一種拋棄式光纖溫深儀發(fā)射器的研究

汪 磊 金杭超

（中國船舶重工集團(tuán)第七一五研究所，浙江 杭州 310023）

0 引言

XBT 是一種可在艦船走航狀態(tài)下快速測量目標(biāo)水域的溫深特性的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于海軍反潛戰(zhàn)、國際海洋科考等領(lǐng)域[1]。隨著我國對海洋資源的重視程度逐漸提高，對國產(chǎn)XBT 產(chǎn)品的需求也日益強(qiáng)烈。

光纖XBT 是一種基于光纖傳感技術(shù)的拋棄式溫深儀，相對于電學(xué)XBT，具有使用方便、測量精度高等優(yōu)點[2]。發(fā)射器作為XBT 產(chǎn)品的投放裝置，可以使投放更便捷、更安全，對XBT 探頭的投放起著至關(guān)重要的作用，該文設(shè)計的發(fā)射器是一種配合光纖XBT 使用的投放裝置。該發(fā)射器結(jié)構(gòu)符合人機(jī)工程學(xué)原理，具有輕便、使用舒適等特點。其主要功能是固定光纖探頭投放筒，使其能快速、便捷、穩(wěn)定地發(fā)射光纖XBT 探頭，同時通過NFC 模塊識別探頭編碼，通過北斗/GPS衛(wèi)星接收模塊準(zhǔn)確定位投放點的位置信息，并可根據(jù)主機(jī)命令將2 類信息通過串口上傳至主機(jī)，達(dá)到了快速裝填、識別、定位、投放的效果，解決了以往手動投放XBT 產(chǎn)品時間長、投放地點記錄難、投放成功率低等問題。

1 發(fā)射器的設(shè)計

1.1 發(fā)射器的組成

發(fā)射器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，發(fā)射器主要由發(fā)射槍體、電池組件、電路組件組成。為滿足發(fā)射器在海上使用的環(huán)境要求，所有槍體結(jié)構(gòu)以及電路組件外殼均采用ABS 工程塑料加工而成，ABS 材質(zhì)具有優(yōu)良的綜合物理和機(jī)械性能，極好的低溫抗沖擊性能和尺寸穩(wěn)定性。此外，材質(zhì)的電性能、耐磨性、抗化學(xué)藥品性、染色性、成形加工和機(jī)械加工性能都較好，螺釘?shù)扰浼捎?16 不銹鋼材質(zhì)。

圖1 發(fā)射器組成

根據(jù)光纖XBT 探頭尺寸，將發(fā)射器槍體設(shè)計為上部開放式槍體形狀，上部采用半圓式卡槽通過緊配合將探頭牢牢卡住，同時在半圓式卡槽處設(shè)有卡扣，在裝入探頭后可將其端蓋拉住，防止投放筒往上竄出[3]。在槍體中部位置設(shè)置有手柄，手柄按人機(jī)工程學(xué)原理設(shè)計，與投放筒呈一定角度傾斜，采用大圓角設(shè)計，同時設(shè)有防滑槽，便于持握，投放時可將掛繩纏繞在手腕上，防止發(fā)射器失手跌入海中。

手柄處設(shè)有電池組件腔，用于放置電池組件，以便給電路組件中的近場感應(yīng)模塊和衛(wèi)星接收模塊供電。投放筒電池組件采用嵌入式設(shè)計，將一體式電池盒裝入發(fā)射槍手柄處的電池腔，通過2 顆沉頭螺釘固定。電池盒蓋板與手柄之間采用卡扣設(shè)計，同時設(shè)計有導(dǎo)向骨，加強(qiáng)蓋板與手柄之間的連接。手柄電池腔內(nèi)部打有穿線孔，便于電源線穿至電路腔。且在電池腔上部設(shè)有凹槽，便于摳出電池盒蓋板。該結(jié)構(gòu)簡單、固定可靠，打開電池盒蓋板即可更換電池，操作便捷。

在槍體下部設(shè)計有電路組件腔，用于安裝電路組件，電路組件包括近場感應(yīng)NFC 模塊、北斗/GPS 衛(wèi)星接收模塊，兩者通過通信電纜與解調(diào)處理機(jī)進(jìn)行信息交互。由于GPS+北斗+GLONASS 雙模陶瓷天線必須朝上放置才可以使定位模塊快速捕獲衛(wèi)星，獲取位置信息，因此，需將電路組件水平放置，且上部無金屬遮擋，電路組件可快速響應(yīng)，獲取位置信息的同時也可以迅速讀取投放筒的編碼。通過測試，NFC模塊需與電子標(biāo)簽只有保持在4.5 cm 以內(nèi)的距離才有較高的讀取率。同時，為使結(jié)構(gòu)緊湊、可靠，將供電電路、定位電路、通信電路等與NFC 模塊通過尼龍螺柱連接為一體，通過電池腔內(nèi)側(cè)壁處卡槽，將電路組件裝入電池腔，同時在電池腔前端和電路組件蓋板上打有穿線孔，便于引出電纜。電路模塊蓋板與電池腔同樣通過卡扣的形式進(jìn)行固定，同時2邊配有導(dǎo)向骨，使安裝更為牢固。電路模塊蓋板上設(shè)計有堵條，可以嵌入電路板安裝槽內(nèi)，防止電路組件在電路腔內(nèi)晃動。蓋板背面設(shè)有防滑槽，便于蓋板從槍體上推出。

