海洋多參數剖面測量儀的制作方法

本發明屬于海洋測量技術領域，尤其涉及一種海洋多參數剖面測量儀。

背景技術：

海洋環境參數測量是獲取海洋各種環境參數的時空分布和變化規律，為海洋科學研究、海洋資源開發、海洋工程等提供海洋環境基礎數據。海水的溫度、鹽度(電導率)、深度、聲速是最基本的海洋水文參數。監測海中不同深度(D)的海水溫度(T)、鹽度(電導率C)和聲速的狀況，具有廣泛的科研和應用價值。其中，海水溫度和鹽度的深度變化資料在減災預報上可以作為海洋環境數值預報和災害性海況遙測的基本數據資料，在軍事上可以用于聲納作用距離預報和艦艇航海保障的海洋環境基本實測數據，在海水養殖中可以用于預報海水環境變化規律和控制生物最佳養殖環境等。各種具體的海洋參數測量系統是實施各種海洋參數精確測量的前提。

傳統的聲速剖面儀只能單獨測量聲速剖面，溫鹽深剖面儀只能單獨測量海洋溫鹽深剖面，而且這兩種測量儀器高度依賴于傳感器的精度，一旦超出傳感器的使用范圍(比如當前多數溫鹽深剖面儀的溫度傳感器測量范圍在-5℃～35℃)，數據準確度會迅速下降，而且使用方式上基本只有固定回收和綁定設備兩種使用方式。

申請號為201410030440.1的專利申請公開了一種光纖溫深潛標連續測量系統，該系統包括通訊浮標、主浮球、儀器艙、解調系統、溫深鏈、纜繩、聲學釋放器和錨定重物，其中通訊浮標包括太陽能電池、北斗通訊板卡和衛星組合天線；解調系統包括解調模塊和鋰電池，解調系統置于儀器艙內；溫深鏈集成有測量溫度以及壓力的溫度傳感器和壓力傳感器；通訊浮標、主浮球、儀器艙、溫深鏈、釋放器以及錨定重物通過纜繩依次連接。該系統僅能實現海面至水下500m溫深垂直剖面的數據測量，且數據測量的準確性高度依賴于溫度傳感器和壓力傳感器的精度，一旦超出各自的使用方法，其測量結果將失去準確性。

申請號為201510244120.0的專利申請公開了一種海洋動力環境多尺度同步觀測潛標，包括豎向布置的纜繩，在纜繩的上部設置有第一溫鹽鏈、第二溫鹽鏈、微尺度定點湍流儀與主浮體，所述第一溫鹽鏈與第二溫鹽鏈均包括溫度儀、溫深儀和溫鹽深儀，主浮體位于第一溫鹽鏈和第二溫鹽鏈之間，主浮體上安裝有聲學多普勒流速剖面儀，在纜繩的中部設置有往復式微尺度湍流剖面儀，所述往復式微尺度湍流剖面儀上安裝有溫鹽深儀、海流計以及用于觀測湍流的剪切探頭與快速溫度探頭，在纜繩的下部設置有深海海流與溫鹽測量單元，所述深海海流與溫鹽測量單元包括溫鹽深儀和海流計。該海洋動力環境多尺度同步觀測潛標隨能實現溫度、鹽度和流速的測量，但是其缺乏終端處理設備，對于不同海域、不同海況的參數測量，存在一定的局限性，當某一測量儀器失效時，無法通過其余的測量參數及時得到該失效儀器所應測得的數據，靈活性較差。

由此可見，現有技術有待于進一步的改進和提高。

技術實現要素：

本發明為避免上述現有技術存在的不足之處，提供了一種應用方式靈活且包含多種安裝使用方式和數據處理方式的海洋多參數剖面測量儀。

本發明所采用的技術方案為：

海洋多參數剖面測量儀，包括測量儀本體和上位機，測量儀本體通過有線線纜或無線通信與上位機相連；測量儀本體內設置有處理器電路板、溫度傳感器、電導率傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、聲速測量模塊、收發一體換能器和發射板，所述溫度傳感器、電導率傳感器、壓力傳感器、速度傳感器和聲速測量模塊均與處理器電路板相連，所述收發一體換能器用于發射聲波至反射板，反射板將聲波反射回收發一體換能器接收，且收發一體換能器與聲速測量模塊相連；所述測量儀本體設置有外部接線口和釋放機構；所述上位機內設置有用于對溫度傳感器檢測到的溫度、電導率傳感器檢測到的鹽度、壓力傳感器檢測到的深度以及聲速測量模塊測得的聲速進行收集、處理、分析的數據處理模塊。

