中出现的时间最早，是过去海洋观测的主要装备。由于机械海流计存在接触测量扰流、低流速下转子或旋桨停转、机械转子惯性大等问题，机械海流计测流精度不高，且无法测量低速流和快速变化的湍流。由于原理的限制，机械海流计无法测量三维流速。此外，机械海流计的运动部件在海水中容易发生锈蚀、卡死等故障。因此，随着声学多普勒测流仪器的推广应用，机械海流计不再是主流的测流仪器，关于机械海流计的研究也逐渐减少。但是，机械海流计由于其性能可靠、结构简单、使用方便、价格低廉，目前仍被应用于水文测量中对流速测量精度要求不高的场合。

电磁海流计的工作原理是基于人工交变磁场中的海流流速和感应电动势之间具备一定定量关系，其流速测量精度仅为测量值的±10％。电磁海流计没有机械磨损部件，对海水中的微粒不敏感，故电磁海流计有性能可靠、鲁棒性好等突出优点。但电磁海流计的传感器结构影响被测流场，海水中存在的电磁干扰和海水电导率的变化会导致测得的电压产生零漂，故电磁海流计测流精度不高。此外，电磁海流计测量前需校准，故操作比较繁琐。实验研究表明，电磁海流计在5～20Hz的低频宏观湍流中频率响应良好，但在大湍流强度的环境中测量误差较大，故适用于测量表面波控碎波区和内陆架等环境中的流速，不适用于近底浅水环境和近岸沉积物运输等大湍流强度场合的流速测量。

声学多普勒海流计利用声学多普勒原理，测量分层水介质散射信号的频移信息，并利用矢量合成方法获取海流垂直剖面水流速度，即水流的垂直剖面分布。对被测验流场不产生任何扰动，也不存在机械惯性和机械磨损，能一次测得一个剖面上若干层流速的三维分量和绝对方向，是一种融合了水声物理、水声换能器设计、电子技术和信号处理等多领域技术的新型水声测流仪器。根据工作方式和应用场景不同，声学多普勒流速剖面仪与单点式声学多普勒海流计。声学多普勒海流计采用遥测的测量方式，不扰流，故流速测量精度和效率都很高；且声学多普勒流速剖面仪一次可以测量整个流速剖面。声学多普勒海流计频率响应特性很好，特别适用于测量快速变化的湍流，尤其是单点式声学多普勒海流计能对边界层做非常精确的测量。但是，声学多普勒海流计存在一定的测量盲区。此外，由于声学多普勒海流计是通过测量散射体的速度测海水流速的，故只能用于测量沿海等散射体浓度高于一定值海域的流速，在极深水和极地等散射体浓度过低的海水中无法应用。

声学时差海流计利用声信号相位差的方法测量海水流速。声学时差海流计频率响应好、无测量死区、测速不依赖反射体、对气泡不敏感，能够测量三维流速，特别适用于湍流、低速流、纯净流、碎波区的流速测量。虽然声学时差海流计也存在扰流问题，但在测流时舍弃了受干扰最大的测量声轴，因此仍有很高的测流精度。此外，声学时差海流计无活动部件，性能可靠。近年来，有研究表明声学时差海流计在气泡浓度超过25％的环境中测量误差较大。

现有的各种类型的海流计均存在各种各样的问题。

从使用方式上表现为不耐高压或无法在深水区域工作，功耗普遍较高，工作时长较短；一般只能单台部署，不能链式组合使用测量海流剖面；受平台限制较多，有的不能船载应用有的不能浮标应用有的不能潜标应用；从实际测量上表现为测量精度和测量范围有一定限制，易受使用环境影响，稳定性一般，存在盲区等；从数据存储、传输、应用上表现为只能选择自容式或只读式一种，无法做到远程实时接收处理数据，数据的时效性与应用价值不能进一步提高。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种具备感应传输通讯方式的深海海流计，可以部署在浮标锚系***和潜标锚系***中，或集成在综合性的海洋观测平台上，基本解除了传统海流计的平台应用限制，且可以通过感应传输模块实时上传至平台，极大的提升了数据的时效性与应用价值，避免了传统深海海流计应用中数据存储和访问存在的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种具备感应传输通讯方式的深海海流计，包括锚定物和浮标体，所述锚定物和浮标体之间由通信钢缆连接，所述浮标体上设有感应传输调制解调器，所述通信钢缆上间隔设有若干感应传输海流计。

进一步的，所述感应传输海流计由感应传输模块、控制电路模块、电源模块、海流计探头模块组成，所述海流计探头模块与控制电路模块之间通过刚性连接件连接，所述控制电路模块控制电源模块的启闭、感应传输模块的启闭以及海流计探头模块的启闭，所述感应传输模块传输海流计探头模块的采集信息。

