本发明涉及验潮仪技术领域，特别是涉及一种基于北斗和声测深技术的验潮仪系统。
背景技术：
目前，为了采集外海的潮汐数据，通常只能采用自容式压力验潮仪。对于自容式压力验潮仪，其在采集数据时需要把压力验潮仪至于水下，但在外海没有安装支撑点，只能把自容式压力验潮仪安装在一个铁质验潮仪支架上，然后把验潮仪支架抛设置海底，潮仪支架通过钢丝缆与一个铁锚连接，在验潮仪对潮汐数据采集一定时间后，再把验潮仪捞取上来，并从验潮仪上下载潮汐数据，然后再次抛设重复进行。
其中，在捞取验潮仪时，需要使用船舶拖着置于海底的另一个铁锚进行，船舶拖动该铁锚围绕抛设验潮仪位置转动，如果该铁锚挂到与验潮仪支架相连接的钢丝缆，即可把验潮仪捞出海底。因此，对于目前的自容式压力验潮仪，其采取的工作方式，因为验潮仪支架比较重并且重复抛设，使得工作人员不仅工作强度较大，而且验潮仪容易因为被海水冲刷而导致位置偏移、水深太深，进而导致用于捞取验潮仪的铁锚不能抓取到海底的钢丝缆，或者因验潮仪在水下，渔船无法发现而被拖带甚至拖走，最终导致无法找到验潮仪，使得验潮仪丢失，因此，不仅给验潮仪用户带来严重的经济损失，而且造成验潮仪所采集的潮汐数据丢失，无法保证验潮仪用户对海上定点验潮站的潮汐数据采集需求。
因此，目前迫切需要开发出一种技术，其可以安全、可靠地对海上定点验潮站的潮汐数据进行采集，验潮仪不容易丢失，并且工作人员的使用工作强度低，充分满足验潮仪用户对海上定点验潮站的潮汐数据采集需求。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于北斗和声测深技术的验潮仪系统，其可以安全、可靠地对海上定点验潮站的潮汐数据进行采集，验潮仪不容易丢失，并且工作人员的使用工作强度低，充分满足验潮仪用户对海上定点验潮站的潮汐数据采集需求，能够避免给验潮仪用户带来严重的经济损失，给验潮仪用户带来极大的便利，有利于广泛的推广应用，具有重大的生产实践意义。
为此，本发明提供了一种基于北斗和声测深技术的验潮仪系统，包括验潮仪、第一北斗模块和数据服务器，其中：
所述验潮仪包括声学换能器、换能器控制模块、数据采集模块和第二北斗模块，其中：
声学换能器，用于每接收到换能器控制模块发来的一个采集控制信号，即执行一次数据采集操作，所述数据采集操作具体为：根据采集控制信号向海底发射声波信号，对应接收从海底反射的所述声波信号，然后把反射声波信号发送给换能器控制模块；
换能器控制模块，与声学换能器相连接，用于根据预设的信号发送规则，发送采集控制信号给所述声学换能器，以及每发送一次控制信号即记录一次发射时刻，并且每接收到所述声学换能器在执行一次数据采集操作后发来的、经过海底反射回来的声波信号后，即记录一次接收时刻，根据同一声波信号对应的发射时刻和接收时刻，即实时计算获得该次数据采集操作中所述声波信号在海水中的往返传输时间，然后根据所述声波信号在海水中的传播速度，计算获得该次数据采集操作对应的所述验潮仪所放置地点的声学换能器表面处的水深测量值，然后发送给数据采集模块；
数据采集模块，与换能器控制模块相连接，用于实时接收所述换能器控制模块发来的每次数据采集操作对应的所述验潮仪所放置地点的水深测量值，然后对预设时长内获得的多个所述验潮仪所放置地点的水深测量值，执行求平均值操作，最终获得所述验潮仪所放置地点的水深实际值，然后编码生成预设报文信息后发送给第二北斗模块；
第二北斗模块，与数据采集模块相连接，用于接收所述数据采集模块发来的预设报文信息，然后无线发送给第一北斗模块；
第一北斗模块，与第二北斗模块相无线连接，用于无线接收所述第二北斗模块发来的预设报文信息，然后转发给数据服务器；
