投棄式海流電場剖面儀研制

張啟升，鄧 明＊，劉 寧，孔銀鴿，關(guān)善亮

1 中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083

2 國家海洋技術(shù)中心，天津 300112

1 引 言

海流測量主要包括流速和流向測量，目前常用的海流測量設(shè)備按照其物理原理可劃分為：機(jī)械式海流計、壓力式海流計、電磁式海流計、聲學(xué)海流計等［1－2］；按照測量方式可劃分為：浮標(biāo)漂移測流法、定點(diǎn)測流法、船載走航測流法和投棄式走航測流法.投棄式海流電場剖面儀（eXpendable Current Profiler，XCP）是投棄式海洋環(huán)境剖面測量儀的一種，可快速獲取海流剖面信息［3］.同時XCP是電磁海流計的一種，采用投棄式測流法獲取海流剖面信息，因其采用地磁場作為激發(fā)場源，自身設(shè)備無須設(shè)計發(fā)射源，使得其前端探頭較為輕便.其在測量過程中采用不回收且不停航的作業(yè)方式，相對于其它海流測量設(shè)備更加快速、便捷，因此，其不但可大大提升海流探測效率，而且更加勝任于有爭議的特殊海域的海洋環(huán)境參數(shù)測量.XCP可從艦船、潛艇、飛機(jī)等搭載平臺上進(jìn)行探頭發(fā)射或人工拋投，可在下沉過程中快速測量海流及溫度剖面參數(shù)，并可由探頭下沉速度計算出相應(yīng)水深參數(shù)［4－5］.測量數(shù)據(jù)以有線或無線通訊方式傳送至搭載平臺，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可實(shí)時獲取海流及溫度隨深度變化信息.投棄式海流剖面儀為海洋調(diào)查、海洋環(huán)境預(yù)報、科學(xué)研究及軍事應(yīng)用提供了先進(jìn)高效的測量手段［6－7］.

早在20世紀(jì)70年代，西方發(fā)達(dá)國家便開始了投棄式溫度與海流速度剖面儀（XTVP）的研究.美國華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室T.B.Sanford等人于1971年提出了海水運(yùn)動感生電磁場的基本計算公式［8］，并于1978年成功研發(fā)出了第一臺投棄式溫度速度測量儀（XTVP）［9］.1979年到1980年 T.B.Sanford及其研發(fā)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合斯皮坎公司（Sippican）制作并海試了幾百個探頭，獲得了初步探測成果［10－11］.之后該公司將 XTVP更名為 XCP并投入實(shí)際生產(chǎn)，使其廣泛地應(yīng)用到海洋調(diào)查、科學(xué)研究及國防軍事之中［11－12］.采用XCP勾畫了南極繞極流分布圖［12］，探測了丹麥海峽的快速溢流水現(xiàn)象等［13］.

目前掌握XCP技術(shù)并生產(chǎn)這類儀器的企業(yè)只有美國的斯皮坎公司（Sippican）和日本的鶴見精機(jī)公司（TSK），它們共同占據(jù)了全部國際市場，并對相關(guān)國家實(shí)行技術(shù)禁運(yùn)［4］.在國家“十一五”高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）的支持下，本課題組在國內(nèi)首次對XCP中的各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，通過精密設(shè)計［14－17］自主研制成功了我國首套XCP設(shè)備，并進(jìn)行了多次海洋試驗(yàn).

2 XCP探測原理及方法

2.1 海流感生電場原理

海水運(yùn)動時，切割地磁場磁力線將產(chǎn)生感生電動勢和感生電場.在地磁場穩(wěn)定的情況下，電動勢的大小主要取決于海流速度.因此，可以通過測量海流產(chǎn)生的感生電場來研究海流的運(yùn)動特征［3］.由于在大多數(shù)情況下海流水平方向的流動比垂直方向上的流動強(qiáng)得多，因此，在實(shí)際工作中，多數(shù)情況下以研究水平海流為主.

以x軸指向東、y軸指向北、z軸向上建立直角坐標(biāo)系.當(dāng)海流V沿任意方向水平流動，感生電壓的測量方向與y軸存在一個夾角（測量方位角θ）時，水平放置的距離為L電極兩點(diǎn)間探測到的海流感生電動勢為［3－4，8］：

其中VEE、VN、N分別為海流的東向分量、東向分量的平均速度、北向分量、北向分量的平均速度，F(xiàn)z為地磁場的垂直分量.公式（1）為海流產(chǎn)生電場的理論公式，由此可知，測量的電壓除與Fz及測量電極距離L成正比外，還與海流的相對速度（V－）成正比，故通過測量ΔΦ1可獲得海流的相對速度（V－）.因?qū)嶋H中不易確定，故實(shí)際測量中得到的是海流的相對速度.

