基于组合式高精度测温电缆的海洋温深剖面探测系统的制作方法

本发明属于海洋温深剖面探测技术领域，具体涉及一种基于组合式高精度测温电缆的海洋温深剖面探测系统。

背景技术：

声波是目前远距离海洋资源勘探、目标探测的唯一有效手段。影响声波传播的主要因素是海水温度、盐度和压强(深度)等，其中温度的变化对声速的影响最大。由于海水介质中温度、盐度分布的不均匀，会造成声速的分布的不均匀，从而形成海洋中的声速梯度，进而影响各类声测量设备的准确性。因此，水下温深剖面数据对环境信息获取、水下作战具有十分重要的军事价值。目前，监测获取海水温度信息的手段各种各样，如浮标，岸基监测站，海上固定平台，志愿船等等。仪器包括XBT，XCTD等等。但是现有海水温度测量装置存在精度低，可靠性差，体积大、成本高，不便于携带，不能长时间监测等诸多问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于组合式高精度测温电缆的海洋温深剖面探测系统，解决现有海水温度测量装置存在的精度低、可靠性差、体积大、成本高、不便于携带、不能长时间监测等诸多问题。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

包括依次连接通信的浮标单元，测温电缆单元和锚系单元；

所述的浮标单元包括浮标体和固定设置于浮标体内的系统控制模块，系统控制模块包括单片机最小系统和与单片机最小系统连接的卫星通信模块；

测温电缆单元由多个测温单节首尾依次串联构成，每个测温单节均为独立的子系统，包括电缆，在电缆上接入上串联接口、数据采集模块、温度传感器阵列、多个压力传感器和向下串联接口，最顶端测温单节的上串联接口与浮标单元连接；

所述的锚系单元包括锚体，锚体为带有空腔并密封的金属体，在空腔内设置电源模块和电池，锚体上端设置有测温电缆单元密封接口，锚系单元通过测温电缆单元密封接口与最末端测温单节的向下串联接口连接。

所述的单片机最小系统包括MSP430单片机、JTAG接口、RS485接口、RS232接口、电源转换电路、复位电路和外部晶振；所述的卫星通信模块为北斗通信RDSS/RNSS/B1 短报文一体机模块，北斗通信RDSS/RNSS/B1 短报文一体机模块通过RS232接口与MSP430单片机连接通信。

所述的数据采集模块设置在测温单节的电缆上端，数据采集模块包括MSP430单片机、JTAG接口、RS485接口、复位电路、单总线驱动电路、电源转换电路和外部晶振；所述的温度传感器阵列包括多个等间隔固定设置在电缆上的DS18B20数字温度传感器；所述的压力传感器为带有RS485接口的数字压力传感器，设置数目为两个，两个压力传感器分别设置于电缆的上端和末端，两个压力传感器分别与温度传感器阵列中最上端和最下端的DS18B20数字温度传感器等高。

所述的锚体为上边长20cm，下边长40cm，斜边长50cm的密封钢结构四棱台结构，电源模块包括降压型DC/DC开关电源芯片，输出电压为3.3V和5V，电池为12V、100 Ah锂电池。

所述的电缆包括缆芯和包覆缆芯的硅胶线保护层，缆芯由6对双绞线构成，6对双绞线之间设置有加强筋。

基于该系统的海洋温深剖面探测步骤如下：

步骤一：搭建测试系统

根据海深，选择N个测温单节组成测温电缆单元，按照浮标单元、测温电缆单元和锚系单元的顺序连接测试系统，锚系单元投放沉海，浮标单元上浮，锚系单元和浮标单元将测温电缆单元拉直固定；

步骤二：原始数据采集

各段测温单节的数据采集模块在系统控制模块的控制下进入工作状态，系统控制模块每个周期T向各个测温单节发出一次采集数据的指令，各个测温单节上的温度传感器阵列和压力传感器完成不同海深的温度数据采集，等时间间隔采集n次，各个数据采集模块分别将该段测温单节的温度深度数据按照该段测温单节编号上传至系统控制模块中；