数据服务器，与第一北斗模块相连接，用于接收所述第一北斗模块发来的预设报文信息，并进行相应解码后获得所述验潮仪所放置地点的水深实际值，根据预设潮汐值计算操作，获得所述验潮仪所放置地点的潮汐值。
其中，所述验潮仪漂浮在海上定点验潮站所在位置的海面。
其中，所述数据采集模块还用于接收所述第二北斗模块发来的所述验潮仪所放置地点的定位信息和时钟信息，然后与所述验潮仪所放置地点的水深实际值一起，编码生成所述预设报文信息后发送给第二北斗模块；
对应地，所述第二北斗模块，还用于实时采集所述验潮仪所放置地点的定位信息和时钟信息，然后发送给所述数据采集模块，以及用于接收所述数据采集模块发来的预设报文信息，然后发送给第一北斗模块；
对应地，所述数据服务器，用于接收所述第一北斗模块发来的报文信息，并进行相应解码后获得所述验潮仪所放置地点的定位信息、时钟信息以及水深实际值。
其中，所述预设报文信息为短报文信息。
其中，对于换能器控制模块，所述预设的信号发送规则具体为：每间隔一个预设信号采集周期，即在一个分钟时长内的每秒钟都实时发送五个采集控制信号给所述声学换能器。
其中，所述验潮仪所放置地点的声学换能器表面处的水深测量值h的计算公式具体为：
h＝v*t/2；
其中，根据声波信号发射时刻以及对应的声波信号接收时刻，获得声波信号在海水中的往返传输时间t；v为声波信号在海水中的传播速度。
其中，所述数据采集模块具体仅对预设时长内获得的、符合预设数值范围内的多个所述验潮仪所放置地点的水深测量值，执行求平均值操作。
其中，所述预设潮汐值计算操作具体为：
运行潮汐值z的计算公式，该计算公式如下：
z＝h-(msl-l)+d；
其中，h：所述验潮仪所放置地点的水深实际值；
l：所述验潮仪所放置地点的深度基准面；
d：所述验潮仪的静吃水，即所述验潮仪的声学换能器表面到海面的距离。
msl：所述验潮仪所放置地点相对海底的平均海面。
其中，所述验潮仪中还包括供电系统，所述供电系统包括可充电锂电池和太阳能电池板，其中：
可充电锂电池，分别与所述声学换能器、换能器控制模块、数据采集模块和第二北斗模块相连接，用于对所述声学换能器、换能器控制模块、数据采集模块和第二北斗模块进行供电，并实时存储太阳能电池板传输过来的电能；
太阳能电池板，与可充电锂电池相连接，用于采集外部的太阳能，并转化为电能后传输给可充电锂电池存储。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提出了一种基于北斗和声测深技术的验潮仪系统，其可以安全、可靠地对海上定点验潮站的潮汐数据(具体为验潮仪放置地点的潮汐值)进行采集，验潮仪不容易丢失，并且工人人员的使用工作强度低，充分满足验潮仪用户对海上定点验潮站的潮汐数据采集需求，能够避免给验潮仪用户带来严重的经济损失，给验潮仪用户带来极大的便利，有利于广泛的推广应用，具有重大的生产实践意义。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于北斗和声测深技术的验潮仪系统的结构框图；
图2为对于本发明提供的一种基于北斗和声测深技术的验潮仪系统，位于海面上的验潮仪的相关位置关系示意简图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，本发明提供了一种基于北斗和声测深技术的验潮仪系统，可以安全、可靠地对海上定点验潮站的潮汐数据进行采集，并且验潮仪可定位跟踪不容易丢失，该系统包括验潮仪10、第一北斗模块20和数据服务器30，其中：
