一種座底式剖面海流計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

王冠琳 李淑江 滕飛 范斌

摘 要： 為了有效解決在近海定點(diǎn)海流座底觀(guān)測(cè)中聲學(xué)多普勒剖面海流計(jì)投放后容易傾倒的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種座底式剖面海流計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀，確保儀器投放完畢后能垂直向上工作，以正常獲取剖面海流數(shù)據(jù)。采用數(shù)字三軸加速度傳感器及液晶顯示系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可讀性、穩(wěn)定可靠性方面具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該設(shè)備實(shí)用性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單方便，提高了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的工作效率與設(shè)備投放成功率，節(jié)省了大量的人力、物力和財(cái)力。

關(guān)鍵詞： 剖面海流計(jì)； 海洋監(jiān)測(cè)； 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀； 座底觀(guān)測(cè)； 三軸加速度傳感器； 海流數(shù)據(jù)獲取

中圖分類(lèi)號(hào)： TN98?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）22?0110?03

Abstract： As the acoustics Doppler current profiler （ADCP） after being cast is easy to dump during the offshore fixed?point ocean current submersible observation， a real?time monitor for the submersible ocean current profiler is designed to ensure that the profiler can work vertically upward after being cast and obtain the data of profile ocean current normally. The digital three?axis acceleration sensor and liquid crystal display system have a certain technical advantage in aspects of data real?time readability， stability and reliability. The device has strong practicability and is easy and convenient to operate， which can substantially improve the work efficiency of the site operator and the success rate of device casting， and save a large quantity of manpower， as well as material and financial resources.

Keywords： profile ocean current meter； marine monitoring； real?time monitor； submersible observation； three?axis acceleration sensor； ocean current data acquisition

0 引 言

近幾年，國(guó)家對(duì)海洋的重視程度日益增加，針對(duì)海洋觀(guān)測(cè)的投入力度不斷加大。而剖面海流觀(guān)測(cè)是一種重要的定點(diǎn)海流觀(guān)測(cè)手段，在近海全潮觀(guān)測(cè)中，通常需要按照一定的站位設(shè)計(jì)，同時(shí)布置多個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)，以同步獲取觀(guān)測(cè)區(qū)域的剖面海流數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行潮流調(diào)和分析、工程水文計(jì)算等后續(xù)工作。這些分析和計(jì)算在眾多海岸工程建設(shè)項(xiàng)目中起到非常重要的作用[1?4]。

座底式剖面海流觀(guān)測(cè)因在觀(guān)測(cè)過(guò)程中不受船只運(yùn)動(dòng)及表層海流影響，其數(shù)據(jù)質(zhì)量更好，是淺海定點(diǎn)海流觀(guān)測(cè)中首選的觀(guān)測(cè)方式。在進(jìn)行觀(guān)測(cè)時(shí)需要將剖面海流計(jì)固定在座底儀器架上，并使用回頭繩投放至海底[5]。

根據(jù)剖面海流計(jì)工作原理，在座底儀器架布放結(jié)束后，必須保證海流計(jì)垂直向上進(jìn)行觀(guān)測(cè)，不可傾斜或倒置，否則將無(wú)法獲取觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)[6]。但在實(shí)際使用回頭繩進(jìn)行座底儀器架投放時(shí)，因受海流、船只運(yùn)動(dòng)或海底地形的影響，在儀器架落底抽取回頭繩的過(guò)程中，極易導(dǎo)致其受回頭繩牽引而傾倒。但投放人員在投放后是無(wú)法獲取儀器的投放狀態(tài)的，儀器的投放狀態(tài)只能等到觀(guān)測(cè)結(jié)束設(shè)備回收后，讀取保存在其內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后才能獲得，故這種傾倒將導(dǎo)致本次定點(diǎn)觀(guān)測(cè)失敗，從而對(duì)整個(gè)區(qū)域的同步海流觀(guān)測(cè)產(chǎn)生影響。在某些情況下，甚至不得不對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行重新觀(guān)測(cè)，浪費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。

針對(duì)此問(wèn)題，提出一種新型海流計(jì)投放狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備，在儀器架投放過(guò)程中對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以確保儀器架投放完畢后，安裝于儀器架內(nèi)海流計(jì)垂直向上，從而正常獲取剖面海流數(shù)據(jù)。

1 整體設(shè)計(jì)

座底式剖面海流計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀集供電與管理、顯示于一體，除支持?jǐn)?shù)字三軸加速度傳感器外，也支持溫度、深度等其他傳感器，具有良好的可擴(kuò)展性?？梢詮V泛地應(yīng)用在海洋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，能夠在有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取要求的多種場(chǎng)合使用。

座底式剖面海流計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀由水下單元與水上單元兩部分組成。水下單元負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集三維姿態(tài)或其他傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)簡(jiǎn)單質(zhì)量控制后通過(guò)連接電纜將信號(hào)傳入水上單元中。水上單元在對(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后，通過(guò)液晶顯示模塊輸出給用戶(hù)。

