专利名称：具有声遥测监控功能的下放式声多普勒海流剖面仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及海流观测仪器，特别涉及一种具有声遥测监控功能的下放式声多普 勒海流剖面仪。
背景技术：
LADCP系统是把自容式ADCP用绞车从海表面以一定的速度下放到近底层，再 从近底层提升到海面，ADCP在下放和回收过程中不断测量海流剖面，经过数据后 处理获得整个深度剖面上的海流速度。
1989年，Hawaii大学的Eric Firing等人[Firing， E. and R, Gordon, 1990: De印ocean acoustic Doppler current profiling. Proc. IEEE Fourth Working Conf. on Current Measurements, Clinton, MD, Current Measurement Technology Committee of the Oceanic Engineering Society, 192-201]首先尝试把自容式ADCP和温盐深仪 (Conductivity-Temperature-Depth System,即CTD)捆绑在一起进行投放式测量并获 得成功。近年来，LADCP成为主要的海流观测仪器之一，广泛用于海洋调查实践。 在把LADCP和CTD捆绑在一起时，海流观测不需要增加另外的机械动作，因此 LADCP常采用LADCP / CTD捆绑式吊放测量。在LADCP系统中，必须有1台垂 直向下工作的自容式ADCP，为增加数据量，也可附加1台垂直向上工作的自容式 ADCP。
如图1和2所示，水下主体部分包括一台主LADCP、和/或一台从LADCP、 一 只电池舱、 一只发射机、l个接线盒和连接电缆；主LADCP主要用于垂直向下定时 循环测量流场剖面，从LADCP在主LADCP的同步信号控制下垂直向上定时循环测 量流场剖面，电池舱用于向主LADCP、从LADCP和发射机供电，接线盒用于主 LADCP、从LADCP、发射机和电池舱之间的电气互连，可减少连接电缆的种类。
LADCP系统要求测量出近海底流层相对于大地的绝对流速，需要把LADCP放 到距离海底数十米的深度，在操作过程中极易造成吊放系统撞底，导致设备损坏， 甚至整个吊放系统丢失；吊放系统的另一个操作风险是在回收时由于不清楚吊放系 统的当前深度导致吊放系统飞出水面，造成"飞车"。通常可通过吊放电缆回传深度和距底高度数据可以解决这两个问题，但这需要万米电缆绞车支持，很多试验船只 都不具备这样的条件，这限制了 LADCP的应用。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有声遥测监控功能的下放式声多普勒海流剖面 仪，能够通过声遥测实时传输IADCP深度和距底高度，实时监控下放式声多普勒海 流剖面仪(Lower acoustic Doppler current profiler,艮卩LADCP)下放位置，避免吊放 系统撞底丢失或飞出水面。
除应用水声通信技术把LADCP测得的吊放系统的深度和距底高度数据通过声 遥测系统实时传输给水面控制人员外，本发明还为了防止水声通信发射信号对 LADCP的干扰，采用码分多址(CDMA)技术尽可能降低声源级，同时保证通信距 离和可靠性。声遥测系统和LADCP构成了具有声遥测监控功能的LADCP系统。
本发明提供的一种具有声遥测监控功能的下放式声多普勒海流剖面仪，其特征 在于，所述的下放式声多普勒海流剖面仪应用水声通信技术，通过码分多址编解码 把LADCP吊放系统的深度和距底高度数据实时传输给水面控制单元，用于实时监控 吊放系统的水中位置。
该下放式声多普勒海流剖面仪包括水下主体部分和水面遥测部分； 所述水下主体部分包括 一台向下工作的主LADCP和/或一台向上工作的从
LADCP、 一只电池舱、 一只水声通信发射机和连接电缆；
所述水面遥测部分包括 一只水声通信接收机、甲板单元和凯芙拉电缆； 所述的主LADCP内置通信编码模块，主LADCP在定时循环测量海流剖面的同
时，根据底跟踪结果得到距底高度，由压力传感器得到深度值，该通信编码模块每
隔l~10s左右，优选为5s，将高度和深度值进行CDMA编码调制后通过高速DA输
出，经水密电缆到水声通信发射机发射出去；
所述水面遥测部分的水声通信接收机对接收到的上述信号进行放大、自动增益