所述验潮仪10包括声学换能器100、换能器控制模块200、数据采集模块300和第二北斗模块400，其中：
声学换能器100，用于每接收到换能器控制模块200发来的一个采集控制信号，即执行一次数据采集操作，所述数据采集操作具体为：根据采集控制信号向海底发射声波信号，对应接收从海底反射的所述声波信号，然后把反射声波信号发送给换能器控制模块200；
换能器控制模块200，与声学换能器100相连接，用于根据预设的信号发送规则，发送采集控制信号给所述声学换能器100，以及每发送一次控制信号，即记录一次发射时刻(即向海底发射声波信号的时刻)，并且每接收到所述声学换能器100在执行一次数据采集操作后发来的、经过海底反射回来的声波信号后，即记录一次接收时刻，根据同一声波信号对应的发射时刻和接收时刻，即实时计算获得该次数据采集操作中所述声波信号在海水中的往返传输时间，然后根据所述声波信号在海水中的传播速度，计算获得该次数据采集操作对应的所述验潮仪所放置地点(即海上定点验潮站)的声学换能器表面处的水深测量值(即所述验潮仪中的声学换能器表面距离海底的测量距离)，然后发送给数据采集模块300；
数据采集模块300，与换能器控制模块200相连接，用于实时接收所述换能器控制模块200发来的每次数据采集操作对应的所述验潮仪所放置地点的水深测量值，然后对预设时长内(例如五分钟)获得的多个所述验潮仪所放置地点的水深测量值，执行求平均值操作，最终获得所述验潮仪所放置地点的水深实际值，然后编码生成预设报文信息后发送给第二北斗模块400；
第二北斗模块400，与数据采集模块300相连接，用于接收所述数据采集模块300发来的预设报文信息，然后无线发送给第一北斗模块20(通过卫星)；
第一北斗模块20，安装在用户预设的位置(例如陆地数据中心)，与第二北斗模块400相无线连接，用于无线接收所述第二北斗模块400发来的预设报文信息，然后转发给数据服务器30；
数据服务器30，安装在用户预设的位置(例如陆地数据中心)与第一北斗模块20相连接，用于接收所述第一北斗模块20发来的预设报文信息，并进行相应解码后获得所述验潮仪所放置地点的水深实际值，根据预设潮汐值计算操作，获得所述验潮仪所放置地点的潮汐值。
在本发明中，具体实现上，所述验潮仪在采集潮汐数据时，其漂浮在需要进行验潮的位置(即海上定点验潮站)的海水表面，验潮仪设备随海面升降而上下浮动，保证该验潮仪设备能够得到该位置的实时水深值。
在本发明中，具体实现上，所述声学换能器可以为现有的任意一种声学换能器，具体优选是频率为200k～400k的声学换能器。
在本发明中，具体实现上，所述声学换能器可以采用现有国内厂家生产的200-400k的换能器，如江苏中海达海洋信息技术有限公司生产的型号为dsa-390或ds-30b的通用换能器。
在本发明中，具体实现上，所述第一北斗模块20和第二北斗模块400可以为现有的北斗通信模块。
在本发明中，具体实现上，所述换能器控制模块200和数据采集模块300可以为可编程控制器plc、中央处理器cpu、数字信号处理器dsp或者单片机mcu。
对于本发明，优选地，具体实现上，所述数据采集模块300还用于接收所述第二北斗模块400发来的所述验潮仪所放置地点的定位信息和时钟信息，然后与所述验潮仪所放置地点的水深实际值一起，编码生成所述预设报文信息后发送给第二北斗模块400；即此时，预设报文信息包括所述验潮仪所放置地点的定位信息、时钟信息以及水深实际值；
对应地，此时，所述第二北斗模块400，还用于实时采集所述验潮仪所放置地点的定位信息和时钟信息，然后发送给所述数据采集模块300，以及用于接收所述数据采集模块300发来的预设报文信息，然后发送给第一北斗模块20；