2.2 XCP構(gòu)架

XCP主要包括探頭、浮筒、探頭與浮筒之間數(shù)傳的千米漆包線、XCP無線海流數(shù)據(jù)甲板接收單元，如圖1所示.為探測不同深度的海流流速，XCP探頭通常采用自由下沉方式，在下沉運(yùn)動中探測某一地點(diǎn)由海面至海底的海流流速剖面［3］.XCP投到海面，浮筒感應(yīng)到海水，觸發(fā)釋放開關(guān)，將探頭釋放出，探頭在自身重力作用下，拖著漆包線（雙股漆包線外徑0.1mm，2km長，重約300g）快速旋轉(zhuǎn)下沉，并不斷地測得探頭所處位置的海流感生電場及溫度信息，這些數(shù)據(jù)通過漆包線實(shí)時地傳輸?shù)剿娴母⊥矁?nèi)，再由浮筒經(jīng)無線裝置轉(zhuǎn)發(fā)至搭載平臺上的無線接收單元.探頭到達(dá)海底后，漆包線自動斷開，至此完成了從海面至海底的整個測量過程.

圖1 投棄式海流電場剖面儀工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of expendable current profiler

圖2 XCP總體構(gòu)架圖Fig.2 Overall structure of XCP

XCP總體構(gòu)架圖如圖2所示.XCP探頭由探頭模擬電路板、數(shù)字電路板及各前端傳感器組成.探頭模擬電路板可實(shí)現(xiàn)對各微弱信號（Ag－AgCl電極信號、羅盤線圈信號、溫度信號）的模擬信號調(diào)理、電壓比較及A／D轉(zhuǎn)換的功能；XCP探頭數(shù)字電路主要實(shí)現(xiàn)壓頻（V／F）轉(zhuǎn)換及SoPC數(shù)字處理.XCP浮筒中內(nèi)置基于改進(jìn)型LVDS數(shù)傳的接收電路及無線發(fā)送模塊，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn).甲板接收單元采用無線接收模塊將所接收的XCP信息存儲至便攜式數(shù)據(jù)存儲上位機(jī).

2.3 XCP探測方法

根據(jù)Sanford提供的模型［8］，需在公式（1）中加入XCP探頭引起的補(bǔ)償系數(shù)如公式（2）所示.其中L為電極間距，公式（2）中的K是由于XCP探頭放置于被測海水時，對XCP探頭周邊的海流感生電場分布產(chǎn)生了影響，根據(jù)數(shù)值模擬正演計算和實(shí)驗(yàn)室物理模擬實(shí)驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)：XCP探頭的加入將使XCP海流電場傳感器上所接收的海流電場強(qiáng)度提升約1倍，故K一般情況下取值為1.

XCP探頭在下沉運(yùn)動過程中由兩電極切割水平地磁場所產(chǎn)生的感生電壓ψ2如公式（3）所示.其中FH為水平地磁場，W為XCP探頭下沉速度，L為電極間距，θ是測量電極與y軸（磁北方向）的夾角.因此，XCP海流電場傳感器上總電壓ΔUe如公式（4）所示.

電極測量到的電壓以及線圈信號經(jīng)過壓頻轉(zhuǎn)換器，變成以信號的頻率高低表示電壓大小的脈沖信號.在測量中，探頭根據(jù)羅盤線圈的信號，通過電子線路將調(diào)制的信號進(jìn)行解調(diào)，并將它們發(fā)送到海面XCP浮筒并中轉(zhuǎn)至甲板單元端無線海流數(shù)據(jù)接收器存儲下來.實(shí)際上測量儀器所記錄下來的主要數(shù)據(jù)是有用信號周期計數(shù)和羅盤線圈信號的周期計數(shù)，并且這兩類信號都被解調(diào)成同相分量In、正交分量Qn、基線量Bn，這三個信號有如下關(guān)系：分別是探頭在下降中，第n－1周和第n周的旋轉(zhuǎn)周期.

其中F（t）為電極信號與羅盤線圈信號的假定模型，如公式（6）所示.

