基于組合式高精度測溫電纜的海洋溫深剖面探測系統的制作方法

本發明屬于海洋溫深剖面探測技術領域，具體涉及一種基于組合式高精度測溫電纜的海洋溫深剖面探測系統。

背景技術：

聲波是目前遠距離海洋資源勘探、目標探測的唯一有效手段。影響聲波傳播的主要因素是海水溫度、鹽度和壓強(深度)等，其中溫度的變化對聲速的影響最大。由于海水介質中溫度、鹽度分布的不均勻，會造成聲速的分布的不均勻，從而形成海洋中的聲速梯度，進而影響各類聲測量設備的準確性。因此，水下溫深剖面數據對環境信息獲取、水下作戰具有十分重要的軍事價值。目前，監測獲取海水溫度信息的手段各種各樣，如浮標，岸基監測站，海上固定平臺，志愿船等等。儀器包括XBT，XCTD等等。但是現有海水溫度測量裝置存在精度低，可靠性差，體積大、成本高，不便于攜帶，不能長時間監測等諸多問題。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種基于組合式高精度測溫電纜的海洋溫深剖面探測系統，解決現有海水溫度測量裝置存在的精度低、可靠性差、體積大、成本高、不便于攜帶、不能長時間監測等諸多問題。

為解決上述問題，本發明的技術方案為：

包括依次連接通信的浮標單元，測溫電纜單元和錨系單元；

所述的浮標單元包括浮標體和固定設置于浮標體內的系統控制模塊，系統控制模塊包括單片機最小系統和與單片機最小系統連接的衛星通信模塊；

測溫電纜單元由多個測溫單節首尾依次串聯構成，每個測溫單節均為獨立的子系統，包括電纜，在電纜上接入上串聯接口、數據采集模塊、溫度傳感器陣列、多個壓力傳感器和向下串聯接口，最頂端測溫單節的上串聯接口與浮標單元連接；

所述的錨系單元包括錨體，錨體為帶有空腔并密封的金屬體，在空腔內設置電源模塊和電池，錨體上端設置有測溫電纜單元密封接口，錨系單元通過測溫電纜單元密封接口與最末端測溫單節的向下串聯接口連接。

所述的單片機最小系統包括MSP430單片機、JTAG接口、RS485接口、RS232接口、電源轉換電路、復位電路和外部晶振；所述的衛星通信模塊為北斗通信RDSS/RNSS/B1 短報文一體機模塊，北斗通信RDSS/RNSS/B1 短報文一體機模塊通過RS232接口與MSP430單片機連接通信。

所述的數據采集模塊設置在測溫單節的電纜上端，數據采集模塊包括MSP430單片機、JTAG接口、RS485接口、復位電路、單總線驅動電路、電源轉換電路和外部晶振；所述的溫度傳感器陣列包括多個等間隔固定設置在電纜上的DS18B20數字溫度傳感器；所述的壓力傳感器為帶有RS485接口的數字壓力傳感器，設置數目為兩個，兩個壓力傳感器分別設置于電纜的上端和末端，兩個壓力傳感器分別與溫度傳感器陣列中最上端和最下端的DS18B20數字溫度傳感器等高。

所述的錨體為上邊長20cm，下邊長40cm，斜邊長50cm的密封鋼結構四棱臺結構，電源模塊包括降壓型DC/DC開關電源芯片，輸出電壓為3.3V和5V，電池為12V、100 Ah鋰電池。

所述的電纜包括纜芯和包覆纜芯的硅膠線保護層，纜芯由6對雙絞線構成，6對雙絞線之間設置有加強筋。

基于該系統的海洋溫深剖面探測步驟如下：

步驟一：搭建測試系統

根據海深，選擇N個測溫單節組成測溫電纜單元，按照浮標單元、測溫電纜單元和錨系單元的順序連接測試系統，錨系單元投放沉海，浮標單元上浮，錨系單元和浮標單元將測溫電纜單元拉直固定；

步驟二：原始數據采集

各段測溫單節的數據采集模塊在系統控制模塊的控制下進入工作狀態，系統控制模塊每個周期T向各個測溫單節發出一次采集數據的指令，各個測溫單節上的溫度傳感器陣列和壓力傳感器完成不同海深的溫度數據采集，等時間間隔采集n次，各個數據采集模塊分別將該段測溫單節的溫度深度數據按照該段測溫單節編號上傳至系統控制模塊中；