步骤三：采集数据处理

系统控制模块首先根据各段测温单节的深度信息计算得到每个温度传感器的深度信息，按照测温单节设计时预先实验得到的各个温度传感器对应的校准函数，得到该测温单节不同深度处的精确温度数据，系统控制模块将接收的不同测温单节的多个温度数据保存并求平均，通过卫星通信模块将压缩处理后的温度数据发送到岸基监控中心，岸基监控中心采用插值算法或者模型得到该片海域实时变化的海洋温深剖面信息。

在同一片海域按照步骤一所述方法布设多组测试系统，协同组网采集温度深度数据，汇总温度深度数据到岸基监控中心。

所述步骤二中，最末端、即第N号测温单节将自身采集的温度深度数据上传到自己上邻的第N-1号测温单节的数据采集模块中，第N-1号测温单节的数据采集模块将自身的温度深度数据与第N号测温单节的温度深度数据合并上传到第N-2号测温单节的数据采集模块中，以此类推，将所有测温单节的温度深度数据合并至最上端、即第1号测温单节的数据采集模块中，最后将所有测温单节的温度深度数据上传至系统控制模块中；系统控制模块下达采集数据指令与上述过程相反。

本发明的有益效果：

1.本发明系统基于浮标技术，采用组合式水下测温电缆，可灵活机动地单点、多点布放于各种不同深度的海域，通过测温电缆上各个不同位置的温度传感器得到不同深度的海洋温度，结合数据拟合算法对传感器温度数据进行矫正，使测温精度≤0.1℃，由此实现对特定海域多点、不同海深温度数据的精确、实时、长期监测，该探测系统成本低廉，易于实施，测温精度高，可靠性好。

2.本发明通过卫星通信模块实现温度数据的实时回传，结合射线声学理论，实现对海洋声传播特性的精确分析，可以极大程度的优化声呐等水声探测设备的探测可靠性和精度。

附图说明

图1是本发明探测系统的整体结构示意图；

图2是本发明多组测温单节的串接原理框图；

图3是本发明一个测温单节的内部结构示意图；

图4是本发明系统控制模块的电路原理框图；

图5是本发明数据采集模块的电路原理框图；

图中，1-浮标单元，2-测温电缆单元，3-锚系单元，4-浮标体，5-卫星通信模块，6-每个测温单节，7-单片机最小系统，8-锚体，9-电源模块，10-电池。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明：

参照图1-图5所示的基于组合式高精度测温电缆的海洋温深剖面探测系统，包括依次连接通信的浮标单元1，测温电缆单元2和锚系单元3；

浮标单元1漂浮于海面上，整体采用橡胶塑料进行水密处理，保证系统的浮力和水密性，为整个系统提供浮力，同时控制整个系统工作，完成测温电缆单元2采集温度数据的处理，与岸基监测中心完成数据通信。浮标单元1包括浮标体4和固定设置于浮标体4内的系统控制模块，系统控制模块包括单片机最小系统7和与单片机最小系统7连接的卫星通信模块5；单片机最小系统7包括MSP430单片机、JTAG接口、RS485接口、RS232接口、电源转换电路、复位电路和外部晶振；MSP430单片机具有高速、低功耗、抗干扰性强、输入输出接口丰富等特点，MSP430单片机搭建的单片机最小系统7具备上电复位以及看门狗复位功能，能有效避免程序运行过程中跑飞导致的系统死机。卫星通信模块5为北斗通信RDSS/RNSS/B1 短报文一体机模块，该模块集成了RDSS射频收发芯片、功放芯片、基带电路等，模块可选内置RNSS&GPS模块，可以实现RDSS&GPS&RNSS同时工作，集成度高、功耗低、兼容接收RDSS、RNSS/GPS卫星导航信号，具有定位精度好、灵敏度度高等优点，充分满足系统卫星通信和定位需求。北斗通信RDSS/RNSS/B1 短报文一体机模块通过RS232接口与MSP430单片机连接通信。