对应地，所述数据服务器30，用于接收所述第一北斗模块20发来的报文信息，并进行相应解码后获得所述验潮仪所放置地点的定位信息、时钟信息以及水深实际值。因此，对于本发明，此时可以获得所述验潮仪在具体放置地点、具体放置时刻对应的水深实际值，以及根据后续的预设潮汐值计算操作，获得对应的潮汐值。
具体实现上，在本发明中，所述预设报文信息优选为短报文信息，即短报文通信信息，该信息采用现有的北斗卫星通信信号进行通信。
在本发明中，具体实现上，对于换能器控制模块200，所述预设的信号发送规则可以根据用户的需要进行任意设置，例如可以优选为：每间隔一个预设信号采集周期(如五分钟)，即在一个分钟时长内的每秒钟都实时发送五个采集控制信号给所述声学换能器100。因此，可以实现每秒钟采样数据五次，最终实现每间隔一个预设信号采集周期(如五分钟)，即可实现获得三百个实时水深值。
在本发明中，具体实现上，需要说明的是，对于一次数据采集操作，根据声波信号发射时刻以及对应的声波信号接收时刻，可以获得声波信号在海水中的往返传输时间t，根据声波信号在海水中的传播速度v(例如为1500m/s)，通过验潮仪所放置地点的水深测量值(即所述声学换能器表面距离海底的测量距离)计算公式，可以计算获得所述验潮仪所放置地点的水深测量值(即所述声学换能器表面距离海底的距离)h。
所述验潮仪所放置地点的水深测量值(即所述验潮仪中的声学换能器表面距离海底的测量距离)h的计算公式具体为：
h＝v*t/2；
其中，根据声波信号发射时刻以及对应的声波信号接收时刻，可以获得声波信号在海水中的往返传输时间t；v为声波信号在海水中的传播速度(例如为1500m/s)。
本发明中，为了获得一次数据采集操作中所述声波信号在海水中的往返传输时间，即将声波信号接收时刻与声波信号发射时刻进行相减操作。
在本发明中，具体实现上，所述数据采集模块300具体仅对预设时长内(例如五分钟)获得的、符合预设数值范围内的多个所述验潮仪所放置地点的水深测量值h，执行求平均值操作(即进行异常值过滤，对过滤后的有效水深值进行求平均值操作)，这时候，获得所述验潮仪所放置地点的水深实际值h。因此，可以剔除掉数值明显不合理的水深测量值h，既可以保证正确的反应潮汐变化，又可以消除波浪对潮汐的影响。
在本发明中，具体实现上，对于数据服务器30，参见图2，所述预设潮汐值计算操作具体为：
运行潮汐值z的计算公式，该计算公式如下：
z＝h-(msl-l)+d；
其中，h：所述验潮仪所放置地点的水深实际值(即所述验潮仪包括的声学换能器表面距离海底的实际距离)；
l：所述验潮仪所放置地点的深度基准面，即验潮仪所放置地点对应的海上定点验潮站的深度基准面l值；
d：所述验潮仪的静吃水，即所述验潮仪的换能器表面到海面的距离，对于相同的所述验潮仪设备，该值为固定值，可以直接量取。
msl：所述验潮仪所放置地点相对海底的平均海面。
对于本发明，需要说明的是，多年的平均海面msl0：根据国家标准《海道测量规范》(gb12327-1998)6.1.5节的定义，长期验潮站的平均海面采用2年(含)以上连续水位观测数据，取其每小时的平均值来求得平均海面。
深度基准面l通常取在当地(例如某个海域，如渤海海域)多年来平均海面下深度为l的位置。目前，求算深度基准面的原则，是既要保证舰船安全，又要考虑航道利用率，同时相邻水域深度基准面尽可能一致，由于各国求l值的方法有别，因此采用的深度基准面也不同。中国在1956年以后采用理论深度基准面。不同水域的深度基准面不同，长期验潮站的深度基准面l0可以通过公开发行海图上的潮信表或公开发行的潮汐表获取。
