投弃式海流电场剖面仪中模拟电路的研制

投弃式海流电场剖面仪(XCP)是利用海流切割地磁场产生感生电场的原理进行快速测量海流的观测仪器,在地磁场稳定的情况下,感生电场的大小主要取决于海流的速度。因此,通过测量海流产生的感生电场便可以研究海流的运动特征。本文研制了用于XCP中的模拟电路,实现了对XCP中电极信号、罗盘线圈信号及温度信号的采集预处理。所设计模拟电路主要实现以下功能:(1)通过INA128放大电路实现对电极信号与罗盘线圈信号的多级放大处理;(2)考虑到电极信号与罗盘线圈信号均为频率16 Hz左右的信号,在电路中加入中心频率点为16 Hz的二阶带通滤波电路以提取有效信号;(3)进行硬件电路补偿,在一定程度上克服XCP探头下沉引起感生电场的强干扰。实验测试结果表明,所设计模拟电路稳定可靠,可以实现滤除噪声,提取前端微弱信号并进行多级放大,满足实际应用需求。

投弃式温盐深测量仪发展概述

投弃式温盐深测量仪(expendable conductivity temperature and depth,XCTD)是一种先进的海洋动力环境要素测量仪器,能够在各种民用、军用船只、飞机或者潜航器上使用,用以快速获取水下环境信息数据。其使用灵活、快捷经济、操作简便,是海洋调查的常备仪器,也是对海洋环境监测浮标、潜标、船载CTD等传统测量仪器的重要补充。目前,投弃式温盐深测量仪因其测量投放简便、测量效率高、硬件成本低等特点,在海洋剖面观测领域中被大量使用。为了了解国内外发展的差距,明确该领域未来发展方向,从投弃式海洋仪器设备的分类谈起,通过对比分析和归纳总结,阐述了投弃式温盐深测量仪的国内外发展现状,对比了国内外投弃式温盐深测量仪的主要差距,重点介绍了潜射式温盐深仪(SSXCTD)的工作原理及关键技术,总结了在潜射式温盐深仪的研究领域需要加强研究的方向。

海洋投弃式温深剖面仪应用发展概述

海洋温度的变化会显著影响水下声传播、生物活动、气象和洋流等现象,温深是反映海洋变化运动规律的基本参数。投弃式温深剖面仪(Expendable Bathythermograph,XBT)、温盐深测量仪(Conductivity Temperature Depth,CTD)、全球海洋实时观测网(Array for Real-time Geostrophic Oceanography,Argo)等是目前进行海水温深测量的主要仪器。其中XBT因其现场测量简便、效率高、硬件成本低等特点,正在被大规模使用。本文主要介绍有关海洋温度测量的背景及演化历史,分析对比了国内外相关仪器设备的发展现状,总结了国产化产品还存在的差距和不足,另外对传感器、结构设计、数据通讯传输、数据后处理、可靠性研究等关键技术和研究热点进行了详细介绍,最后对未来无人平台的技术发展路线给出了思路和见解,开展投弃式温深剖面仪的相关技术研究和产品研制对实现国产化有积极的推动意义。

投弃式海流电场剖面仪研制

本文分析了投弃式海流电场剖面仪的发展,简介了海流感生电场的基本原理,提出了投弃式海流电场剖面仪的技术方案.根据投弃式海流电场剖面仪的实际需求,研发了XCP海流电场传感器,并通过XCP探头的自旋转(16r/s),实现了将海流电场信号AM调制并频移至海流电场传感器的超低噪声频段,解决了在高噪声背景下快速测量纳伏级微弱海流电场信号.设计实现了XCP探头前端弱信号处理电路,对海流电场微弱信号进行滤波提取的同时可实现对海流电场同向分量进行硬件电路补偿,在一定程度上克服了XCP探头下沉引起感生电场的强干扰.在XCP探头内部采用SoPC技术实现对海流电场信号、罗盘线圈信号和温度信息的快速测量及其数字化处理,并将数字信息以UART协议及LVDS物理层数传方式发送到XCP浮筒端.开创了长度2km、直径0.1mm漆包线动态数据传输技术,解决了XCP探头和XCP浮筒之间的数字化数据传输问题.根据XCP探头所采集的海流电场信号与罗盘线圈信号的同相分量In、正交分量Qn、基线量Bn数据,研究了XCP探测方法,从而计算出了海流的东向与北向相对速度分量VEr、VNr.采用所研发的XCP,在我国南海海域首次采集到海面至海下千米深度的XCP海流电场信息和海洋温度信息.