控制和滤波后经凯芙拉电缆送到甲板单元；
所述甲板单元对接收的水声通信信号进行缓冲放大、采集、解码和显示，通过
CDMA解码解析出高度和深度数据，显示在面板上，供绞车操作人员实时监控吊放
系统的水中位置。
所述的主LADCP和域从LADCP、电池舱、水声通信发射机通过多根电缆连接接线盒，并装载于绞车的吊放钢缆挂接的支架上。
所述的水面遥测部分的水声通信接收机置于船舷侧的水中，并通过凯芙拉电缆 与甲板单元相连。
所述的水声通信发射机包括发射电路和发射换能器；所述发射电路对来自主 LADCP对当前深度和距底高度信息编码后调制的经由高速DA送出的发射信号进行 滤波、放大、功率放大后驱动换能器发射。
所述的水声通信接收机包括接收换能器和接收电路；所述的接收换能器用于 接收水下的水声通信发射机发送的水声信号，所述的接收电路用于对接收到的信号 进行放大、自动增益控制和滤波。
所述的甲板单元包括系统接口板、A/D采集板、PC、人机交互板、AC/DC模 块、数码管和扬声器，所述A/D采集板、PC和人机交互板通过系统接口板实现互连， 所述AC/DC模块用于给甲板单元、和通过凯芙拉电缆给吊放接收机供电；
所述甲板单元的A/D采集板对凯芙拉电缆传送的信号进行采样，由PC进行处 理，通过CDMA解码解析出深度和距底高度数据，显示在面板的数码管上或/和由扬 声器以语音的方式送出，供绞车操作人员实时监控吊放系统的水中位置。本发明的 LADCP系统工作包括如下步骤
(1) 启动LADCP水下系统工作后绞车将LADCP水下系统吊放入水，绞车操 作人员将吊放系统按一定速度下放；
(2) 从LADCP在主LADCP的同步信号控制下协同工作，两者获得上下两侧 的流场。主LADCP内置压力传感器，向下的主LADCP具备特殊的底跟踪功能，在 接近海底时能够同时获得流速和底速数据。主LADCP每隔l~10s左右定时把当前深 度和距底高度信息采用码分多址(CDMA)信号进行编码，通过电缆传送到声遥测 系统的发射机。声遥测系统的接收机对发射机发送的信号进行放大、滤波后经电缆 送到甲板单元上。甲板单元对接收的水声通信信号进行采样和处理，解析出距底高 度和深度数据，显示在面板上，供绞车操作人员实时监控吊放系统的水中位置。
(3) 绞车操作人员根据声遥测系统甲板单元面板上显示的距底高度数据确定吊 放系统是否已接近海底。若已接近海底，则控制绞车停止下降后改为按一定速度上 升。
(4) 绞车操作人员根据声遥测系统甲板单元面板上显示的深度数据确定吊放系
统是否已接近海面。若已接近海面，则控制绞车减速，然后将吊放系统回收到甲板上。
本发明的水面声遥测系统仅单向传输深度和距底高度数据，对主LADCP测流不 造成影响。且采用CDMA编码，抗干扰能力强，可以用比较小的声源级工作，对能 源和发射机的要求低，接收处理算法比较简单。且工作在低频，与LADCP的工作频 率相差较远，对从LADCP测流不造成影响。
本发明优点在于本发明的一种能够实时监控下放式声多普勒海流剖面仪是把 自容式ADCP用绞车下放到海底，从海表面以一定的速度下放到近底层，再从近底 层提升到海面，在下放和回收过程中不断测量海流剖面，经过数据后处理获得整个 深度剖面上的海流速度。为避免LADCP吊放系统撞底和飞出水面，应用水声通信技 术，把吊放系统的深度和距底高度数据实时传输给水面控制人员。为了防止水声通 信发射信号对LADCP的干扰，采用CDMA技术尽可能降低声源级，同时保证通信 距离和可靠性。具体表现为
1、 可实时监控LADCP吊放系统的水中位置，避免吊放系统撞底丢失或飞出水面。
2、 声遥测系统仅单向由水下向水面传输数据，对主LADCP测流不造成影响。
3、 声遥测系统采用CDMA编码，抗干扰能力强，可以用比较小的声源级工作， 对能源和发射机的要求低，接收处理算法比较简单。且工作在低频，与LADCP的工 作频率相差较远，对从LADCP测流不造成影响。
4、 主LADCP向声遥测系统提供深度和距底高度数据，无需单独设置压力传感 器和测高声纳，降低了成本。
图1是LADCP工作示意图； 图2是LADCP系统组成示意图； 图3是主LADCP和从LADCP装置示意图； 图4是水下声遥测系统组成示意图； 图5是水面声遥测系统组成示意图。 附图标识
自容式ADCP100 支架200 水面遥测设备400 主LADCP500
电池舱700 发射机800
水下主体部分300 从LADCP600 接线盒900连接电缆1000 接收机1100 甲板单元1200
