一种水下多功能测量装置及其使用方法与流程

本发明属于勘探技术领域，具体涉及一种水下多功能测量装置。

背景技术：

随着海洋资源的深入开发，海洋探测领域出现了各种新型探测手段，新的水下拖曳阵列长达数公里，水下平台、水下航行器、潜器走向更深的海域。而在海洋地球物理勘测过程中，都需要精确的水下环境参数，包括探测器的方位角、俯仰角、橫滚角、水深和温度等，这些数据在实时或后期处理中十分重要。

现有的水下参数测量装置功能相对单一，对多功能测量中采用多种分离传感器协同作业，布线复杂，安装复杂，测量系统体积大。在实施远距离多参量深水探测作业过程中，传统的测量装置系统结构庞大，系统构成复杂、供电种类繁杂、供电和数据传输电缆要求高、重量大，在完成数公里的数据传输和供电传输的成本高、施工难度大、抗干扰能力有限。

此外，由于我国的高精度辅助探测仪器研发在技术水平、研发时间和核心软硬件都与国外有较大差距。高精度辅助探测仪器的进口，如姿态传感器、深度传感器都受到以美欧、日本等国外的禁运、禁购等限制，为此，我们设计本发明的水下多功能测量装置。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种水下多功能测量装置，特别适用于声呐探测系统、水下平台、水下航行器及锚系和潜器的水下深度、温度和姿态的测量。

本发明所采用的技术方案为：

一种水下多功能测量装置包括水下多功能传感器、数据采集器和上位机数据处理模块；

所述数据采集器分别与所述水下多功能传感器及所述上位机数据处理模块连接；

上位机数据处理模块用于配置所述水下多功能传感器的工作模式，并显示、分析和存储所述水下多功能传感器的测量数据；

所述水下多功能传感器包括耐压外壳、姿态传感器和安装在耐压外壳内的控制处理电路、压力传感器及温度传感器；所述控制处理电路的微控制处理芯片将接收到的压力传感器的模数转换数据进行处理，得到压力测量值；所述微控制处理芯片将接收到的温度传感器的模数转换数据进行处理，得到温度测量值；所述微控制处理芯片将接收到的姿态传感器的数据进行处理计算，输出方位角、橫滚角、俯仰角和角速度值。

进一步地，所述控制处理电路包括第一管理电源、电光转换电路、模数转换电路、微控制处理芯片和姿态传感器；

所述第一管理电源为所述电光转换电路、所述微控制处理芯片、所述姿态传感器、所述压力传感器、所述温度传感器及所述模数转换电路提供电压；

所述微控制处理芯片用于控制、读取和处理姿态传感器、压力传感器和温度传感器；

所述模数转换电路用于对所述压力传感器及所述温度传感器进行模数转换数据的处理，并将处理后的模数转换数据传输至所述微控制处理芯片；

所述微控制处理芯片输出的数据通过所述电光转换电路转换为光信号，再传输给所述数据采集器，所述数据采集器将接收到的光信号转换为电信号并传输给所述上位机数据处理模块。

进一步地，所述数据采集器通过usb传输线与所述上位机数据处理模块连接。

进一步地，所述压力传感器安装在所述耐压外壳的水密光纤出口的安装端，所述压力传感器通过所述安装端的纵向连通孔与外部水介质相连通。

进一步地，所述第一管理电源包括锂电池组及水密充电接口，所述锂电池组通过所述水密充电接口进行充电。

进一步地，所述耐压外壳的材质为全钛合金。

进一步地，所述数据采集器上设有多个光接口通道，每个光接口通道通信连接一个水下多功能传感器。

进一步地，所述水下多功能传感器通过单模光纤光缆与所述数据采集器连接。

本发明还公开了一种水下多功能测量装置的使用方法，包括以下步骤：

a)打开水下多功能传感器的水密充电接口的端盖，连接充电线，打开电源开关，通过快速充电器显示面板查看水下多功能传感器的锂电池组的电量，按下充电控制按钮，选择充电电量，锂电池组的电量满后，拔下充电线；

b)在水下多功能传感器的充电接口处插入启动密钥，水下多功能传感器开始工作，盖上水密充电接口的端盖，旋紧；

c)连接数据采集器与上位机数据处理模块，连接数据采集器与水下多功能传感器之间的光纤接口；

d)打开上位机数据处理模块，选择存储路径，配置水下多功能传感器的采样模式，配置串口，选择图像显示项；

e)将水下多功能传感器固定于目标体上，进行水下作业；

f)水下作业完成后，关闭上位机数据处理模块，断开数据采集器与水下多功能传感器之间的光纤接口；

g)取下水下多功能传感器，并用淡水冲洗；

h)打开水密充电接口的端盖，拔下启动密钥。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的水下多功能测量装置体积和质量较小，将压力传感器、温度传感器及姿态传感器等多种传感器集成到一个装置上，用于远距离实时测量方位角、橫滚角、俯仰角、角速度、水温、水位深度等参数，本发明的水下多功能测量装置特别适用于声呐探测系统、水下平台、水下航行器及锚系和潜器的水下深度、温度和姿态的测量。