1.2 工作流程

光纖XBT 發(fā)射器的工作流程如圖2 所示。為便于發(fā)射器接收GPS/北斗衛(wèi)星信息，光纖XBT 探頭一般在艦船的空曠區(qū)域進(jìn)行投放。將待投放的光纖XBT 探頭裝配在發(fā)射器半圓卡槽內(nèi)，確保其穩(wěn)固不松動。發(fā)射器和探頭分別通過RS-485通信電纜和轉(zhuǎn)接光纜與解調(diào)處理機(jī)連接。發(fā)射器上電后，電路組件中的NFC 近場感應(yīng)模塊開始工作，迅速讀取探頭的編號，并通過通信光纜傳輸至解調(diào)處理機(jī)上。同時，衛(wèi)星接收模塊接到GPS/北斗衛(wèi)星的信息后，也通過通信光纜傳輸至解調(diào)處理機(jī)上。投放人員對接收的探頭和位置信息進(jìn)行確認(rèn)，無誤后即可準(zhǔn)備進(jìn)行探頭投放。

圖2 工作流程示意圖

2 實驗分析

2.1 發(fā)射器近場感應(yīng)功能測試

預(yù)先將存有探頭編號信息的感應(yīng)標(biāo)簽粘貼在光纖XBT探頭投放筒上對應(yīng)的NFC 近場感應(yīng)模塊處。連接測試軟件，從將探頭卡入卡槽內(nèi)開始計時，軟件讀取到探頭信息時結(jié)束計時[4]。隨機(jī)挑選了5 個探頭進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表1，NFC 近場感應(yīng)模塊能準(zhǔn)確無誤地讀取探頭編號信息，且近場感應(yīng)模塊的讀取方式不受光照、遮擋等環(huán)境因素的影響，在實際使用過程中使用可靠、便捷。

表1 近場感應(yīng)識別記錄表

2.2 發(fā)射器衛(wèi)星接收測試

將發(fā)射器置于空曠處進(jìn)行該項測試。將探頭與發(fā)射器進(jìn)行裝配，啟動測試軟件進(jìn)行測試。實測中，發(fā)射器順利接收衛(wèi)星信號所用的時間約為30 s，信號強(qiáng)度連續(xù)、穩(wěn)定。為驗證發(fā)射器所接收的衛(wèi)星信號的準(zhǔn)確性，特選用了一款在檢測有效期內(nèi)的手持式GPS 接收機(jī)在同一地點進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表2。

表2 發(fā)射器定位精確測量

圖3 發(fā)射器識別及定位應(yīng)用

圖4 發(fā)射器探頭投放參數(shù)讀取

從表中可以看出，發(fā)射器的定位誤差均小于100 m，對于廣闊的海上使用環(huán)境，這樣的誤差基本可以忽略不計。

2.3 發(fā)射器海上發(fā)射測試

在某次光纖XBT 探頭海試中，對發(fā)射器的整體性能進(jìn)行了充分驗證。試驗前，把光纖XBT 探頭裝填在發(fā)射器上，正確連接轉(zhuǎn)接光纜和通信電纜，啟動設(shè)備及測試軟件。點擊顯控軟件界面的“投放參數(shù)”（如圖3 所示），發(fā)射器近場感應(yīng)模塊迅速對探頭進(jìn)行識別，讀取探頭編號并顯示探頭參數(shù)。衛(wèi)星接收模塊對探頭發(fā)射地點進(jìn)行接收定位，并顯示于顯控軟件內(nèi)，如圖4 所示。

準(zhǔn)備就緒后，投放人員對探頭進(jìn)行投放。探頭從投放筒內(nèi)以自由下落的姿態(tài)滑入海水內(nèi)，并在水中快速下降。在該過程中，探頭測量的溫度和深度數(shù)據(jù)通過光纖實時傳輸至甲板單元。當(dāng)探頭達(dá)到最大測量深度后，完成一次投放。該次海試中，共投放探頭30 個，期間發(fā)射器始終保持正常工作，探頭識別、衛(wèi)星信號接收等性能得到了充分驗證。

3 結(jié)語

該文設(shè)計了一種用于光纖XBT 產(chǎn)品投放的發(fā)射器，具備探頭固定、探頭識別、衛(wèi)星信號接收等功能，能在試驗中實現(xiàn)探頭快速、有效投放。測試中，近場感應(yīng)模塊對探頭的識別準(zhǔn)確率達(dá)到100%，衛(wèi)星接收模塊的定位精度小于100 m。