監(jiān)測(cè)儀采用目前穩(wěn)定通用的STC89C52RC單片機(jī)，及由ADI公司生產(chǎn)的ADXL345型三軸加速度傳感器。該傳感器采用MEMS技術(shù)，具有SPI和I2C數(shù)字輸出功能的三軸加速度計(jì)，可同時(shí)輸出三軸坐標(biāo)，輕松判定傾斜姿態(tài)[7?12]。其同時(shí)具有小巧輕薄、超低功耗、可變量程、高分辨率等特點(diǎn)，特別適合于安裝在水下空間緊張的耐壓殼體中使用，同時(shí)可顯著降低系統(tǒng)功耗。

2 水下單元設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀的水下單元需要安裝在剖面海流計(jì)的儀器架上，并與其一同下放至水下。在上述過(guò)程中，持續(xù)提供數(shù)字三軸加速度傳感器（或其他可選傳感器）數(shù)據(jù)。故整個(gè)水下單元安裝在一耐壓密封圓柱形殼體中。

為保證系統(tǒng)的易用性和穩(wěn)定性，水下單元不設(shè)計(jì)單獨(dú)的電池，而是采用降壓電路將水上單元輸送下來(lái)的高壓電降壓，以供給單片機(jī)和傳感器使用。采用降壓供電的方式主要是考慮到如果水深較大，水下單元和水上單元的連接線(xiàn)較長(zhǎng)，從而需要盡可能降低電源在傳輸過(guò)程中的損耗。

安裝于水下單元電路板的單片機(jī)具有數(shù)據(jù)處理功能，能夠先將采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的質(zhì)量控制，然后通過(guò)通信端口使用同一根五芯電纜與水上單元連接傳輸。水下單元的組件示意圖如圖1所示。

3 水上單元設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀的水上單元在現(xiàn)場(chǎng)布放設(shè)備的調(diào)查船上使用，主要是提供水下傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和供電功能。因海上工作環(huán)境復(fù)雜，為確保各組件正常工作，水上單元安裝在一防潑濺密封殼體中。

水上單元安裝有1節(jié)勁量9 V 6LR61型堿性無(wú)汞電池，可為系統(tǒng)提供9 V電壓供電。在水上和水下單元中均安裝有電源降壓模塊將電壓從9 V降至5 V供系統(tǒng)使用。選用9 V電壓供電再降壓使用的解決方案，目的是降低由水上單元向水下單元供電過(guò)程中在電纜上造成的電壓損耗。同時(shí)，該9 V電池體積較小，極大增強(qiáng)了水上單元的便攜性。水上單元的組件示意圖如圖2所示。

4 設(shè)備使用方法

座底式海流計(jì)投放前，做好準(zhǔn)備工作，將其穩(wěn)固安裝于儀器架上，將本監(jiān)測(cè)儀水下單元安裝基座垂直剛性固定于海流計(jì)外殼上，將水下單元放入安裝基座并塞緊，確保其不會(huì)在儀器架投放過(guò)程中脫落。

安裝水上單元電池，檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示正常后投放，在投放過(guò)程中，注意不要讓水下單元與水上單元之間的連接電纜受力，以免提前造成水下單元從安裝基座上脫出。使用回頭繩與回收繩共同投放儀器架，在儀器架落底后，檢查水上單元讀數(shù)，無(wú)誤后收回回頭繩。在回頭繩完成回收后，再次確認(rèn)水上單元讀數(shù)。如顯示姿態(tài)正常，則完成投放。如顯示數(shù)據(jù)超過(guò)正常值，則表示在回頭繩回收過(guò)程中儀器架被帶倒，此時(shí)使用回收繩將儀器架回收至船上，重新使用回頭繩再次投放，直至確認(rèn)投放成功。投放結(jié)束后，使用并聯(lián)于水下單元與水上單元傳輸電纜上的細(xì)繩拉動(dòng)水下單元，使其克服與安裝基座之間的摩擦力自行脫落，隨后回收水下單元。設(shè)備使用過(guò)程示意圖如圖3所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的座底式剖面海流計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀主要應(yīng)用于海洋觀(guān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，用于在座底式剖面海流計(jì)投放過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其姿態(tài)，確保正確投放監(jiān)測(cè)設(shè)備，正常獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，避免在觀(guān)測(cè)結(jié)束后因設(shè)備投放失敗導(dǎo)致無(wú)法獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而在某些情況下導(dǎo)致不得不對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行重新觀(guān)測(cè)的情況出現(xiàn)。設(shè)備采用模塊化處理方式，設(shè)計(jì)有獨(dú)立的傳感器及降壓模塊，并設(shè)計(jì)有開(kāi)放式接口，以便在某些有特殊需求的情況下能方便加裝其他傳感器，而不需要重新設(shè)計(jì)水下單元。經(jīng)過(guò)多次實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性均可達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)設(shè)計(jì)要求。

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