所述海洋多參數剖面測量儀為回收式海洋多參數剖面測量儀，該回收式海洋多參數剖面測量儀包括船舶及設置在船舶上的排纜裝置，所述釋放機構通過纜繩與排纜裝置相連。

所述海洋多參數剖面測量儀為浮標式海洋多參數剖面測量儀，該浮標式海洋多參數剖面測量儀包括多功能浮標，所述釋放機構通過通信線纜與多功能浮標相連。

所述多功能浮標外覆太陽能電池板，所述多功能浮標通過通信裝置與上位機進行通信，所述通信裝置包括無線電或衛星通信。

所述海洋多參數剖面測量儀為拋棄式海洋多參數剖面測量儀，該拋棄式海洋多參數剖面測量儀包括浮體，所述浮體內設置有存儲模塊，浮體與釋放機構相連。

所述釋放機構包括依次相連的釋放器、電機及水聲換能器，電機控制釋放器動作。

所述測量儀本體內還設置有電池模塊，所述處理器電路板與電池模塊相連，所述壓力傳感器為帶溫度補償的數字石英壓力傳感器。

所述溫度傳感器和電導率傳感器通過導管相連，導管上設置有水泵。

所述測量儀本體內還設置有藍牙模塊，藍牙模塊與所述處理器電路板相連，測量儀本體通過藍牙模塊傳輸完成和上位機的命令或者數據的傳輸。

所述數據處理模塊內存儲有不同的聲速計算函數和經驗函數庫。

由于采用了上述技術方案，本發明所取得的有益效果為：

1、本發明避免了傳統剖面測量儀功能單一和高度依賴傳感器精度的缺陷，可同時測量聲速剖面和溫鹽深剖面。本發明中聲速剖面的測量采用“時間飛躍”技術，提升了聲速測量精度，溫鹽深剖面采用電導率傳感器、溫度傳感器和帶溫度補償的數字石英壓力傳感器來分別測量溫度、鹽度(電導率)和深度(靜壓力)剖面，使用過程中，即使出現某一傳感器因各種原因失效，也可以由其他量推出失效量，保證了測量的穩定性和精確性。

2、本發明的安裝使用方式靈活便捷，測量儀本體可以結合不同的外接設備采用回收式、浮標式或拋棄式等不同方式使用，從而能夠滿足不同使用者的各種使用要求，提高了適應性。

3、本發明的數據通信方式靈活，既可以通過有線線纜連接上位機與測量儀本體或拋棄式浮體，也可以通過藍牙模塊傳輸數據或者命令，以滿足不同的需求。

4、本發明在數據分析上采用多種方式分析處理數據，在努力提高測量數據準確性的同時，還利用互推驗證和不同權重計算的方法，提高了數據精確度，且本發明中的上位機功能強大，人機交互度高，可滿足不同使用者的不同數據處理要求和分析要求，對海洋科學研究和實際應用具有重要意義。

附圖說明

圖1為本發明中測量儀本體的結構示意圖。

圖2為本發明中回收式海洋多參數剖面測量儀的結構示意圖。

圖3為本發明中浮標式海洋多參數剖面測量儀的結構示意圖。

圖4為本發明中拋棄式海洋多參數剖面測量儀的結構示意圖。

其中，

1、外部接線口 2、釋放機構 3、溫度傳感器 4、電導率傳感器 5、壓力傳感器 6、藍牙模塊 7、速度傳感器 8、收發一體換能器 9、聲速測量模塊 10、處理器電路板 11、電池模塊 12、排纜裝置 13、多功能浮標 14、太陽能電池板 15、浮體 16、反射板 17、纜繩 18、定滑輪 19、輪盤 20、固定支架 21、通信裝置 22、通信線纜 23、定位重物 24、存儲模塊 25、電機 26、水聲換能器 27、水泵 28、導管