(2)快速充电器用于水下多功能传感器的快速充电。

(3)数据采集器可通过单模光纤光缆与水下多功能传感器双向通信，水下多功能传感器通过数据采集器传输至上位机数据处理模块，通过上位机数据处理模块完成测量数据的显示、分析和存储；用户可使用相应的上位机数据处理模块对水下多功能传感器的工作模式进行配置，如根据需要对采样间隔进行配置。

(4)可通过单模光纤光缆完成水下多功能传感器(即测量设备)到数据采集器(即船载设备)的10公里双向通讯；光纤传输距离大于10km；完全充电后，在1s采样间隔下持续工作时间48小时；本发明的水下多功能测量装置可用于远距离实时测量方位角、橫滚角、俯仰角、角速度、温度及水深等参数；最大工作深度为1000米，深度精度为0.25％；全维度下，方向角输出精度为±0.5°。

附图说明

图1是本发明的电路框图。

图2是水下多功能传感器的结构示意图。

图3是本发明的上位机数据处理模块的工作流程图。

图4是本发明的控制处理电路的工作流程图。

图中：1-上位机；2-usb传输线；3-数据采集器；31-第二管理电源；32-光接口通道；33-光电转换电路；4-单模光纤光缆；5-水下多功能传感器；51-水密光纤出口；52-控制处理电路；521-第一管理电源；522-电光转换电路；523-微控制处理芯片；524-姿态传感器；53-锂电池组；54-水密充电接口；55-压力传感器；56-温度传感器；57-耐压外壳；6-充电电缆；7-快速充电器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

实施例1：

如图1-4所示，本实施例提供一种水下多功能测量装置包括水下多功能传感器、数据采集器3和上位机数据处理模块；所述数据采集器分别与所述水下多功能传感器及所述上位机数据处理模块连接；水下多功能传感器即测量设备，与数据采集器(即船载设备)之间建立双向通讯连接。

上位机1的上位机数据处理模块用于配置所述水下多功能传感器的工作模式，并显示、分析和存储所述水下多功能传感器的测量数据；数据采集器可通过单模光纤光缆与水下多功能传感器双向通信，水下多功能传感器通过数据采集器传输至上位机数据处理模块，通过上位机数据处理模块完成测量数据的显示、分析和存储；用户可使用相应的上位机数据处理模块对水下多功能传感器的工作模式进行配置，如根据需要对采样间隔进行配置。

所述水下多功能传感器包括耐压外壳57、姿态传感器和安装在耐压外壳内的控制处理电路52、压力传感器55及温度传感器56；所述控制处理电路的微控制处理芯片将接收到的压力传感器的模数转换数据进行处理，得到压力测量值；所述微控制处理芯片将接收到的温度传感器的模数转换数据进行处理，得到温度测量值；所述微控制处理芯片将接收到的姿态传感器的数据进行处理计算，输出方位角、橫滚角、俯仰角和角速度值。将水下多功能传感器5安装在水下的被测量目标体上，水下多功能传感器通过内部集成的多种传感器组件和微控制处理芯片来完成对水下绑定的被测目标的测量。微控制处理芯片作为中央控制和处理单元，控制、读取和处理姿态传感器、压力传感器和温度传感器，将接收到的姿态传感器数据进行处理计算，输出方位角、橫滚角、俯仰角和角速度值；将接收到的压力传感器的模数转换数据进行处理，得到压力测量值；将接收到的温度传感器的模数转换数据进行处理，得到温度测量值。

具体地，：所述控制处理电路52包括第一管理电源521、电光转换电路522、模数转换电路、微控制处理芯片523和姿态传感器524；其中，所述第一管理电源为所述电光转换电路、所述微控制处理芯片、所述姿态传感器、所述压力传感器、所述温度传感器及所述模数转换电路提供电压；所述微控制处理芯片用于控制、读取和处理姿态传感器、压力传感器和温度传感器；所述模数转换电路用于对所述压力传感器及所述温度传感器进行模数转换数据的处理，并将处理后的模数转换数据传输至所述微控制处理芯片。所述电光转换电路与微控制处理芯片通过异步通信串口相连而实现通信连接(压力传感器、输出的模拟信号至控制处理电路，通过补偿和校正计算，得到压力传感器实时测量压力值。最后微控制处理芯片通过异步通信串口将压力数据传送给电光转换电路，由电光转换电路将电信号转换为光信号发射至数据采集器。温度传感器安装于耐压外壳内壁。温度传感器输出模拟信号至控制处理电路，通过校正计算，得到温度传感器的实时测量温度值。)，所述微控制处理芯片输出的数据通过所述电光转换电路转换为光信号，再传输给所述数据采集器，所述数据采集器将接收到的光信号转换为电信号并传输给所述上位机数据处理模块。这里，数据采集器可通过单模光纤光缆与所述水下多功能传感器通信连接。数据采集器包括第二管理电源31、光接口通道32和光电转换电路33，第二管理电源给光电转换电路提供电压，光接口通道与水密光纤出口对应设置，通过单模光纤光缆4连接，实现数据采集器与所述水下多功能传感器通信连接，将接收的光信号通过光电转换电路转换为电信号，再通过usb传输线2将对应的电信号传输给所述上位机数据处理模块，由上位机数据处理模块进行测量数据的显示、分析和存储。