XCP探頭內(nèi)部觸發(fā)信號生成原理圖如圖3所示，各信號的產(chǎn)生過程及其意義詳見3.3節(jié).公式（5）中

圖3 XCP探頭內(nèi)部觸發(fā)信號生成原理圖Fig.3 Schematic diagram of generation of trigger signal in XCP probe

假設(shè)調(diào)制信號的模型如公式（6）所示.

ω是探頭旋轉(zhuǎn)的角頻率，φ是其相位，C、D、E是電路的延時系數(shù)，δ是測量噪聲.

根據(jù)公式（7）由三個相鄰周期的已知Bn解方程求出C、D、E，并對公式（8）、（9）進(jìn)行電路延時校正，從而解出I′n和Q′n，如公式（10）和公式（11）所示.

由I′n和Q′n可得到有用信號的兩個分量FI和FQ分別為：

由此可得到調(diào)制信號的振幅Fa與相位Fp分別為：

根據(jù)以上步驟并結(jié)合儀器的感生電場通道和羅盤線圈通道的增益標(biāo)定，可求得感生電壓信號的幅值與相位ΔUea∠ΔUep和羅盤線圈電壓信號的幅值與相位ΔUca∠ΔUcp.根據(jù)所求得感生電壓信號和羅盤線圈電壓信號，依據(jù)公式（12）和公式（13）可計算出海流的東向與北向相對速度分量VEr、VNr.

3 XCP儀器關(guān)鍵技術(shù)

3.1 XCP海流電場傳感器

海流電場傳感器是XCP前端的傳感器部分.由于海水運(yùn)動切割地磁場所感生的電場幅度非常微弱，在中低緯度地區(qū)1cm／s海流所產(chǎn)生的感生電場量值小于1μV／m［4，10，18］.為了設(shè)計出輕便的投棄式海流剖面儀，海流電場傳感器長度一般為5cm，而為了使其測量精度達(dá)到1cm／s，則其噪聲不得大于50nV.為了實(shí)現(xiàn)1cm／s的測量精度，需要重點(diǎn)解決提取納伏級海流信號、將海流電場信號調(diào)制為窄帶單頻信號等問題，因?yàn)轭l帶越窄，海流電場傳感器噪聲越低.

海洋測量環(huán)境決定了海流電場信號必需經(jīng)過從液相介質(zhì)到固相介質(zhì)的傳遞過程，由于非同相介質(zhì)相互接觸會引起電化學(xué)噪聲，這對觀測微弱的海流感生電場信號是極為不利的［19］.因此，尋找一種在海洋環(huán)境下極化電位小且穩(wěn)定的電極材料至關(guān)重要.大量實(shí)驗(yàn)表明，將Ag－AgCl按一定比例配方以粉末冶金工藝制成的電極在海水中具有良好的電化學(xué)性能［20－21］，其原因?yàn)椋阂?、Ag在實(shí)驗(yàn)室條件下較易提煉成純態(tài)，從而排除了由于雜質(zhì)造成的“電池效應(yīng)”［19－20］，且純銀在溫度大體不變的環(huán)境下電化學(xué)穩(wěn)定性較好；二、海水導(dǎo)電物質(zhì)載體是Cl－離子，AgCl與海水接觸后，在固相與液相的接觸面上，參與導(dǎo)電的主要載體是同一化學(xué)成分，使得電化學(xué)噪聲降至最低［19－23］.

海流電場傳感器極差電位在毫伏級以下［19，23］，極差波動優(yōu)于0.1mV／24h［19，23］，雖然此極差及其波動已非常小，但相對于幾十nV級別的海流電場信號來說，極差干擾已是海流電場信號強(qiáng)度的1萬倍.為了降低海流電場信號中的噪聲，提高信噪比，需將其進(jìn)行AM調(diào)制為窄帶單頻信號，以便于后續(xù)進(jìn)行鎖相放大提取.XCP探頭尾部設(shè)計有旋轉(zhuǎn)翼，探頭以約3.85m／s的速度下沉的過程中，由海水推動旋轉(zhuǎn)翼，使探頭以16r／s的速度旋轉(zhuǎn)下沉，由此實(shí)現(xiàn)將海流電場信號調(diào)制為16Hz左右的窄帶單頻信號.同時電極的電壓噪聲頻譜密度在16Hz左右時達(dá)到了最佳性能，其值不大于10nV／Hz1／2［19－21］.