具體實施方式

下面結合附圖和具體的實施例對本發明作進一步的詳細說明，但本發明并不限于這些實施例。

如圖1所示，海洋多參數剖面測量儀，包括測量儀本體和上位機，測量儀本體通過有線線纜或無線通信與上位機相連。所述測量儀本體外側設置有外部接線口1和釋放機構2。測量儀本體內設置有處理器電路板10、溫度傳感器3、電導率傳感器4、壓力傳感器5、速度傳感器7、聲速測量模塊9、收發一體換能器8和反射板16，所述溫度傳感器3、電導率傳感器4、壓力傳感器5、速度傳感器7和聲速測量模塊9均與處理器電路板10相連。所述收發一體換能器8用于發射聲波至反射板16，反射板16將聲波反射回收發一體換能器8接收，且收發一體換能器8與聲速測量模塊9相連。所述測量儀本體內還設置有電池模塊11，所述處理器電路板10與電池模塊11相連。所述壓力傳感器5為帶溫度補償的數字石英壓力傳感器。所述測量儀本體內還設置有藍牙模塊6，藍牙模塊6與所述處理器電路板10相連，測量儀本體可以通過藍牙模塊6傳輸完成和上位機的命令或者數據的傳輸。

所述海洋多參數剖面測量儀采用時間飛躍技術測量聲速剖面，該時間飛躍技術的原理是：已知收發一體換能器8和反射板16之間的距離L，發射聲波到反射板16，反射板16反射聲波到收發一體換能器8，從發射到接收的時間為t,則聲速為C＝2L/t。

所述海洋多參數剖面測量儀使用溫度傳感器3測量溫度剖面，使用電導率傳感器4測量鹽度剖面，使用帶溫度補償的數字石英壓力傳感器測量深度(靜壓力)剖面，其中所述溫度傳感器3和電導率傳感器4通過導管28相連，導管28上設置有水泵27，通過水泵27強迫測量海域內的海水以恒定的速度通過溫度傳感器3的感溫元件進入電導率傳感器4的電導率池，這樣的設計極大地減小了測量儀本體的升沉對測量的影響，使得經過溫度傳感器3和電導率傳感器4的水流速度是恒定的，通過溫度傳感器3和電導率傳感器4之間的時間和空間關系，可以保證能夠得到同一水團的溫度和電導率值。

所述上位機內設置有用于對溫度傳感器3檢測到的溫度、電導率傳感器4檢測到的鹽度、壓力傳感器5檢測到的深度以及聲速測量模塊9測得的聲速進行收集、處理、分析的數據處理模塊。所述數據處理模塊內存儲有不同的聲速計算函數和經驗函數庫。

實施例一：

如圖1和圖2所示，所述海洋多參數剖面測量儀為回收式海洋多參數剖面測量儀，為描繪方便，圖2中的測量儀本體僅用輪廓表示。該回收式海洋多參數剖面測量儀除包括上述測量儀本體和上位機以外，還包括船舶及設置在船舶上的排纜裝置12。所述測量儀本體可以在靜止或運動的船舶上通過綁定釋放機構2在測量海域進行布放回收使用。所述釋放機構2通過纜繩與排纜裝置12相連。所述排纜裝置12包括如圖2所示的纜繩17、定滑輪18、輪盤19及用于將輪盤19固定在船舶上的固定支架20，釋放機構2與纜繩17相連，纜繩17依次經多個定滑輪18的改向繞至輪盤19，通過輪盤19進行纜繩17的收放。

實施例二：

如圖1和圖3所示，所述海洋多參數剖面測量儀為浮標式海洋多參數剖面測量儀，為描繪方便，圖3中的測量儀本體僅用輪廓表示。該浮標式海洋多參數剖面測量儀除包括上述測量儀本體和上位機以外，還包括多功能浮標13和定位重物23，定位重物23設置在發射板16的下方且與反射板16相連。所述多功能浮標13外覆太陽能電池板14。當所述多功能浮標13通過通信裝置21與上位機進行通信：當多功能浮標13與上位機之間為中短距離時，兩者通過無線電通訊；當所述多功能浮標13與上位機之間為遠距離時，兩者通過衛星通訊。所述釋放機構2通過通信線纜22與多功能浮標13相連。通過多功能浮標13長時間監測測量海域的多參數變化情況，測得的數據通過多功能浮標13上的無線電或衛星通信設備將數據傳至上位機作進一步的處理。

實施例三：

如圖1和圖4所示，所述海洋多參數剖面測量儀為拋棄式海洋多參數剖面測量儀，為描繪方便，圖4中的測量儀本體僅用輪廓表示。該拋棄式海洋多參數剖面測量儀除包括上述測量儀本體和上位機以外，還包括浮體15，所述浮體15內設置有存儲模塊24，浮體15與釋放機構2相連。所述釋放機構2包括依次相連的釋放器、電機25及水聲換能器26，電機25控制釋放器動作，電機25及水聲換能器26均與電池模塊11相連。當然釋放機構2并不局限于上述的釋放器、電機25及水聲換能器26的組合方式，還可以是現在常用的聲學釋放器。