测温电缆单元2用于采集海洋中不同深度上的海水温度数据，测温电缆单元2由多个测温单节6首尾依次串联构成，可实现测温电缆单元2长度的自由扩展，每个测温单节6均独立成子系统，包括测温电缆、上串联接口、数据采集模块、温度传感器阵列、压力传感器和向下串联接口，最顶端测温单节的上串联接口与浮标单元连接；

上串联接口和下串联接口均采用相互匹配的5芯密封接头，其中上串联接口为公头，下串联接口为母头，其定义为VCC、GND、485_2+、485_2-和485GND_2；电缆包括缆芯和包覆缆芯的硅胶线保护层，缆芯由6对双绞线构成，6对双绞线之间设置有加强筋，从而保证电缆的抗腐蚀、耐压和防水性，6对双绞线分别为压力传感器的1号RS485总线，包括两根数据线485_1+、485_1-和地线485GND_1，与数据采集模块按照RS485通信方式连接。系统各段测温单节6数据交互所需的2号RS485总线，包括两根数据线485_2+、485_2-和地线485GND_2，与数据采集模块按照RS485多机通信方式连接。其中两个RS485总线中，四根数据线分别对应两对双绞线，单独的两根地线为另一对双绞线。其余3对双绞线中，1对用做各测温单节6数据采集模块的电源线VCC和地线GND。另外2对中，1对作为各测温单节6温度传感器阵列的电源线VDD和GND1，另一对作为温度传感器阵列的数据线DQ和地线GND2，注意两根地线都接温度传感器的GND引脚。其中2号RS485总线与电源线VCC和地线GND需要同时连接向上、向下串联接口对应的485_2+、485_2-、485GND_2、VCC和GND。

数据采集模块设置在电缆上端，数据采集模块包括MSP430单片机、JTAG接口、RS485接口、复位电路、单总线驱动电路、电源转换电路和外部晶振；所述的温度传感器阵列包括多个等间隔固定设置在电缆上的DS18B20数字温度传感器；所述的压力传感器为带有RS485接口的数字压力传感器，设置数目为两个，两个压力传感器分别设置于测温单节电缆的上端和末端，两个压力传感器分别与测温单节电缆的温度传感器阵列中最上端和最下端的DS18B20数字温度传感器等高。DS18B20数字温度传感器是一款支持单总线通信协议的高精度数字温度传感器，单总线驱动电路采用基于74HC244三态驱动门的驱动电路，有效提高了系统驱动能力并降低了导线分布电容对系统的影响，保证了系统的测温精度，使系统可靠通信距离增大到100米以上，最大可挂接DS18B20数字传感器数量达48个。将MSP430单片机的两个普通IO口，分别定义为DAT和CTRL与驱动电路相连，驱动电路输出口1Y1与电缆DQ数据线连接； RS485接口包含两个，一个负责与压力传感器模块通信，另一个负责温度数据的上传。RS485接口具有数据传输率较高，通信距离远，抗干扰强的特点，最大传输速率10Mbps，最大通信距离达1000米。

DS18B20温度传感器具有布线简单，组网方便，响应灵敏度高，抗干扰能力强等优点，特别适合多点温度测量的应用场合。DS18B20数字温度传感器的测温范围为-55~+125℃，在-10~+85℃范围内精度为±0.5℃。

DS18B20是一个典型的单总线传感器，其命令序列如下：

第一步：初始化。

第二步：ROM命令（跟随需要交换的数据）。

第三步：功能命令（跟随需要交换的数据）。

每次访问任何一个DS18B20温度传感器时必须严格遵守这个命令序列；内部有64位的ROM单元和9字节的暂存寄存器。64位ROM包含了DS18B20唯一的序列号，使得单总线数据传输成为可能。主机在进入操作程序前必须逐一接入DS18B20，采用读ROM（33H）命令将该DS18B20的序列号读出并记录。