3.2 XCP探頭前端弱信號處理電路設(shè)計

為了設(shè)計出符合XCP投棄式海流剖面儀性能要求的探頭前端弱信號處理電路，在設(shè)計前需明確前端傳感器的性能及其輸出信號的特點(diǎn)，一方面需要與傳感器進(jìn)行阻抗匹配，另一方面需要濾除噪聲并提取傳感器輸出的有用信號.

XCP探頭的傳感器由兩個Ag－AgCl不極化電極和一個與電極同軸的羅盤線圈組成.探頭尾部設(shè)有旋轉(zhuǎn)翼，隨著XCP探頭在海水中下沉，旋轉(zhuǎn)翼帶動XCP探頭內(nèi)部的電極和羅盤線圈以同樣的角速度旋轉(zhuǎn)，并切割地磁場產(chǎn)生一定的電極信號和線圈信號，同時電極信號上疊加了兩種信號，一種是被調(diào)制后疊加入電極的海流感生電場信號，另一種是電極自身下沉過程中切割水平磁力線產(chǎn)生的XCP探頭下沉感生電場信號.電極信號和線圈信號的頻率、幅度與探頭機(jī)械結(jié)構(gòu)、探頭重量、線圈屬性、探頭的下沉速度及旋轉(zhuǎn)頻率存在一定的關(guān)系.

假設(shè)1cm／s的海流在20°N海域所感生的電場在極距為5cm的海流電場傳感器上產(chǎn)生的電壓差大約是20nV左右，以3.85m／s的速度下沉?xí)r，XCP探頭下沉感生電場信號幅度大約是7.3μV，此為強(qiáng)干擾信號.根據(jù)海流電場信號與羅盤線圈信號特點(diǎn)，海流電場探頭前端弱信號處理電路原理框圖如圖4所示.羅盤線圈感生電場信號不僅用于確定東向和北向，而且可部分削弱探頭下沉感生電場；前置放大電路分別對海流電場Ee和羅盤線圈感生電場Ec放大2500和250倍；電場同向分量補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)對XCP探頭下沉感生強(qiáng)干擾信號的部分抵消；因海流電場信號與羅盤線圈信號在探頭下沉中均被調(diào)制為頻率為16Hz左右的近似單頻信號，故在探頭前端弱信號處理電路中加入中心頻率點(diǎn)為16Hz左右的二階帶通電路，由此提取有效信號.

圖4 海流電場探頭前端弱信號處理電路原理框圖Fig.4 Block diagram of weak signal processing circuit functional in XCP probe

3.3 XCP探頭數(shù)字電路設(shè)計

探頭數(shù)字電路部分引入了SoPC技術(shù)，將HDL編程、軟CPU的構(gòu)建和面向軟CPU的C語言編程融入到XCP設(shè)計中，實(shí)現(xiàn)了探頭數(shù)字處理部分的快速開發(fā)、快速優(yōu)化和硬件軟件化，并提升了系統(tǒng)整體性能.探頭數(shù)字處理部分主要包括四項(xiàng)內(nèi)容：

1）海流電場和羅盤線圈后續(xù)模擬信號的數(shù)字化技術(shù)及其基于HDL模塊的數(shù)字處理與有效信息提取技術(shù)；

2）海洋溫度數(shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換及其面向于AD轉(zhuǎn)換芯片的HDL控制程序的實(shí)現(xiàn)；

3）面向于XCP投棄式海流剖面儀探頭部分的NIOS II軟CPU及其片內(nèi)外設(shè)的平臺構(gòu)建；

4）基于NIOS II的C語言編程實(shí)現(xiàn)對以上各硬件模塊的控制及有效數(shù)據(jù)的上傳.

依據(jù)XCP工作原理，探頭在水中需采集電極信號、羅盤線圈信號以及溫度信號，綜合分析后，設(shè)計XCP探頭主控板原理框圖如圖5所示，溫度信號采集電路放置于探頭模擬電路板中.其中SoPC芯片與SRAM、FLASH組成最小數(shù)字系統(tǒng)；來自探頭模擬板的信號E7、E8進(jìn)入以AD650為核心的壓頻轉(zhuǎn)換電路，輸出脈沖信號Fe、Fc；E8進(jìn)入LM393電壓比較器電路，輸出脈沖信號CR；Fe、Fc、CR信號進(jìn)入SoPC芯片，經(jīng)HDL程序處理后，生成自旋周期（T）、羅盤同向分量（Ic）、電極同向分量（Ie）、羅盤基線量（Bc）、電極基線量（Be）、羅盤正交分量（Qc）、電極正交分量（Qe）、自旋圈數(shù)等參數(shù)，24位AD轉(zhuǎn)換器CS5532用于采集溫度信息，數(shù)據(jù)最終以UART協(xié)議通過LVDS物理層接口發(fā)送至海面浮筒中.