所述第一管理电源包括锂电池组53及水密充电接口54，所述锂电池组通过所述水密充电接口进行充电，第一管理电源的锂电池组通过水密充电接口完成充电管理，保证充电安全和快速。水密充电接口采用螺纹密封设计，打开水密充电接口的端盖，可通过充电电缆6连接快速充电器7对水下多功能传感器的锂电池组进行快速充电。这里的快速充电器配备可视化面板，充电电流可选，实时显示充电电流和电池电量，方便根据需要进行充电操作。

所述压力传感器安装在所述耐压外壳的水密光纤出口51的安装端，所述压力传感器通过所述安装端的纵向连通孔与外部水介质相连通，该安装端简称为头部；水密光纤出口是水下多功能传感器的电光转换电路的光信号的光纤出口，水密光纤出口采用全新设计的结构胶密封方式进行水密。将水密充电接口设在所述安装端上，方便水下多功能传感器在水下使用时充电。

在本实施例中，所述耐压外壳的材质为全钛合金，耐压外壳采用紧凑柱状设计，目标是增大水下承压能力；为保证姿态方位角精度和水下长时间工作的耐腐蚀性，水下多功能传感器采用了钛合金材料作为主体构成，外形长440mm、直径为35mm，总重量为1kg。

实施例2：

在本实施例中，所述数据采集器上设有多个光接口通道，每个光接口通道通信连接一个水下多功能传感器。数据采集器配备多个光接口通道，每个光接口通道通信连接一个水下多功能传感器，可同时完成与多个水下多功能传感器的光电信号组件的通信。

对应地，快速充电器7配备多个充电接口，可同时对多个水下多功能传感器进行快速充电。

数据采集器可采用通用usb2.0接口与上位机数据处理模块相连，并将1-8个水下多功能传感器的实时数据传输给上位机数据处理模块。

总之，本发明的水下多功能传感器具有低功耗的特点，当采样间隔为1s时，可连续工作48小时。在数据采样过程中，根据用户需求，采样间隔可切换为1min或30min。用户可使用相应的上位机数据处理模块进行实施配置。其中，数据采集器通过单模光纤光缆与水下多功能传感器进行双向通信，通信的有效距离大于10公里。

另外，本发明配备的上位机数据处理模块可对水下测量数据进行实时图像化显示，并可选择的将测量数据以txt或excel格式存放在上位机硬盘中，存放内容可选，并为存放的数据加上时间信息。

本发明的水下多功能测量装置的使用方法如下：

a)打开水密充电接口的端盖，连接充电线6，打开电源开关，通过快速充电器显示面板查看锂电池组的电量，按下充电控制按钮，选择充电电量，锂电池组的电量满后，拔下充电线；

b)在水下多功能传感器充电接口处插入启动密钥，水下多功能传感器开始工作，盖上水密充电接口的端盖，旋紧；

c)连接数据采集器与上位机数据处理模块之间的usb传输线，连接数据采集器与水下多功能传感器之间的光纤接口；

d)打开上位机数据处理模块，选择存储路径，配置水下多功能传感器的采样模式，配置串口，选择图像显示项；

e)将水下多功能传感器固定于目标体上，进行水下作业；

f)水下作业完成后，关闭上位机数据处理模块，断开数据采集器与水下多功能传感器之间的光纤接口；

g)取下水下多功能传感器，并用淡水冲洗；

h)打开水密充电接口的端盖，拔下启动密钥。

本发明的水下多功能测量装置具备以下优点：

(1)本发明的水下多功能测量装置体积和质量较小，将压力传感器、温度传感器及姿态传感器等多种传感器集成到一个装置上，用于远距离实时测量方位角、橫滚角、俯仰角、角速度、水温、水位深度等参数，本发明的水下多功能测量装置特别适用于声呐探测系统、水下平台、水下航行器及锚系和潜器的水下深度、温度和姿态的测量。

(2)快速充电器用于水下多功能传感器的快速充电。

(3)数据采集器可通过单模光纤光缆与水下多功能传感器双向通信，水下多功能传感器通过数据采集器传输至上位机数据处理模块，通过上位机数据处理模块完成测量数据的显示、分析和存储；用户可使用相应的上位机数据处理模块对水下多功能传感器的工作模式进行配置，如根据需要对采样间隔进行配置。

(4)可通过单模光纤光缆完成水下多功能传感器(即测量设备)到数据采集器(即船载设备)的10公里双向通讯；光纤传输距离大于10km；完全充电后，在1s采样间隔下持续工作时间48小时；本发明的水下多功能测量装置可用于远距离实时测量方位角、橫滚角、俯仰角、角速度、温度及水深等参数；最大工作深度为1000米，深度精度为0.25％；全维度下，方向角输出精度为±0.5°。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。