当系统控制模块需要对众多在线DS18B20的某一个进行操作时，首先发出匹配ROM命令（55H），紧接着主机提供64位序列（包括该DS18B20的48位序列号），之后的操作就是针对该DS18B20的；

当主机需要对全体在线DS18B20进行操作时需要跳过ROM命令。例如启动所有DS18B20进行温度变换。在主机发出跳过ROM命令之后，再发出统一的温度转换启动码（44H），实现了所有DS18B20的统一转换，再经过1s后，即可通过匹配ROM命令，逐一地读回每个DS18B20的温度数据。若指令成功地使DS18B20完成温度测量，数据将存储在DS18B20的暂存寄存器中，可通过下面的读写时序读取。

1、复位时序：单片机拉低总线480us~950us，然后释放总线（拉高电平）。这时DS18B20会拉低信号线，大约60~240us表示应答。DS18B20拉低电平的60~240us之间，单片机读取总线的电平，如果是低电平，那么表示复位成功。DS18B20拉低电平60~240us之后，会释放总线。

2、写逻辑0：单片机拉低电平大约10~15us。单片机拉低电平大约20~45us的时间。释放总线。

3、写逻辑1：单片机拉低电平大约10~15us。单片机拉高电平大约20~45us的时间。释放总线。

4、读逻辑0：在读取的时候单片机拉低电平大约1us。单片机释放总线，然后读取总线电平。这时候DS18B20会拉低电平。读取电平过后，延迟大约40~45微秒。

5、读逻辑1：在读取的时候单片机拉低电平大约1us。单片机释放总线，然后读取总线电平。这时候DS18B20会拉高电平。读取电平过后，延迟大约40~45微秒。

DS18B20温度传感器的误差精度在-55~+85℃之间的误差范围≤0.5℃，为进一步减小传感器误差，提高系统整体测温精度，系统分别采用最小二乘算法和多项式拟合算法进行矫正。具体如下：

（1）搭建平台。

搭建基于MSP430单片机的数据采集系统（测试主机）和温度传感器测试阵列。温度传感器测试阵列包含5个（或更多个）DS18B20温度传感器，采用单总线三线制方式，由MSP430单片机普通IO口直接驱动DS18B20数字温度传感器。

（2）数据采集。

由于每个DS18B20温度传感器的独特性，其误差特性曲线不尽相同。为此我们在高精度恒温槽中对每个DS18B20温度传感器分别进行了温度数据的采集分析。做法是设置恒温槽温度为一固定值，待设定温度误差稳定在±0.05℃时，测试主机开始每5秒采集一次温度数据，并将采集到的数据通过串口发送到上位机进行存储。结合海洋温度分布的特点，我们在-20~50℃之间选择14个温度点分别进行数据的采集分析。（依次为-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℃）。每个传感器在每个温度点连续采集30min，得到360个样本值。

（3）计算校准函数。

a.取上述360点温度数据的平均值作为在该温度点上该温度传感器的实际测量值。以每个传感器在每个温度点的实际测量值为自变量，精确值（恒温槽设置温度值）为因变量，得到了每个DS18B20温度传感器在-20~50℃的离散的温度特性曲线。

b.依次采用最小二乘拟合，3次多项式拟合，由上述离散曲线得到每个传感器对应的连续校准函数。

（4）温度数据校准。

将校准好的DS18B20数字温度传感器布设到测温缆的不同深度上。系统工作时将不同深度上不同的DS18B20数字温度传感器得到的原始的海洋温度数据带到（3）中得到的校准函数当中，函数的输出值即为得到校准后的温度数据，是高精度的海洋温度数据。经过实验测试，采用最小二乘拟合校准可使DS18B20数字温度传感器的误差范围在计算量较小的情况下缩小到≤0.2℃，采用3次多项式拟合校准在增大计算量的情况下可使DS18B20数字温度传感器的误差缩小到≤0.1℃。