凯芙拉电缆1300
具体实施例方式
下面结合附图与具体方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，LADCP是把自容式ADCP100固定在支架200上用绞车从海表面 以一定的速度下放到近底层，再从近底层提升到海面。ADCP在下放和回收过程中 不断测量海流剖面，经过数据后处理获得整个深度剖面上的海流速度。
如图2所示，具有声遥测实时传输LADCP深度和距底高度功能的LADCP系统 总体上包括水下的LADCP主体部分300和水面的遥测设备400。所述的水下主体部 分300包括一台主LADCP500、禾口/或一台从LADCP600、 一只电池舱700、 一只水 声发射机800、接线盒900和连接电缆1000;水面遥测部分400包括一只水声通信 接收机1100、甲板单元1200和凯芙拉电缆1300。声遥测通信系统包括水下的主 LADCP500、发射机800和连接电缆1000，水面的吊放水声通信接收机1100、甲板 单元1200和凯芙拉电缆1300。
主LADCP500通过换能器阵向下发射声波，并接收流体和/或海底的反向散射信 号，经内部DSP处理后得到流体和/或海底的速度。从LADCP600通过换能器阵向 上发射声波，并接收流体和/或海面的反向散射信号，经内部DSP处理后得到流体和 /或海面的速度。主LADCP500定时工作，从LADCP600在主LADCP500的控制下 协同工作。电池舱700用于向主LADCP500、从LADCP600和发射机800供电，接 线盒700用于主LADCP500、发射机800和电池舱700之间的电气互连。
主LADCP500和从LADCP600的装置示意图，如图3所示，它包括由换能器阵 列组成的换能器阵501、ADCP发射机502、ADCP接收机503、基于AD公司BlackFin 535的DSP系统504、电源控制板505、压力传感器506、姿态/方位传感器507、温 度传感器508、漏水传感器509等组成。与从LADCP600不同，主LADCP500存储 体内置通信编码模块，在定时循环测量海流剖面的同时，根据底跟踪结果得到距底 高度，由压力传感器得到深度值，定时把当前深度和距底高度信息采用码分多址 (CDMA)信号进行编码，然后调制到载频上，通过高速DA510输出，经电缆传送 到声遥测系统的发射机800。
如图4所示，水下的声遥测通信系统包括主LADCP500、水声发射机800。水声发射机800是水下LADCP主体部分300中一个相对独立的部分，由发射电路801 和发射换能器802组成。它接收来自主LADCP500对当前深度和距底高度信息编码 后调制的经由高速DA510送出的发射信号，通过发射电路801进行滤波、放大、功 率放大后驱动换能器802发射。
如图5所示，水面的声遥测分系统包括吊放在水中的接收机1100、甲板单元1200 和凯芙拉电缆1300。其中，接收机1100由接收换能器1101和接收电路1102组成。 接收换能器1101接收水下发射机800发送的水声信号，接收电路1102对接收到的 信号进行放大、自动增益控制和滤波后经凯芙拉电缆1300送到甲板单元1200上。 甲板单元1200又分为系统接口板1201、 A/D采集板1202、 PC104板1203、人机交 互板1204、 AC/DC模块1205、数码管1206和扬声器1207等几部分，A/D采集板 1202、 PC104板1203和人机交互板1204通过系统接口板1201实现互连，AC/DC模 块1205给甲板单元1200和通过凯芙拉电缆1300给吊放接收机1100供电。甲板单 元1200的A/D采集板1202对凯芙拉电缆1300传送的信号进行采样，由PC104板 1203进行处理，通过CDMA解码解析出深度和距底高度数据， 一方面显示在面板的 数码管1206上，同时由扬声器1207以语音的方式送出，供绞车操作人员实时监控 吊放系统的水中位置。由于实时监控LADCP吊放系统的水中位置，可避免吊放系统 撞底丢失或飞出水面。
LADCP系统采用水声通信的目的是实现对距底高度和深度的遥测，从而监控 LADCP的状态，指导水面绞车的操作，因此只需要单方向地向水面传输，对主LADCP 测流不造成影响。声遥测系统仅传输深度和高度数据，不传输流场数据，数据量小。 因此声遥测系统采用CDMA编码，抗干扰能力强，可以用比较小的声源级工作，对 能源和发射机的要求低，接收处理算法比较简单。且声遥测系统工作在低频，与 LADCP的工作频率相差较远，对从LADCP测流不造成影响。主LADCP向声遥测 系统提供深度和距底高度数据，无需单独设置压力传感器和测高声纳，降低了成本。