目前，海上定点验潮站的平均海面msl：海上定点验潮站平均海面可以经过同步验潮后通过《海道测量规范》(gb12327-1998)第6.1.5节的同步改正法进行计算。同步改正法，通过采用一定时间周期的同步观测水位平均值，首先计算长期验潮站的该时期的平均海面与其多年平均海面的插值即同步改正数，然后将海上定点验潮站该时期平均海面加上此同步改正数，即可求得海上定点验潮站的平均海面。
需要说明的是，海上定点验潮站的深度基准面l：海上定点验潮站的深度基准面l值的计算方法很多，可以通过潮差比法计算。潮差比计算公式为l＝ra/rb*l0，其中：
ra：海上定点验潮站同步验潮期间的高潮平均值和低潮平均值的差值；
rb：长期验潮站同步验潮期间的高潮平均值和低潮平均值的差值；
l0：长期验潮站的深度基准面。
其中，同步观测指长期站和海上定点验潮站在相同时间周期内进行潮汐采集或观测，每10分钟分别获取一个观测值或采集值。
在本发明中，具体实现上，所述数据服务器30内具有数据存储模块(例如硬盘)，可以实时存储所述第一北斗模块20发来的预设报文信息，以及存储所获得的所述验潮仪所放置地点的潮汐值。
对于本发明，为了保证验潮仪的长时间运行，所述验潮仪10中还包括供电系统，所述供电系统包括可充电锂电池和太阳能电池板，其中：
可充电锂电池，分别与所述声学换能器100、换能器控制模块200、数据采集模块300和第二北斗模块400相连接，用于对所述声学换能器100、换能器控制模块200、数据采集模块300和第二北斗模块400进行供电，并实时存储太阳能电池板传输过来的电能；
太阳能电池板，与可充电锂电池相连接，用于采集外部的太阳能，并转化为电能后传输给可充电锂电池存储。
对于本发明，需要说明的是，自然界中，海水水面在不断的升降变化，水面到海底的距离即实时水深也就随之变化。水深测量通常在升降的水面上进行，因此不同时刻测量同一点的实时水深是不相同的，这个差数随各地的潮差大小而不同，在一些海域十分明显。为了修正测得实时水深中的潮高，必须确定一个起算面，把不同时刻测得的某点实时水深归算到这个面上，这个面就是深度基准面l。深度基准面是相对固定不变的，通常取在当地多年平均海面下距离为l的面。某点某一时刻的潮汐值z就是该点该时刻的海面与深度基准面l之间的距离。
对于本发明，其中采用的新型验潮仪在采集潮汐时漂浮在海水表面，与现有技术相比较，不存在渔船无法发现而被拖走的风险，不需要把验潮仪安装在笨重的铁质安装架上，也不需重复进行海底抛设、打捞，采集的数据实时通过北斗模块把潮汐值、时间、位置等相关数据发送到安装在陆地数据中心的数据服务器，因此，对于本发明，即使验潮仪意外丢失，也不会影响已经采集的数据，同时可以根据位置信息进行跟踪。因此，本发明与现有的海底抛设自容验潮仪方式相比，降低了验潮工作强度、减少了丢失的风险，解决了因设备丢失引起数据丢失而造成不必要的损失。
因此，综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种基于北斗和声测深技术的验潮仪系统，其可以安全、可靠地对海上定点验潮站的潮汐数据进行采集，验潮仪可定位跟踪不容易丢失，并且工作人员的使用工作强度低，充分满足验潮仪用户对海上定点验潮站的潮汐数据采集需求，能够避免给验潮仪用户带来严重的经济损失，给验潮仪用户带来极大的便利，有利于广泛的推广应用，具有重大的生产实践意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。