步驟三：采集數據處理

系統控制模塊首先根據各段測溫單節的深度信息計算得到每個溫度傳感器的深度信息，按照測溫單節設計時預先實驗得到的各個溫度傳感器對應的校準函數，得到該測溫單節不同深度處的精確溫度數據，系統控制模塊將接收的不同測溫單節的多個溫度數據保存并求平均，通過衛星通信模塊將壓縮處理后的溫度數據發送到岸基監控中心，岸基監控中心采用插值算法或者模型得到該片海域實時變化的海洋溫深剖面信息。

在同一片海域按照步驟一所述方法布設多組測試系統，協同組網采集溫度深度數據，匯總溫度深度數據到岸基監控中心。

所述步驟二中，最末端、即第N號測溫單節將自身采集的溫度深度數據上傳到自己上鄰的第N-1號測溫單節的數據采集模塊中，第N-1號測溫單節的數據采集模塊將自身的溫度深度數據與第N號測溫單節的溫度深度數據合并上傳到第N-2號測溫單節的數據采集模塊中，以此類推，將所有測溫單節的溫度深度數據合并至最上端、即第1號測溫單節的數據采集模塊中，最后將所有測溫單節的溫度深度數據上傳至系統控制模塊中；系統控制模塊下達采集數據指令與上述過程相反。

本發明的有益效果：

1.本發明系統基于浮標技術，采用組合式水下測溫電纜，可靈活機動地單點、多點布放于各種不同深度的海域，通過測溫電纜上各個不同位置的溫度傳感器得到不同深度的海洋溫度，結合數據擬合算法對傳感器溫度數據進行矯正，使測溫精度≤0.1℃，由此實現對特定海域多點、不同海深溫度數據的精確、實時、長期監測，該探測系統成本低廉，易于實施，測溫精度高，可靠性好。

2.本發明通過衛星通信模塊實現溫度數據的實時回傳，結合射線聲學理論，實現對海洋聲傳播特性的精確分析，可以極大程度的優化聲吶等水聲探測設備的探測可靠性和精度。

附圖說明

圖1是本發明探測系統的整體結構示意圖；

圖2是本發明多組測溫單節的串接原理框圖；

圖3是本發明一個測溫單節的內部結構示意圖；

圖4是本發明系統控制模塊的電路原理框圖；

圖5是本發明數據采集模塊的電路原理框圖；

圖中，1-浮標單元，2-測溫電纜單元，3-錨系單元，4-浮標體，5-衛星通信模塊，6-每個測溫單節，7-單片機最小系統，8-錨體，9-電源模塊，10-電池。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行進一步的說明：

參照圖1-圖5所示的基于組合式高精度測溫電纜的海洋溫深剖面探測系統，包括依次連接通信的浮標單元1，測溫電纜單元2和錨系單元3；

浮標單元1漂浮于海面上，整體采用橡膠塑料進行水密處理，保證系統的浮力和水密性，為整個系統提供浮力，同時控制整個系統工作，完成測溫電纜單元2采集溫度數據的處理，與岸基監測中心完成數據通信。浮標單元1包括浮標體4和固定設置于浮標體4內的系統控制模塊，系統控制模塊包括單片機最小系統7和與單片機最小系統7連接的衛星通信模塊5；單片機最小系統7包括MSP430單片機、JTAG接口、RS485接口、RS232接口、電源轉換電路、復位電路和外部晶振；MSP430單片機具有高速、低功耗、抗干擾性強、輸入輸出接口豐富等特點，MSP430單片機搭建的單片機最小系統7具備上電復位以及看門狗復位功能，能有效避免程序運行過程中跑飛導致的系統死機。衛星通信模塊5為北斗通信RDSS/RNSS/B1 短報文一體機模塊，該模塊集成了RDSS射頻收發芯片、功放芯片、基帶電路等，模塊可選內置RNSS&GPS模塊，可以實現RDSS&GPS&RNSS同時工作，集成度高、功耗低、兼容接收RDSS、RNSS/GPS衛星導航信號，具有定位精度好、靈敏度度高等優點，充分滿足系統衛星通信和定位需求。北斗通信RDSS/RNSS/B1 短報文一體機模塊通過RS232接口與MSP430單片機連接通信。