在復雜海況無法完成布放回收作業時可采用所述的拋棄式海洋多參數剖面測量儀。當測量儀本體連同浮體15放入海中以后，在測量儀本體的重力作用下開始下沉，所述溫度傳感器3、電導率傳感器4、壓力傳感器5、聲速測量模塊9和收發一體換能器8工作的同時，速度傳感器7開始記錄下沉速度，并將數據傳輸到浮體15內的存儲模塊24中。當速度傳感器7感應到測量儀本體的下沉速度為零時，測量儀本體接觸到海底，得到完整的剖面數據。控制釋放機構2釋放浮體15，浮體15上浮以后對浮體15進行打撈，獲取數據，通過獲取的數據結合下沉的速度得出精確的多參數剖面。

本發明的使用方式靈活多變，完全滿足海洋科研或者應用的各種需求。上位機可以采用多種方式采集測量數據，如結合船舶上的配套設備使用上述的布放回收式采集數據，在海況條件不好的情況下加載浮體15使用上述的拋棄式作業，也可以和海洋多功能浮標13結合長期固定的采集固定還深的海洋參數。

本發明中的測量儀本體自帶藍牙模塊6，可以通過藍牙模塊6傳輸完成和上位機的命令或者數據的傳輸，無需使用傳統電纜進行連接，主要應用在上述回收式海洋多參數剖面測量儀上。本發明中的測量儀本體還可以通過有線電纜連接進行數據傳輸，主要應用在多功能浮標式海洋多參數剖面測量儀上，與多功能浮標13通信使用，或者應用在拋棄式海洋多參數剖面測量儀上，將測量數據傳輸到存儲模塊中。

本發明通過測量聲速和溫鹽深四個參數來保證測量數據的完整性，當測量探頭8、溫度傳感器3、電導率傳感器4和壓力傳感器5中的任何一個出現故障時，都可以通過另外三個測量數據進行反推以得到失效傳感器所應測得的參數，目前存在較多的應用于不同海洋環境的聲速計算公式，聲速均可由不同的溫、鹽、深函數推出，因此，當聲速、溫度、鹽度、深度中的任意一個數值出現問題時，均可通過聲速計算公式推算出該失效數據。常用的聲速計算公式如由威爾遜海水聲速公式編制成的聲速計算表和H.W.弗賴伊的聲速經驗公式等。如：

c＝1448.96+△c_T+△c_S+△c_D

其中：

△c_T＝4.591T-5.304×10^-2+2.374×10^-4T³

△c_S＝1.340-1.025×10^-2T(S-35)

△c_D＝1.630×10^-2D+1.675×10^-7D²-7.139×10^-13TD³

即：

c＝1448.96+4.591T-5.304×10^-2+2.374×10^-4T³+

1.340-1.025×10^-2T(S-35)+1.630×10^-2D+1.675×10^-7D²

-7.139×10^-13TD³

其中c為海洋水聲聲速，T為溫度，S為鹽度，D為深度，T、S、D分別為溫度傳感器3、電導率傳感器4、壓力傳感器5的測量值，因為海洋情況瞬息萬變，所以在這里使用者可以根據具體情況靈活使用計算公式，測量儀本體測得的聲速數據、溫度、鹽度、深度的值可以導入上位機中根據不同的公式進行計算，也可以通過上位機將公式傳入測量儀本體在測量儀本體上進行簡單計算，復雜的數據計算或者圖形化處理可顯示在上位機上實現。除此以外，在得到測量數據和計算數據的同時，還可以得到不同權重下的數據，各數據也可以導入上位機結合上位機涉及的程序進行數據分析運算和處理。

需要說明的是，聲速計算函數有很多，基本都是溫鹽深和聲速的函數表達式，把這些公式放到上位機的經驗函數庫里或者通過上位機導入測量儀本體中，測量時用到的時候直接選擇合適的公式，把測量得到的數據放進去計算即可。除了測量儀本體得到的測量數據、計算數據和權值數據以外，也可以將數據導入上位機中進行數據分析處理，得到更清晰的圖像剖面和分析結構。另外，使用者也可以根據實際測量海域的不同海況，如風速、海面溫度和浪高等外部參數來自編輯自定義函數，計算符合使用要求的聲速和溫鹽深剖面。

本發明中未述及的部分采用或借鑒已有技術即可實現。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明的精神所作的舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。