一种座底式剖面海流计实时监测仪设计

王冠琳 李淑江 滕飞 范斌

摘 要： 为了有效解决在近海定点海流座底观测中声学多普勒剖面海流计投放后容易倾倒的问题，设计一种座底式剖面海流计实时监测仪，确保仪器投放完毕后能垂直向上工作，以正常获取剖面海流数据。采用数字三轴加速度传感器及液晶显示系统，在数据实时可读性、稳定可靠性方面具有一定的技术优势。该设备实用性强，操作简单方便，提高了现场操作人员的工作效率与设备投放成功率，节省了大量的人力、物力和财力。

关键词： 剖面海流计； 海洋监测； 实时监测仪； 座底观测； 三轴加速度传感器； 海流数据获取

中图分类号： TN98?34 文献标识码： A 文章编号： 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

近几年，国家对海洋的重视程度日益增加，针对海洋观测的投入力度不断加大。而剖面海流观测是一种重要的定点海流观测手段，在近海全潮观测中，通常需要按照一定的站位设计，同时布置多个观测点，以同步获取观测区域的剖面海流数据，并以此为基础进行潮流调和分析、工程水文计算等后续工作。这些分析和计算在众多海岸工程建设项目中起到非常重要的作用[1?4]。

座底式剖面海流观测因在观测过程中不受船只运动及表层海流影响，其数据质量更好，是浅海定点海流观测中首选的观测方式。在进行观测时需要将剖面海流计固定在座底仪器架上，并使用回头绳投放至海底[5]。

根据剖面海流计工作原理，在座底仪器架布放结束后，必须保证海流计垂直向上进行观测，不可倾斜或倒置，否则将无法获取观测数据[6]。但在实际使用回头绳进行座底仪器架投放时，因受海流、船只运动或海底地形的影响，在仪器架落底抽取回头绳的过程中，极易导致其受回头绳牵引而倾倒。但投放人员在投放后是无法获取仪器的投放状态的，仪器的投放状态只能等到观测结束设备回收后，读取保存在其内的数据进行分析后才能获得，故这种倾倒将导致本次定点观测失败，从而对整个区域的同步海流观测产生影响。在某些情况下，甚至不得不对整个区域进行重新观测，浪费大量的人力、物力和财力。

针对此问题，提出一种新型海流计投放状态检测设备，在仪器架投放过程中对其状态进行实时监测，以确保仪器架投放完毕后，安装于仪器架内海流计垂直向上，从而正常获取剖面海流数据。

1 整体设计

座底式剖面海流计实时监测仪集供电与管理、显示于一体，除支持数字三轴加速度传感器外，也支持温度、深度等其他传感器，具有良好的可扩展性。可以广泛地应用在海洋实时监测中，能够在有实时数据获取要求的多种场合使用。

座底式剖面海流计实时监测仪由水下单元与水上单元两部分组成。水下单元负责实时采集三维姿态或其他传感器数据，经简单质量控制后通过连接电缆将信号传入水上单元中。水上单元在对信号进行简单处理后，通过液晶显示模块输出给用户。

监测仪采用目前稳定通用的STC89C52RC单片机，及由ADI公司生产的ADXL345型三轴加速度传感器。该传感器采用MEMS技术，具有SPI和I2C数字输出功能的三轴加速度计，可同时输出三轴坐标，轻松判定倾斜姿态[7?12]。其同时具有小巧轻薄、超低功耗、可变量程、高分辨率等特点，特别适合于安装在水下空间紧张的耐压壳体中使用，同时可显著降低系统功耗。

2 水下单元设计

实时监测仪的水下单元需要安装在剖面海流计的仪器架上，并与其一同下放至水下。在上述过程中，持续提供数字三轴加速度传感器（或其他可选传感器）数据。故整个水下单元安装在一耐压密封圆柱形壳体中。

为保证系统的易用性和稳定性，水下单元不设计单独的电池，而是采用降压电路将水上单元输送下来的高压电降压，以供给单片机和传感器使用。采用降压供电的方式主要是考虑到如果水深较大，水下单元和水上单元的连接线较长，从而需要尽可能降低电源在传输过程中的损耗。

安装于水下单元电路板的单片机具有数据处理功能，能够先将采集到的传感器数据进行简单的质量控制，然后通过通信端口使用同一根五芯电缆与水上单元连接传输。水下单元的组件示意图如图1所示。

3 水上单元设计

实时监测仪的水上单元在现场布放设备的调查船上使用，主要是提供水下传感器数据的实时显示和供电功能。因海上工作环境复杂，为确保各组件正常工作，水上单元安装在一防泼溅密封壳体中。

水上单元安装有1节劲量9 V 6LR61型碱性无汞电池，可为系统提供9 V电压供电。在水上和水下单元中均安装有电源降压模块将电压从9 V降至5 V供系统使用。选用9 V电压供电再降压使用的解决方案，目的是降低由水上单元向水下单元供电过程中在电缆上造成的电压损耗。同时，该9 V电池体积较小，极大增强了水上单元的便携性。水上单元的组件示意图如图2所示。

4 设备使用方法

座底式海流计投放前，做好准备工作，将其稳固安装于仪器架上，将本监测仪水下单元安装基座垂直刚性固定于海流计外壳上，将水下单元放入安装基座并塞紧，确保其不会在仪器架投放过程中脱落。

安装水上单元电池，检测数据显示正常后投放，在投放过程中，注意不要让水下单元与水上单元之间的连接电缆受力，以免提前造成水下单元从安装基座上脱出。使用回头绳与回收绳共同投放仪器架，在仪器架落底后，检查水上单元读数，无误后收回回头绳。在回头绳完成回收后，再次确认水上单元读数。如显示姿态正常，则完成投放。如显示数据超过正常值，则表示在回头绳回收过程中仪器架被带倒，此时使用回收绳将仪器架回收至船上，重新使用回头绳再次投放，直至确认投放成功。投放结束后，使用并联于水下单元与水上单元传输电缆上的细绳拉动水下单元，使其克服与安装基座之间的摩擦力自行脱落，随后回收水下单元。设备使用过程示意图如图3所示。

5 结 语

本文设计的座底式剖面海流计实时监测仪主要应用于海洋观测技术领域，用于在座底式剖面海流计投放过程中实时监测其姿态，确保正确投放监测设备，正常获取监测数据，避免在观测结束后因设备投放失败导致无法获取监测数据，从而在某些情况下导致不得不对整个区域进行重新观测的情况出现。设备采用模块化处理方式，设计有独立的传感器及降压模块，并设计有开放式接口，以便在某些有特殊需求的情况下能方便加装其他传感器，而不需要重新设计水下单元。经过多次实际应用验证，系统的稳定性，可靠性均可达到现场观测设计要求。

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