測溫電纜單元2用于采集海洋中不同深度上的海水溫度數據，測溫電纜單元2由多個測溫單節6首尾依次串聯構成，可實現測溫電纜單元2長度的自由擴展，每個測溫單節6均獨立成子系統，包括測溫電纜、上串聯接口、數據采集模塊、溫度傳感器陣列、壓力傳感器和向下串聯接口，最頂端測溫單節的上串聯接口與浮標單元連接；

上串聯接口和下串聯接口均采用相互匹配的5芯密封接頭，其中上串聯接口為公頭，下串聯接口為母頭，其定義為VCC、GND、485_2+、485_2-和485GND_2；電纜包括纜芯和包覆纜芯的硅膠線保護層，纜芯由6對雙絞線構成，6對雙絞線之間設置有加強筋，從而保證電纜的抗腐蝕、耐壓和防水性，6對雙絞線分別為壓力傳感器的1號RS485總線，包括兩根數據線485_1+、485_1-和地線485GND_1，與數據采集模塊按照RS485通信方式連接。系統各段測溫單節6數據交互所需的2號RS485總線，包括兩根數據線485_2+、485_2-和地線485GND_2，與數據采集模塊按照RS485多機通信方式連接。其中兩個RS485總線中，四根數據線分別對應兩對雙絞線，單獨的兩根地線為另一對雙絞線。其余3對雙絞線中，1對用做各測溫單節6數據采集模塊的電源線VCC和地線GND。另外2對中，1對作為各測溫單節6溫度傳感器陣列的電源線VDD和GND1，另一對作為溫度傳感器陣列的數據線DQ和地線GND2，注意兩根地線都接溫度傳感器的GND引腳。其中2號RS485總線與電源線VCC和地線GND需要同時連接向上、向下串聯接口對應的485_2+、485_2-、485GND_2、VCC和GND。

數據采集模塊設置在電纜上端，數據采集模塊包括MSP430單片機、JTAG接口、RS485接口、復位電路、單總線驅動電路、電源轉換電路和外部晶振；所述的溫度傳感器陣列包括多個等間隔固定設置在電纜上的DS18B20數字溫度傳感器；所述的壓力傳感器為帶有RS485接口的數字壓力傳感器，設置數目為兩個，兩個壓力傳感器分別設置于測溫單節電纜的上端和末端，兩個壓力傳感器分別與測溫單節電纜的溫度傳感器陣列中最上端和最下端的DS18B20數字溫度傳感器等高。DS18B20數字溫度傳感器是一款支持單總線通信協議的高精度數字溫度傳感器，單總線驅動電路采用基于74HC244三態驅動門的驅動電路，有效提高了系統驅動能力并降低了導線分布電容對系統的影響，保證了系統的測溫精度，使系統可靠通信距離增大到100米以上，最大可掛接DS18B20數字傳感器數量達48個。將MSP430單片機的兩個普通IO口，分別定義為DAT和CTRL與驅動電路相連，驅動電路輸出口1Y1與電纜DQ數據線連接； RS485接口包含兩個，一個負責與壓力傳感器模塊通信，另一個負責溫度數據的上傳。RS485接口具有數據傳輸率較高，通信距離遠，抗干擾強的特點，最大傳輸速率10Mbps，最大通信距離達1000米。

DS18B20溫度傳感器具有布線簡單，組網方便，響應靈敏度高，抗干擾能力強等優點，特別適合多點溫度測量的應用場合。DS18B20數字溫度傳感器的測溫范圍為-55~+125℃，在-10~+85℃范圍內精度為±0.5℃。

DS18B20是一個典型的單總線傳感器，其命令序列如下：

第一步：初始化。

第二步：ROM命令（跟隨需要交換的數據）。

第三步：功能命令（跟隨需要交換的數據）。

每次訪問任何一個DS18B20溫度傳感器時必須嚴格遵守這個命令序列；內部有64位的ROM單元和9字節的暫存寄存器。64位ROM包含了DS18B20唯一的序列號，使得單總線數據傳輸成為可能。主機在進入操作程序前必須逐一接入DS18B20，采用讀ROM（33H）命令將該DS18B20的序列號讀出并記錄。

當系統控制模塊需要對眾多在線DS18B20的某一個進行操作時，首先發出匹配ROM命令（55H），緊接著主機提供64位序列（包括該DS18B20的48位序列號），之后的操作就是針對該DS18B20的；