圖5 XCP探頭數(shù)字處理主控板原理框圖Fig.5 Block diagram of digital processing main control board of XCP probe

探頭內(nèi)部各計數(shù)模塊均由CIR、CQR信號觸發(fā)，因此CIR、CQR信號的產(chǎn)生至關(guān)重要.CIR、CQR信號的產(chǎn)生過程如圖3所示.E8經(jīng)電壓比較器之后輸出CR信號，CR信號各周期為Tn，在第n個CR周期時刻，將S1信號分割為3／4個Tn－1及Tn－（3Tn－1／4），S2信號在S1信號上升沿時翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生，觸發(fā)信號CIR、CQR在S2的上下邊沿跳變時產(chǎn)生.從CR信號到CIR、CQR信號的產(chǎn)生過程均采用HDL語言程序設(shè)計實(shí)現(xiàn).

3.4 XCP海面浮筒動態(tài)數(shù)傳技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)XCP的走航式快速測量，在探頭和搭載平臺之間需有數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，此中轉(zhuǎn)站一邊接收來自XCP探頭的數(shù)據(jù)，一邊將數(shù)據(jù)實(shí)時送至搭載平臺上的甲板單元端無線海流數(shù)據(jù)接收模塊中，此中轉(zhuǎn)站即為XCP海面浮筒端.

XCP投棄式海流剖面儀的難點(diǎn)技術(shù)之一是：XCP海面浮筒動態(tài)數(shù)傳技術(shù).探頭和浮筒之間采用直徑0.1mm，長度為2km的雙股漆包線進(jìn)行通信.經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)：號稱數(shù)傳距離達(dá)10km的CAN總線技術(shù)在此種漆包線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測試，漆包線長度取1m且在靜態(tài)情況下都無法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可見在此種漆包線上進(jìn)行數(shù)傳實(shí)屬不易.

XCP探頭內(nèi)部將采集的溫度信息，與海流電場信號和羅盤線圈信號相關(guān)的數(shù)據(jù)信息通過漆包線上傳到海面浮筒單元.探頭數(shù)據(jù)發(fā)送采用1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位的UART協(xié)議，其發(fā)送波特率為4800bps，發(fā)送端物理層采用SoPC的LVDS發(fā)送器［14］.

因用于數(shù)傳的漆包線處于快速動態(tài)自動放線狀態(tài)，開始放線時，多數(shù)漆包線繞在一起，呈現(xiàn)感性，放線過程中，漆包線處于高介電常數(shù)的海水中（相對介電常數(shù)為81左右［24］），其容性越來越強(qiáng).由此導(dǎo)致LVDS信號上疊加了高噪聲，為使漆包線和浮筒之間無電氣連接，需在浮筒的接收端第一級采用高增益變壓器隔離放大，而后經(jīng)過高低通濾波，滯回比較、模擬加減比例運(yùn)算電路，以此恢復(fù)并提取出數(shù)傳數(shù)據(jù)送至浮筒內(nèi)部的SoPC中.

3.5 甲板單元端無線海流數(shù)據(jù)接收器

為了實(shí)現(xiàn)XCP搭載平臺對海流信息的回收，XCP搭載平臺上需有與海面浮筒端無線中轉(zhuǎn)站相匹配的無線海流數(shù)據(jù)接收單元，此接收單元通過USB接口將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī).為了對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時雙備份，可在甲板單元上布置兩套無線海流數(shù)據(jù)接收模塊.

3.6 上位機(jī)實(shí)時數(shù)據(jù)處理及存儲程序設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)海流電場的測量，不僅需要研發(fā)出XCP硬件設(shè)備，還需研發(fā)出與此硬件設(shè)備相配套的上位機(jī)軟件.運(yùn)用LabVIEW和Visual C＋＋軟件實(shí)現(xiàn)對海洋溫度及海流數(shù)據(jù)的實(shí)時處理、上位機(jī)存儲和顯示.Visual C＋＋程序主要是配合LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)相同功能，這在一定程度上起到原始數(shù)據(jù)的雙界面?zhèn)浞莨δ埽瑥亩行П苊庠紨?shù)據(jù)丟失的情況.

