王冠琳 李淑江 滕飛 范斌

摘 要： 為了有效解決在近海定點海流座底觀測中聲學多普勒剖面海流計投放后容易傾倒的問題，設計一種座底式剖面海流計實時監(jiān)測儀，確保儀器投放完畢后能垂直向上工作，以正常獲取剖面海流數據。采用數字三軸加速度傳感器及液晶顯示系統，在數據實時可讀性、穩(wěn)定可靠性方面具有一定的技術優(yōu)勢。該設備實用性強，操作簡單方便，提高了現場操作人員的工作效率與設備投放成功率，節(jié)省了大量的人力、物力和財力。

關鍵詞： 剖面海流計； 海洋監(jiān)測； 實時監(jiān)測儀； 座底觀測； 三軸加速度傳感器； 海流數據獲取

中圖分類號： TN98?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

近幾年，國家對海洋的重視程度日益增加，針對海洋觀測的投入力度不斷加大。而剖面海流觀測是一種重要的定點海流觀測手段，在近海全潮觀測中，通常需要按照一定的站位設計，同時布置多個觀測點，以同步獲取觀測區(qū)域的剖面海流數據，并以此為基礎進行潮流調和分析、工程水文計算等后續(xù)工作。這些分析和計算在眾多海岸工程建設項目中起到非常重要的作用[1?4]。

座底式剖面海流觀測因在觀測過程中不受船只運動及表層海流影響，其數據質量更好，是淺海定點海流觀測中首選的觀測方式。在進行觀測時需要將剖面海流計固定在座底儀器架上，并使用回頭繩投放至海底[5]。

根據剖面海流計工作原理，在座底儀器架布放結束后，必須保證海流計垂直向上進行觀測，不可傾斜或倒置，否則將無法獲取觀測數據[6]。但在實際使用回頭繩進行座底儀器架投放時，因受海流、船只運動或海底地形的影響，在儀器架落底抽取回頭繩的過程中，極易導致其受回頭繩牽引而傾倒。但投放人員在投放后是無法獲取儀器的投放狀態(tài)的，儀器的投放狀態(tài)只能等到觀測結束設備回收后，讀取保存在其內的數據進行分析后才能獲得，故這種傾倒將導致本次定點觀測失敗，從而對整個區(qū)域的同步海流觀測產生影響。在某些情況下，甚至不得不對整個區(qū)域進行重新觀測，浪費大量的人力、物力和財力。

針對此問題，提出一種新型海流計投放狀態(tài)檢測設備，在儀器架投放過程中對其狀態(tài)進行實時監(jiān)測，以確保儀器架投放完畢后，安裝于儀器架內海流計垂直向上，從而正常獲取剖面海流數據。

1 整體設計

座底式剖面海流計實時監(jiān)測儀集供電與管理、顯示于一體，除支持數字三軸加速度傳感器外，也支持溫度、深度等其他傳感器，具有良好的可擴展性?？梢詮V泛地應用在海洋實時監(jiān)測中，能夠在有實時數據獲取要求的多種場合使用。

座底式剖面海流計實時監(jiān)測儀由水下單元與水上單元兩部分組成。水下單元負責實時采集三維姿態(tài)或其他傳感器數據，經簡單質量控制后通過連接電纜將信號傳入水上單元中。水上單元在對信號進行簡單處理后，通過液晶顯示模塊輸出給用戶。

監(jiān)測儀采用目前穩(wěn)定通用的STC89C52RC單片機，及由ADI公司生產的ADXL345型三軸加速度傳感器。該傳感器采用MEMS技術，具有SPI和I2C數字輸出功能的三軸加速度計，可同時輸出三軸坐標，輕松判定傾斜姿態(tài)[7?12]。其同時具有小巧輕薄、超低功耗、可變量程、高分辨率等特點，特別適合于安裝在水下空間緊張的耐壓殼體中使用，同時可顯著降低系統功耗。

2 水下單元設計

實時監(jiān)測儀的水下單元需要安裝在剖面海流計的儀器架上，并與其一同下放至水下。在上述過程中，持續(xù)提供數字三軸加速度傳感器（或其他可選傳感器）數據。故整個水下單元安裝在一耐壓密封圓柱形殼體中。

為保證系統的易用性和穩(wěn)定性，水下單元不設計單獨的電池，而是采用降壓電路將水上單元輸送下來的高壓電降壓，以供給單片機和傳感器使用。采用降壓供電的方式主要是考慮到如果水深較大，水下單元和水上單元的連接線較長，從而需要盡可能降低電源在傳輸過程中的損耗。

安裝于水下單元電路板的單片機具有數據處理功能，能夠先將采集到的傳感器數據進行簡單的質量控制，然后通過通信端口使用同一根五芯電纜與水上單元連接傳輸。水下單元的組件示意圖如圖1所示。

3 水上單元設計

實時監(jiān)測儀的水上單元在現場布放設備的調查船上使用，主要是提供水下傳感器數據的實時顯示和供電功能。因海上工作環(huán)境復雜，為確保各組件正常工作，水上單元安裝在一防潑濺密封殼體中。

水上單元安裝有1節(jié)勁量9 V 6LR61型堿性無汞電池，可為系統提供9 V電壓供電。在水上和水下單元中均安裝有電源降壓模塊將電壓從9 V降至5 V供系統使用。選用9 V電壓供電再降壓使用的解決方案，目的是降低由水上單元向水下單元供電過程中在電纜上造成的電壓損耗。同時，該9 V電池體積較小，極大增強了水上單元的便攜性。水上單元的組件示意圖如圖2所示。

4 設備使用方法

座底式海流計投放前，做好準備工作，將其穩(wěn)固安裝于儀器架上，將本監(jiān)測儀水下單元安裝基座垂直剛性固定于海流計外殼上，將水下單元放入安裝基座并塞緊，確保其不會在儀器架投放過程中脫落。

安裝水上單元電池，檢測數據顯示正常后投放，在投放過程中，注意不要讓水下單元與水上單元之間的連接電纜受力，以免提前造成水下單元從安裝基座上脫出。使用回頭繩與回收繩共同投放儀器架，在儀器架落底后，檢查水上單元讀數，無誤后收回回頭繩。在回頭繩完成回收后，再次確認水上單元讀數。如顯示姿態(tài)正常，則完成投放。如顯示數據超過正常值，則表示在回頭繩回收過程中儀器架被帶倒，此時使用回收繩將儀器架回收至船上，重新使用回頭繩再次投放，直至確認投放成功。投放結束后，使用并聯于水下單元與水上單元傳輸電纜上的細繩拉動水下單元，使其克服與安裝基座之間的摩擦力自行脫落，隨后回收水下單元。設備使用過程示意圖如圖3所示。

5 結 語

本文設計的座底式剖面海流計實時監(jiān)測儀主要應用于海洋觀測技術領域，用于在座底式剖面海流計投放過程中實時監(jiān)測其姿態(tài)，確保正確投放監(jiān)測設備，正常獲取監(jiān)測數據，避免在觀測結束后因設備投放失敗導致無法獲取監(jiān)測數據，從而在某些情況下導致不得不對整個區(qū)域進行重新觀測的情況出現。設備采用模塊化處理方式，設計有獨立的傳感器及降壓模塊，并設計有開放式接口，以便在某些有特殊需求的情況下能方便加裝其他傳感器，而不需要重新設計水下單元。經過多次實際應用驗證，系統的穩(wěn)定性，可靠性均可達到現場觀測設計要求。

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