甲板单元也可采用船电供电，并通过凯芙拉电缆给接收机供电。
权利要求
1、一种具有声遥测监控功能的下放式声多普勒海流剖面仪，其特征在于，所述的下放式声多普勒海流剖面仪应用水声通信技术，通过码分多址编解码把LADCP吊放系统的深度和距底高度数据实时传输给水面控制单元，用于实时监控吊放系统的水中位置。
2、 根据权利要求1所述的下放式声多普勒海流剖面仪，其特征在于，所述的下 放式声多普勒海流剖面仪包括水下主体部分和水面遥测部分；所述水下主体部分包括 一台向下工作的主LADCP和/或一台向上工作的从 LADCP、 一只电池舱、 一只水声通信发射机和连接电缆；所述水面遥测部分包括 一只水声通信接收机、甲板单元和凯芙拉电缆；所述的主LADCP内置通信编码模块，主LADCP在定时循环测量海流剖面的同 时，根据底跟踪结果得到距底高度，由压力传感器得到深度值，该通信编码模块每 隔l~10s左右将高度和深度值进行CDMA编码调制后通过高速DA输出，经水密电 缆到水声通信发射机发射出去；所述水面遥测部分的水声通信接收机对接收到的上述信号进行放大、自动增益 控制和滤波后经凯芙拉电缆送到甲板单元；所述甲板单元对接收的水声通信信号进行缓冲放大、采集、解码和显示，通过 CDMA解码解析出高度和深度数据，显示在面板上，供绞车操作人员实时监控吊放 系统的水中位置。
3、 根据权利要求2所述的下放式声多普勒海流剖面仪，其特征在于，所述的通 信编码模块每隔5s将高度和深度值进行CDMA编码调制后通过高速DA输出。
4、 根据权利要求2所述的下放式声多普勒海流剖面仪，其特征在于，所述的主 LADCP和/或从LADCP、电池舱、水声通信发射机通过多根电缆连接接线盒，并装 载于绞车的吊放钢缆挂接的支架上。
5、 根据权利要求2所述的下放式声多普勒海流剖面仪，其特征在于，所述的水 面遥测部分的水声通信接收机置于船舷侧的水中，并通过凯芙拉电缆与甲板单元相 连。
6、 根据权利要求2所述的下放式声多普勒海流剖面仪，其特征在于，所述的水 声通信发射机包括发射电路和发射换能器；所述发射电路对来自主LADCP对当前 深度和距底高度信息编码后调制的经由高速DA送出的发射信号进行滤波、放大、功率放大后驱动换能器发射。
7、 根据权利要求2所述的下放式声多普勒海流剖面仪，其特征在于，所述的水 声通信接收机包括接收换能器和接收电路；所述的接收换能器用于接收水下的水 声通信发射机发送的水声信号，所述的接收电路用于对接收到的信号进行放大、自 动增益控制和滤波。
8、 根据权利要求2所述的下放式声多普勒海流剖面仪，其特征在于，所述的甲 板单元包括系统接口板、A/D采集板、PC、人机交互板、AC/DC模块、数码管和 扬声器，所述A/D采集板、PC和人机交互板通过系统接口板实现互连，所述AC/DC 模块用于给甲板单元、和通过凯芙拉电缆给吊放接收机供电；所述甲板单元的A/D采集板对凯芙拉电缆传送的信号进行采样，由PC进行处 理，通过CDMA解码解析出深度和距底高度数据，显示在面板的数码管上或/和由扬 声器以语音的方式送出，以供绞车操作人员实时监控吊放系统的水中位置。
全文摘要
本发明涉及一种具有声遥测监控功能的下放式声多普勒海流剖面仪，应用水声通信技术，通过码分多址编解码把LADCP吊放系统的深度和距底高度数据实时传输给水面控制单元，用于实时监控吊放系统的水中位置。该下放式声多普勒海流剖面仪包括水下主体部分和水面遥测部分；所述的主LADCP内置通信编码模块，主LADCP在定时循环测量海流剖面的同时，根据底跟踪结果得到距底高度，由压力传感器得到深度值，该通信编码模块每隔1～10s左右，优选为5s，将高度和深度值进行CDMA编码调制后通过高速DA输出，经水密电缆到水声通信发射机发射出去；所述水面遥测部分的水声通信接收机对接收到的上述信号进行放大、自动增益控制和滤波后经凯芙拉电缆送到甲板单元。
文档编号G01P5/00GK101644716SQ20091008330
公开日2010年2月10日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者吴建波, 张向军, 敏 朱, 锋 潘, 王长红, 锴 邓 申请人:中国科学院声学研究所