投弃式温盐深测量仪数据传输系统的研制

提出了一种投弃式海水温盐深剖面测量仪的数据传输系统的设计方案。针对数据传输导线材质的特殊性和导线长度的时变性,分别研制了水下数据发送电路和水上数据接收电路,实现了数据的可靠传输。系统基本满足投弃式温盐深剖面测量仪的数据传输要求,抗干扰能力强,填补了国内空白。

一种投弃式快速海流剖面观测仪器

文中介绍了投弃式海流剖面测量仪的基本组成、工作方式和基本工作原理,在此基础上分析了该类设备的适用范围。

投弃式温深计探头海水中下落深度计算方法研究

为计算投弃式温度深度测量计(XBT)探体在海水中的下落深度,在基本运动学分析的基础上,推导出XBT探体在海水中下落深度的计算公式及相关参数,并分析了探体重量误差对深度计算结果的影响。与标准温盐深仪的对比实验证明,该公式计算出的深度平均误差在2%以内。

基于CFD的投弃式温深计探头流场分析

为研究船用投弃式温深计(XBT)探头在水下的运动规律,根据XBT探头的外形结构,利用FLUENT软件建立其流体动力学分析模型,并进行了网格划分,确定出边界条件。分析了XBT探头周围流场的分布情况,重点是探头的头部和尾翼处的流场分布。结果表明,探头的结构设计合理,有利于其在水下保持稳定的运动姿态。该研究可为XBT探头结构的进一步优化提供参考。

机载投弃式温盐深浮标中的三项关键技术研究

机载投弃式温盐深浮标 ,是机载投弃式温盐深浮标技术系统中的核心部分。本文在对整个技术系统做一般简要介绍基础上 。

投弃式温深测量仪高精度测温电路设计

为提高投弃式温度深度测量仪(XBT)的测温精度,本文利用电桥测温的方法设计了高精度测温电路,提出了新的校准方法,并应用软硬件结合设计了可靠的入水检测模块。海试结果表明,该XBT测量的温度剖面与标准CTD剖面曲线相似度在0.9以上,测温平均误差小于0.2℃,在允许误差范围内,测温精度达到预期目标。

投弃式海流剖面测量仪测量原理研究

根据投弃式海流剖面测量仪的测量原理建立了二维海流运动感生电场离散和连续模型,通过模型推导得到了海流与感生电场间的关系公式。通过对海流感生电磁场的分析,对海流测量的基本方法进行了研究,通过感生电磁场的量级的计算,确定了投弃式海流剖面测量仪研究的主要方向和关键技术。

采用RS-CC级联码提高深海投弃式剖面仪传输可靠性的研究

为了提高深海投弃式剖面仪ASK频带传输的可靠性,提出了RS-CC级联码的解决方案。首先,从信道模型入手,分析了XCTD时变信道的特点;其次,根据信道环境存在复杂噪声的特点,分析了信号在传输过程中可能产生的错码类型,设计了(255,223)RS码+(8,255)交织器+(7,1/2)卷积码的算法结构;最后,针对XCTD的工作特点,分析了不同探测深度、传输频率和噪声量级条件下信号传输的误码率。仿真结果表明,RS-CC级联码的编码方案能够保证XCTD以高传输频率在大深度、大噪声环境中测量时较高的数据传输可靠性,对提高深海投弃式剖面仪传输性能提供了一种新的研究思路。

投弃式波流测量传感器浮标体结构分析及伪刚体建模研究

根据投弃式波流测量传感器的功能及应用特点,提出了其浮标体的结构设计要求,并依此给出了所设计浮标体的主体结构。文中描述了所设计的投弃式波流测量传感器浮标体各部分的结构功能,论证了该浮标体在投弃式波流测量方面的结构优势。共研究了所设计的3种不同投弃式波流测量传感器浮标体结构,包括两种采用柔性浮力叶片的浮标体和一种采用刚性浮力叶片的浮标体。根据柔顺机构学理论分别建立了其中两种柔性浮标体的伪刚体模型。对比了刚性浮标体和两种柔性浮标体的伪刚体模型在波浪海流作用下的姿态特点,分析了各浮标体在波高测量时的误差原因,得出了其中C型柔性浮标体具有更好的随波浪和海流运动响应的结论。为更深入地进行投弃式波浪测量传感器浮标体运动学和动力学的相关研究提供了模型基础。