更进一步的，所述感应传输模块设有磁环。

更进一步的，所述海流计探头模块以及控制电路模块与刚性连接件的连接处均采用水密接头连接。

更进一步的，所述海流计探头模块连接有换能器阵。

更进一步的，所述海流计探头模块为单点式声学多普勒海流计。

进一步的，所述感应传输海流计通过抱箍与通信钢缆连接。

进一步的，所述感应传输海流计设有不锈钢耐压防水外壳。

本发明还提供了一种具备感应传输通讯方式的深海海流计的测量方法，包括以下步骤：

1)经过工作周期T时间，控制电路模块被闹钟唤醒；

2)初始化；

3)给海流计探头模块上电，并等待海流计探头模块初始化完成；

4)向海流计探头模块发送modbus指令，索要数据；

5)等待海流计探头模块的数据；

6)索要数据成功，给海流计探头模块断电；

7)存储数据；

8)将数据通过感应传输模块上传至服务器；

9)休眠，进入下一个工作循环。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种感应传输式深海海流计，具备以下有益效果：

1、形成一种感应传输式深海海流计，使之可以部署在浮标锚***和潜标锚***中，或集成在综合性的海洋观测平台上，基本解除了传统海流计的平台应用限制；

2、测量得到的海流计数据通过感应传输模块实时上传至平台，并通过卫星最终传送至数据中心，极大的提升了数据的时效性与应用价值，避免了传统深海海流计应用中数据存储和访问存在的问题；

3、在最大工作深度区间范围内，海流计可以在不同深度上进行阵列安装，形成深海海流计观测链，进而可以同时获取多个深度上的海流数据，大大提升数据获取的效率，进一步拓展部署方式与应用范围；

4、具备感应传输通讯方式的深海海流计采用模块化设计，模块化组装，具有体积小、重量轻、安装维护便捷，经济性高的特点；

5、采用高性能的不锈钢耐压防水外壳，使设备具备了深海工作能力，最大工作深度达到1000m，突破了大部分的传统海流计的最大工作深度区间。这个深度也是最具科研与应用价值的海流数据分布的区间。

6、采用的是单点式声学多普勒海流计探头，内部采用创新性的低功耗电路设计，降低了整体功耗，提升了工作时长，按照标准配置，其在深海中工作中的时间最低可以达到一年。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明感应传输海流计的结构示意图；

图3为本发明电源电路图；

图4为本发明逻辑***电路图；

图5为本发明感应传输电路图；

图6为本发明控制电路图；

图中：1浮标体、2通信钢缆、3海流计、4锚定物、5换能器阵、6水密接头、7控制电路和电源仓、8感应传输模块、9磁环、10抱箍、11刚性连接件、12、海流计探头模块。

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。

请参阅图1，一种具备感应传输通讯方式的深海海流计，包括锚定物4和浮标体1，锚定物4和浮标体1之间由通信钢缆2连接，浮标体1上设有感应传输调制解调器，通信钢缆2上间隔设有若干感应传输海流计3。

请参阅图2，感应传输海流计3由感应传输模块8、控制电路模块、电源模块、海流计探头模块12组成，海流计探头模块12与控制电路模块之间通过刚性连接件11连接，控制电路模块、电源模块设于控制电路和电源仓7内，控制电路模块控制电源模块的启闭、感应传输模块的启闭以及海流计探头模块的启闭，感应传输模块传输海流计探头模块的采集信息。感应传输模块设有磁环9。海流计探头模块以及控制电路模块与刚性连接件的连接处均采用水密接头6连接。海流计探头模块连接有换能器阵5。海流计探头模块为单点式声学多普勒海流计。感应传输海流计通过抱箍10与通信钢缆连接。感应传输海流计设有不锈钢耐压防水外壳。

本发明的电路由一个主控MCU芯片，3个电源控制模块，1个感应传输模块，1个RS-232通信模块和4个LED指示灯组成，其中三个指示灯通过端口LED_INDUCT_SEND、LED_INDUCT_RECEIVE、LED_GREEN受控于MCU。

在***上电后，电池电源经保护电路(限制电压、电流，防反接功能)供应给3个电源模块和RS-2323通信模块，逻辑电源模块将输入电压降压到3.3V，MCU主控芯片上电工作；感应传输和海流计电源模块接入电源后由MCU相应管脚EN_POW_SENSOR_CURRENT、EN_POW_INDUCT_TRANS控制是否工作，在待机状态下两个管脚电平为低，两个模块不会输出电压，RS-232上电后处于能够接收来自通信线上的串行通信数据并反馈给MCU处理。

***开始工作时，由MCU使能EN_POW_SENSOR_CURRENT端口，打开海流计电源模块，等到传感器上电后，经过海流计通讯模块进行电平转换，由232_T_SENSOR_CURRENT和232_R_SENSOR_CURRENT两个端口向传感器发送指令，期间保持RS-2323通信模块的发送端口EN_232_T_SENSOR_CURRENT处于使能状态，等到数据返回后，关闭海流计电源。