當主機需要對全體在線DS18B20進行操作時需要跳過ROM命令。例如啟動所有DS18B20進行溫度變換。在主機發出跳過ROM命令之后，再發出統一的溫度轉換啟動碼（44H），實現了所有DS18B20的統一轉換，再經過1s后，即可通過匹配ROM命令，逐一地讀回每個DS18B20的溫度數據。若指令成功地使DS18B20完成溫度測量，數據將存儲在DS18B20的暫存寄存器中，可通過下面的讀寫時序讀取。

1、復位時序：單片機拉低總線480us~950us，然后釋放總線（拉高電平）。這時DS18B20會拉低信號線，大約60~240us表示應答。DS18B20拉低電平的60~240us之間，單片機讀取總線的電平，如果是低電平，那么表示復位成功。DS18B20拉低電平60~240us之后，會釋放總線。

2、寫邏輯0：單片機拉低電平大約10~15us。單片機拉低電平大約20~45us的時間。釋放總線。

3、寫邏輯1：單片機拉低電平大約10~15us。單片機拉高電平大約20~45us的時間。釋放總線。

4、讀邏輯0：在讀取的時候單片機拉低電平大約1us。單片機釋放總線，然后讀取總線電平。這時候DS18B20會拉低電平。讀取電平過后，延遲大約40~45微秒。

5、讀邏輯1：在讀取的時候單片機拉低電平大約1us。單片機釋放總線，然后讀取總線電平。這時候DS18B20會拉高電平。讀取電平過后，延遲大約40~45微秒。

DS18B20溫度傳感器的誤差精度在-55~+85℃之間的誤差范圍≤0.5℃，為進一步減小傳感器誤差，提高系統整體測溫精度，系統分別采用最小二乘算法和多項式擬合算法進行矯正。具體如下：

（1）搭建平臺。

搭建基于MSP430單片機的數據采集系統（測試主機）和溫度傳感器測試陣列。溫度傳感器測試陣列包含5個（或更多個）DS18B20溫度傳感器，采用單總線三線制方式，由MSP430單片機普通IO口直接驅動DS18B20數字溫度傳感器。

（2）數據采集。

由于每個DS18B20溫度傳感器的獨特性，其誤差特性曲線不盡相同。為此我們在高精度恒溫槽中對每個DS18B20溫度傳感器分別進行了溫度數據的采集分析。做法是設置恒溫槽溫度為一固定值，待設定溫度誤差穩定在±0.05℃時，測試主機開始每5秒采集一次溫度數據，并將采集到的數據通過串口發送到上位機進行存儲。結合海洋溫度分布的特點，我們在-20~50℃之間選擇14個溫度點分別進行數據的采集分析。（依次為-20.0℃，-15.0℃，-10.0℃，-5.0℃，0℃，5.0℃，10.0℃，15.0℃，20.0℃，25.0℃，30.0℃，35.0℃，40.0℃，45.0℃，50℃）。每個傳感器在每個溫度點連續采集30min，得到360個樣本值。

（3）計算校準函數。

a.取上述360點溫度數據的平均值作為在該溫度點上該溫度傳感器的實際測量值。以每個傳感器在每個溫度點的實際測量值為自變量，精確值（恒溫槽設置溫度值）為因變量，得到了每個DS18B20溫度傳感器在-20~50℃的離散的溫度特性曲線。

b.依次采用最小二乘擬合，3次多項式擬合，由上述離散曲線得到每個傳感器對應的連續校準函數。

（4）溫度數據校準。

將校準好的DS18B20數字溫度傳感器布設到測溫纜的不同深度上。系統工作時將不同深度上不同的DS18B20數字溫度傳感器得到的原始的海洋溫度數據帶到（3）中得到的校準函數當中，函數的輸出值即為得到校準后的溫度數據，是高精度的海洋溫度數據。經過實驗測試，采用最小二乘擬合校準可使DS18B20數字溫度傳感器的誤差范圍在計算量較小的情況下縮小到≤0.2℃，采用3次多項式擬合校準在增大計算量的情況下可使DS18B20數字溫度傳感器的誤差縮小到≤0.1℃。