基于视频的投弃式温深仪速度测量技术研究

投弃式温深仪(XBT)的下降速率公式对XBT所测量的海水温度剖面有很大影响,通过分析视频测量系统所拍摄的XBT探头下落过程中的序列图像可计算其下落过程中的位姿参数并改进其下降速率公式。为测量XBT探头的下落速度,提出了一种基于积分投影和Radon变换的速度测量新方法。该方法无需复杂的图像处理算法及测量数据后处理算法,只需计算各帧图像的水平积分投影合成时间堆栈图像,根据时间堆栈图像的物理意义来确定目标运动轨迹的时空关系。通过对时间堆栈图像做Radon变换处理检测直线边缘特征,计算出目标的运动速度。实验表明,该方法简单、可靠,在图像质量较差的情况下仍能有效地计算出目标的运动速度。

地磁感应线圈在投弃式探头水下转速测量中的应用

介绍了地磁感应线圈的工作原理,针对投弃式探头水下转速测量需要,设计专用线圈传感器及测量电路,并搭建专用试验台进行室内试验。试验结果表明,采用地磁感应线圈可以准确地得到旋转体转速信息,可应用于投弃式探头水下转速测量。

基于图像处理的投弃式温深仪探头姿态测量研究

为改进国产投弃式温深仪(XBT)的下降速率公式,采用基于图像处理的方法测量XBT探头的运动参数。采用背景差分法获取差分图像,选择合适的阈值并对差分图像二值化,标记二值图像中的连通区域,将二值图像分割为几个互相独立的区域。通过计算分析各连通区域的特征集合来识别XBT探头。利用探头中轴线描述探头的运动姿态,将探头的长轴作为探头的初始中轴线,然后通过迭代优化的方法得到更加精确的结果。实验结果表明:该方法角度测量平均误差小于0.5°,能满足XBT探头姿态测量精度要求。目前已将基于该算法搭建的视觉测量系统应用于XBT投放实验中,取得了令人满意的结果。

投弃式仪器数据传输信道时频响应求解方法

针对传输函数求解船载投弃式仪器信道分布参数模型误差较大的问题,提出了一种求解其数据传输信道时频响应的方法.时域响应采用时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)法,求得信道上任意位置的时域响应,频域响应采用BLT(Baum-Liu-Tesche)方程结合电磁拓扑理论,对信道的关键节点进行频域分析.最后测试了信道的时频域波形,并与理论仿真结果进行对比,结果表明:在仪器的工作频率内,理论仿真与试验结果一致,为进一步地研究终端电路的设计及传输方案的改进提供了理论基础.

船载投弃式仪器信道模型求解方法

船载投弃式仪器工作过程中,信道性能对信号的稳定传输具有重要影响,信道建模及其关键参数求解是信道传输可靠性分析的基础。文中主要采用"准静态法"对船载投弃式仪器数据传输信道模型的分布参数进行求解。直线段的参数求解采用微积分与经典求解相结合的方法,线轴段的参数求解则根据其实际的物理结构,提出双层电容求解模型。通过试验测试信道参数和时频域响应,在信道工作频率内,理论计算与试验结果一致,说明信道模型参数求解方法的可行性,为后续匹配电路的设计、传输方案的改进提供理论基础。

机载投弃式温深浮标的垂直温度剖面补全算法

提出了一种基于最优插值理论的海洋垂直温度剖面补全算法，结合某海域的温深数据检验了该算法的性能。结果表明该方法补全的温深曲线较贴近实测数据。

海洋投弃式声速仪(XSV)的通信系统设计

设计并实现了基于海洋投弃式声速仪(XSV)的通信系统。以2DPSK信号为传输信号,以单根双股漆包线为通信信道,设计了解调部分的高压偏置电路、放大滤波电路以及软件解调算法。与传统通信系统相比,该系统并未采用以FPGA或其他解调芯片为基础的解调电路,而是充分利用核心处理器STM32F407主频高的优势,在片内完成数据解调及数据上传功能,从而简化了电路,为测量提供了便利。通过试验,对解调数据进行了分析。测试结果表明,该通信系统的设计具有可行性、可靠性,满足复杂海洋环境下对于通信质量的要求。