3.7 XCP主要性能指標(biāo)

1）可探測水深：2000m；

2）速度分辨率：1.5cm／s RMS；

3）垂直深度分辨率：0.3m；

4）溫度分辨率：0.1℃；

5）下沉自旋調(diào)制頻率：16Hz；

6）水下數(shù)傳速度：4.8kbps；

7）無線數(shù)傳距離：4000m.

4 XCP海洋試驗(yàn)

所研發(fā)XCP于2009年4月進(jìn)行了第一航次海洋試驗(yàn)，投放了4枚XCP探頭，首次在18°37.713′N，120°13.643′E 和17°56.168′N，119°36.741′E 南中國海海域獲取了百米內(nèi)的XCP海流電場信號.2009年9—10月進(jìn)行了XCP的第二航次海洋試驗(yàn)，投放了7枚 XCP探頭，在21°56′N，118°36′E 附近海域獲取了從海面到海下900m的XCP海流速度信息和溫度信息.2010年3月進(jìn)行了XCP的第三航次海洋試驗(yàn)，投放了7枚 XCP探頭，在21°59′N，118°10′E附近海域獲取了從海面到海下1150m的XCP海流速度信息和溫度信息，如圖6所示.

由圖6中的溫度信息可知：從海面到海下37m深處海水溫度穩(wěn)定在23.9～23.7℃之間；從海下37m到65m溫度迅速從23.7℃降至20℃以下，平均每10m溫度降低1.3℃；從海下65m到500m溫度從19.82℃降至8.69℃，平均每100m溫度降低2.56℃；至海底1151m處溫度降為3.7℃.

圖6和圖7中所采集數(shù)據(jù)的地理位置位于廣東汕頭的東偏南44.3°方位，距離廣東汕頭市約215km.圖7為ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀）所測海流流速信息，其為圖6的比測數(shù)據(jù).所用ADCP為RDI公司的OS－75K，其最大剖面深度為700m以內(nèi).對比圖6和圖7可知：XCP與ADCP所探測到的海流速度大體一致，從海下16m至海下600m深度，東向海流從－0.6m／s漸變?yōu)椋?.1m／s，北向海流從－0.5m／s漸變?yōu)椋?.96m／s，頂層海流方向與中國廣東省的海岸線大致平行，流向西南.

5 結(jié) 語

投棄式海流電場剖面儀的研制成功確保了海洋XCP探測得以順利開展.在研制方案中，主要進(jìn)行了以下幾方面的技術(shù)探索：

（1）采用AM調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)了在高噪聲背景下快速測量納伏級微弱海流電場信號.在XCP探頭旋轉(zhuǎn)下沉過程中，將海流電場信號AM調(diào)制為窄帶單頻信號，由此將有效信號頻移到海流電場傳感器的超低噪聲頻段.

（2）設(shè)計了XCP探頭前端弱信號處理電路.XCP探頭前端弱信號處理電路可對海流電場微弱信號進(jìn)行濾波提取，同時可實(shí)現(xiàn)對海流電場同向分量進(jìn)行電路補(bǔ)償，這在一定程度上克服了XCP探頭下沉引起感生電場的強(qiáng)干擾.

（3）長度2km、直徑0.1mm漆包線動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù).首創(chuàng)在復(fù)雜海洋環(huán)境下，采用2km長、直徑0.1mm動態(tài)放線的漆包線進(jìn)行數(shù)字信號傳輸，波特率達(dá)4.8kbps.探頭發(fā)送端物理層采用LVDS方式，使發(fā)送端物理硬件得以簡化.同時在XCP浮筒端設(shè)計了硬件的數(shù)據(jù)提取電路，濾除干擾，由此恢復(fù)出發(fā)送端所發(fā)送的海流電場及溫度信息數(shù)據(jù).

（4）XCP海流探測方法研究.根據(jù)XCP探頭所采集的海流電場信號與羅盤線圈信號的同相分量In、正交分量Qn、基線量Bn數(shù)據(jù)，研究了XCP海流數(shù)據(jù)探測方法及其理論基礎(chǔ)，從而計算出海流的東向與北向相對速度分量VEr、VNr.

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