MCU通过TXD_INDUCT_TRANS和RXD_INDUCT_TRANS两个端口与感应传输模块进行通讯。MCU通过EN_T_INDUCT端口控制该模块的收发状态，通常状态下该端口处于低电平(即接受状态)，接收到传感器数据后，MCU使能EN_POW_INDUCT_TRANS，感应传输模块开始工作，并等待感应传输总线的命令，接收到主机控制命令后，MCU将端口EN_T_INDUCT设置为高电平(即模块处于发送状态)，将采集的数据通过感应传输总线发送给主机，通信结束后，关闭感应传输模块发送端口和电源，等待下次工作。

感应传输海流计工作过程如下：

1.感应传输海流计被上电、进行初始化；

2.初始化完成后，进入等待状态，等待串口的测量指令(modbus访问寄存器指令)；

3.接收到测量指令(modbus访问寄存器指令)后，立即开始进行测量。测量完成后，将测量结果按照modbus格式，反馈给主机；

4.继续回到等待状态(有可能会再次收到串口测量指令，也可能没有)

5.被断电；

整个***实际上是一种周期性的工作方式，控制模块(海流计的上位机)被设定一个工作周期T(通常是一个小时)，周期性的索要海流计的数据，并存储这些数据，同时将数据上传。控制电路模块具体的工作过程：

1.经过工作周期T时间，控制电路模块被闹钟唤醒；

2.初始化；

3.给海流计探头模块上电，并等待海流计探头模块初始化完成；

4.向海流计探头模块发送modbus指令，索要数据；

5.等待海流计探头模块的数据(如果在固定时间内没有收到海流计探头模块的数据，可能会索要多次)；

6.索要数据成功(或者多次重试，彻底失败)，给海流计探头模块断电；

7.存储海流数据至Flash存储器；

8.将数据通过感应传输模块上传至服务器(平台、浮标或者潜标控制中心)；

9.休眠，进入下一个工作循环。

本发明设计一种感应传输式深海海流计，使之可以部署在浮标锚***和潜标锚***中，或集成在综合性的海洋观测平台上，基本解除了传统海流计的平台应用限制。测量得到的海流计数据可以通过感应传输模块实时上传至平台，并通过卫星最终传送至数据中心，极大的提升了数据的时效性与应用价值，避免了传统深海海流计应用中数据存储和访问存在的问题。在最大工作深度区间范围内，海流计可以在不同深度上进行阵列安装，形成深海海流计观测链，进而可以同时获取多个深度上的海流数据，大大提升数据获取的效率，进一步拓展部署方式与应用范围。具备感应传输通讯方式的深海海流计采用模块化设计，模块化组装，具有体积小、重量轻、安装维护便捷，经济性高的特点。采用高性能的不锈钢耐压防水外壳，使设备具备了深海工作能力，最大工作深度达到1000m，突破了大部分的传统海流计的最大工作深度区间。这个深度也是最具科研与应用价值的海流数据分布的区间。

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 (9)

1.一种具备感应传输通讯方式的深海海流计，包括锚定物和浮标体，其特征在于：所述锚定物和浮标体之间由通信钢缆连接，所述浮标体上设有感应传输调制解调器，所述通信钢缆上间隔设有若干感应传输海流计。

2.根据权利要求1所述的具备感应传输通讯方式的深海海流计，其特征在于：所述感应传输海流计由感应传输模块、控制电路模块、电源模块、海流计探头模块组成，所述海流计探头模块与控制电路模块之间通过刚性连接件连接，所述控制电路模块控制电源模块的启闭、感应传输模块的启闭以及海流计探头模块的启闭，所述感应传输模块传输海流计探头模块的采集信息。

3.根据权利要求2所述的具备感应传输通讯方式的深海海流计，其特征在于：所述感应传输模块设有磁环。

4.根据权利要求2所述的具备感应传输通讯方式的深海海流计，其特征在于：所述海流计探头模块以及控制电路模块与刚性连接件的连接处均采用水密接头连接。

5.根据权利要求2所述的具备感应传输通讯方式的深海海流计，其特征在于：所述海流计探头模块连接有换能器阵。

6.根据权利要求2所述的具备感应传输通讯方式的深海海流计，其特征在于：所述海流计探头模块为单点式声学多普勒海流计。

7.根据权利要求1所述的具备感应传输通讯方式的深海海流计，其特征在于：所述感应传输海流计通过抱箍与通信钢缆连接。

8.根据权利要求1所述的具备感应传输通讯方式的深海海流计，其特征在于：所述感应传输海流计设有不锈钢耐压防水外壳。

9.权利要求1-8所述的具备感应传输通讯方式的深海海流计的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)经过工作周期T时间，控制电路模块被闹钟唤醒；

2)初始化；

3)给海流计探头模块上电，并等待海流计探头模块初始化完成；

4)向海流计探头模块发送modbus指令，索要数据；

5)等待海流计探头模块的数据；

6)索要数据成功，给海流计探头模块断电；

7)存储数据；

8)将数据通过感应传输模块上传至服务器；

9)休眠，进入下一个工作循环。

Images