所述的最小二乘拟合校准算法如下：设

设DS18B20数字温度传感器的线性误差模型为：，其中，为测量值，为真实值（恒温槽设定温度值），K为随温度变化的线性误差修正系数，c为误差补偿参数。以-10~40℃为例，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个温度点。

定义矩阵

线性拟合的法方程组 为

得到：

即该传感器在-10~40℃之间的校准函数为

同理更换DS18B20传感器，增大温度范围，可以依次求出其它传感器在更大温度范围内的校准函数。三次多项式拟合校准原理不再赘述。

锚系单元3包括锚体8，锚体8为带有空腔并密封的金属体，在空腔内设置电源模块9和电池10，锚体8上端设置有测温电缆单元密封接口，锚系单元3通过测温电缆单元密封接口与最末端测温单节6的向下串联接口连接。锚体8为上边长20cm，下边长40cm，斜边长50cm的密封钢结构四棱台结构，电源模块9包括降压型DC/DC开关电源芯片，输出电压为3.3V和5V，为系统各主要单元提供高效、准确、可靠的电源。电池10为12V、100 Ah锂电池，可稳定支持系统运行一年。

下面介绍基于该系统的海洋温深剖面探测步骤：

步骤一：搭建测试系统

根据海深，选择N个测温单节6组成测温电缆单元2，按照浮标单元1、测温电缆单元2和锚系单元3的顺序连接测试系统，锚系单元3投放沉海，浮标单元1上浮，锚系单元3和浮标单元1将测温电缆单元2拉直固定；

步骤二：海温海深数据采集

各段测温单节6的数据采集模块在系统控制模块的控制下进入工作状态，系统控制模块每个周期T向各个测温单节6发出一次采集数据的指令，各个测温单节6上的温度传感器阵列和压力传感器完成不同海深的温度数据采集，等时间间隔采集n次，各个数据采集模块分别将该段测温单节6的温度深度数据按照该段测温单节6编号上传至系统控制模块中；

步骤三：采集数据处理

系统控制模块首先根据各段测温单节6的深度信息计算得到每个温度传感器的深度信息，每个温度传感器在海水中的具体深度计算方法如下，首先确定出该DS18B20数字温度传感器在哪段测温电缆中，得到该传感器在该段电缆中的序号ID，然后根据该段电缆头部压力传感器的读数和下段测温电缆头部压力传感器的读数，计算出该段电缆头部在海水中的深度为，尾部在海水中的深度为，根据，得到对应传感器在海水中的位置。

按照测温单节6设计时预先实验得到的各个温度传感器对应的校准函数，得到该测温单节6不同深度处的精确温度数据，系统控制模块将接收的不同测温单节6的多个温度数据保存并求平均，通过卫星通信模块5将压缩处理后的温度数据发送到岸基监控中心，岸基监控中心采用插值算法或者模型得到该片海域实时变化的海洋温深剖面信息。

在上述所述步骤二中，数据的传输采用接力传输方式，即，最末端、即第N号测温单节6将自身采集的温度深度数据上传到自己上邻的第N-1号测温单节6的数据采集模块中，第N-1号测温单节6的数据采集模块将自身的温度深度数据与第N号测温单节6的温度深度数据合并上传到第N-2号测温单节6的数据采集模块中，以此类推，将所有测温单节6的温度深度数据合并至最上端、即第1号测温单节6的数据采集模块中，最后将所有测温单节6的温度深度数据上传至系统控制模块中；系统控制模块下达采集数据指令与上述过程相反。

为了提高测量精度，在同一片海域按照步骤一所述方法布设多组测试系统，协同组网采集温度深度数据，汇总温度深度数据到岸基监控中心。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。