所述的最小二乘擬合校準算法如下：設

設DS18B20數字溫度傳感器的線性誤差模型為：，其中，為測量值，為真實值（恒溫槽設定溫度值），K為隨溫度變化的線性誤差修正系數，c為誤差補償參數。以-10~40℃為例，依次取：-10,-7.5,-5.0,-2.5,0,2.5,5.0,7.5,10.0,12.5,15.0,17.5,20.0,22.5,25.0,27.5,30.0,32.5,35.0,37.5,40.0（℃），21個溫度點。

定義矩陣

線性擬合的法方程組 為

得到：

即該傳感器在-10~40℃之間的校準函數為

同理更換DS18B20傳感器，增大溫度范圍，可以依次求出其它傳感器在更大溫度范圍內的校準函數。三次多項式擬合校準原理不再贅述。

錨系單元3包括錨體8，錨體8為帶有空腔并密封的金屬體，在空腔內設置電源模塊9和電池10，錨體8上端設置有測溫電纜單元密封接口，錨系單元3通過測溫電纜單元密封接口與最末端測溫單節6的向下串聯接口連接。錨體8為上邊長20cm，下邊長40cm，斜邊長50cm的密封鋼結構四棱臺結構，電源模塊9包括降壓型DC/DC開關電源芯片，輸出電壓為3.3V和5V，為系統各主要單元提供高效、準確、可靠的電源。電池10為12V、100 Ah鋰電池，可穩定支持系統運行一年。

下面介紹基于該系統的海洋溫深剖面探測步驟：

步驟一：搭建測試系統

根據海深，選擇N個測溫單節6組成測溫電纜單元2，按照浮標單元1、測溫電纜單元2和錨系單元3的順序連接測試系統，錨系單元3投放沉海，浮標單元1上浮，錨系單元3和浮標單元1將測溫電纜單元2拉直固定；

步驟二：海溫海深數據采集

各段測溫單節6的數據采集模塊在系統控制模塊的控制下進入工作狀態，系統控制模塊每個周期T向各個測溫單節6發出一次采集數據的指令，各個測溫單節6上的溫度傳感器陣列和壓力傳感器完成不同海深的溫度數據采集，等時間間隔采集n次，各個數據采集模塊分別將該段測溫單節6的溫度深度數據按照該段測溫單節6編號上傳至系統控制模塊中；

步驟三：采集數據處理

系統控制模塊首先根據各段測溫單節6的深度信息計算得到每個溫度傳感器的深度信息，每個溫度傳感器在海水中的具體深度計算方法如下，首先確定出該DS18B20數字溫度傳感器在哪段測溫電纜中，得到該傳感器在該段電纜中的序號ID，然后根據該段電纜頭部壓力傳感器的讀數和下段測溫電纜頭部壓力傳感器的讀數，計算出該段電纜頭部在海水中的深度為，尾部在海水中的深度為，根據，得到對應傳感器在海水中的位置。

按照測溫單節6設計時預先實驗得到的各個溫度傳感器對應的校準函數，得到該測溫單節6不同深度處的精確溫度數據，系統控制模塊將接收的不同測溫單節6的多個溫度數據保存并求平均，通過衛星通信模塊5將壓縮處理后的溫度數據發送到岸基監控中心，岸基監控中心采用插值算法或者模型得到該片海域實時變化的海洋溫深剖面信息。

在上述所述步驟二中，數據的傳輸采用接力傳輸方式，即，最末端、即第N號測溫單節6將自身采集的溫度深度數據上傳到自己上鄰的第N-1號測溫單節6的數據采集模塊中，第N-1號測溫單節6的數據采集模塊將自身的溫度深度數據與第N號測溫單節6的溫度深度數據合并上傳到第N-2號測溫單節6的數據采集模塊中，以此類推，將所有測溫單節6的溫度深度數據合并至最上端、即第1號測溫單節6的數據采集模塊中，最后將所有測溫單節6的溫度深度數據上傳至系統控制模塊中；系統控制模塊下達采集數據指令與上述過程相反。

為了提高測量精度，在同一片海域按照步驟一所述方法布設多組測試系統，協同組網采集溫度深度數據，匯總溫度深度數據到岸基監控中心。

本發明的內容不限于實施例所列舉，本領域普通技術人員通過閱讀本發明說明書而對本發明技術方案采取的任何等效的變換，均為本發明的權利要求所涵蓋。