0 引言

    海底沉积物中的声速、声衰减系数等声学特性及其空间分布规律无论对于军事角度还是地球物理科学研究都具有极其重要的意义。国际上比较有代表性的测量系统分别是Acoustic Lance(由美国海军资助)^[1]、美国海军实验室研制的ISSAMS(In Situ Sediment Acoustic Measurement System)^[2]和英国的SAPPA(Sediment Acoustic and Physical Properties Apparatus)^[3]。这些系统大多靠自身的重力将声学换能器快速地插入沉积物中，这会对沉积物造成很大的扰动。同时上述测量设备只能工作于有通信电缆的工作模式或自容工作模式，使用局限性较大。

    为了克服上述系统的技术缺陷，本文研制了一种多模式深海沉积物声学原位测控系统。系统将采用液压驱动贯入的方式，可将4根长1.4 m的声学探杆贯入到海底沉积物中。与上述系统相比，液压驱动的操作相比重力贯入的操作大大减小了对沉积物的扰动。并且使用者可根据测量船的实际装备情况选择使用自容工作模式或实时监测模式，从而大大提高了设备的通用性。

1 系统总体结构

1.1 整体设计需求

    整个系统包括甲板操作终端、水下控制系统、水下数据采集存储系统、声学探杆驱动及波束采集系统四部分。本文将主要对测控系统部分进行介绍。根据系统功能的设计需要主要解决以下4个问题^[4]：

    (1)整个系统将被设计成可以适应不同的科考船，兼容有通信电缆连接的实时监控模式和无通信电缆连接的自容工作模式。

    (2)在有通信电缆连接的工作情况下，本系统增加了视频监控功能。

    (3)在有通信电缆连接工作的过程中可以实时地根据海底沉积物情况调整声学换能器的工作参数，如增益、电压等。采集到的声波信号可通过通信线缆传回甲板操作平台。

    (4)工作于自容模式时，系统可根据事先设定的参数在海底自动完成相关测量工作，测量数据将被存储于水下测控系统。

1.2 整体系统框架

    海底多模式测控系统的整体结构主要由电机及其驱动部分、视频监控及测控部分、声学发射及接收采集部分组成。其中视频监控及测控部分包括仪器搭载框架、水下电池舱、水下测控舱、水下摄像机、水下高度计、水下灯以及必要的水密接插件等。系统各部分连接关系如图1所示。

    测控系统是整个系统的核心，是海底沉积物声学原位探测系统高效、长期、稳定运行的关键。本测控系统主要分为两种工作模式：自容工作模式和实时监控模式。自容工作模式无需通信电缆连接，系统会根据设备下放前设定的工作参数在设备坐底后自动完成工作。这里自容工作模式又具体分为延时工作模式和入水触底工作模式。实时监控模式需通信电缆连接，系统工作时可由上位机实时监控设备在水下的运行状态，坐底后可以设定声学探杆的贯入深度及控制声学测量系统工作状态。采集到的沉积物的声波特性将被存储并经测控系统中的MODEM进行ASK调制后通过通信电缆将波形数据传回甲板通信终端，使用相应上位机软件解析数据^[5]。

2 系统硬件

2.1 测控系统电路设计

    测控系统电路主要包括5个开关控制量、6路12 bit的模数转换电路、3路数字电平检测口、3路串口以及1路以太网接口，如图2所示。这5个开关控制量又分为两种：一种开关闭合时将向外输出24 V电压，用来控制水下摄像头和水下照明灯，为其提供电源；另一种作为开关接触器，用来控制声学换能器探杆的电机，分别可实现上提和下插的功能。12 bit的A/D采集电路可采集0 V~3 V的电压信号和4 mA~20 mA的电流信号，可用来采集声学换能器探杆的位移信号、液压油缸的压力信号以及其他水下传感器信号。水下动力电电池组的电压范围为0 V~120 V，由于直接采用电阻分压的方式采集电压不稳定也不安全，这里采用的是WBV342D01电压互感器，可对电网或电路中的直流电压进行实时测量，将其变换为标准的直流电压0 V~5 V输出，交给A/D电路采集。系统提供了3路USART通信接口，1路为RS485，用来接收水下高度计发送的信息。其余2路为RS232，1路用来与换能器驱动及与波束采集系统通过Modbus协议进行通信，1路用来向数据采集存储系统发送工作于自容模式的日志数据。同时系统还提供3路数字电平检测口，用于检测入水传感器、触底传感器和电机故障检测传感器。系统工作于实时监控模式时，系统的数据状态帧和水下视频信号将通过网络经过MODEM或光端机将信号调制成DSL信号或光信号，通过通信电缆传输到水上甲板^[6]。考虑到上述设计资源需求，这里采用ST公司基于Cortox-M3的STM32F107VCT6处理器作为控制核心。

2.2 数据采集存储系统电路设计

    为了能尽可能地采集水下各环境参数，同时考虑到大多数水下传感器的数据接口为RS232，而主控系统串口资源不足，故需单独设计数据采集存储系统。该系统可以用来与多种水下传感器进行连接，如：CTD(盐度、温度、深度)、DO(溶解氧)等。

    本文中数据采集存储系统使用以Cortox-M4 为核心的32 bit处理器STM32F407VET6。本数据采集存储系统包括5路USART、2路12 bit A/D转换电路和microSD卡，如图3所示。USART1和主测控系统相连，用来接收主测控系统的运行状态。工作状态下主测控系统会以每隔1 s的时间间隔发送1帧状态帧。USART2则用来与PC进行通信，可用于系统下水操作前系统时间的校准以及设备测量完成后的系统状态数据导出(设备工作于自容模式)。其他3路USART可用来接收其他水下传感器数据，每个传感器数据将会单独存放在以时间和串口号命名的文件中。

3 系统软件设计

3.1 实时监控模式软件设计

3.1.1 实时监控模式下位机软件设计

    实时监控模式下位机软件设计可以分为以下4个步骤：

    (1)系统初始化，进入实时监控模式。系统上电后，对系统时钟、I/O口、USART、A/D口进行初始化配置。接收模式选择指令，工作于实时监控模式。

    (2)传感器的状态接收。系统在运行的过程中将会通过ADC采集电路、USART串口等不停地采集水下传感器的数据。

    (3)数据帧整合和发送。系统将传感器采集的数据以及系统运行的状态整合成一帧数据帧。数据帧包含固定的帧头、帧尾和数据格式，数据帧内每个传感器状态均以逗号间隔。数据帧格式如图4所示。

    (4)接收上位机发送控制数据指令数据帧。水上甲板上位机软件可向水下下位机发送工作指令，下位机接收到指令后会立刻执行。

    实时模式下位机软件设计流程如图5所示。

3.1.2 实时监控模式上位机软件设计

    实时监控平台包括视频显示区域、相关状态显示区域和指令操作区。视屏显示区域将用来显示水下工作环境和相关机械动作的执行情况。状态显示区域用来显示系统通信连接状态、相关传感器信息。指令操作区主要用来完成水下灯、摄像机的开启关闭和声学换能器探杆的相关操作，包括打开电机和探杆上提、贯入的操作。人机交互界面如图6所示。

3.2 自容模式软件设计

3.2.1 自容模式下位机软件设计

    自容模式下位机软件设计可以分为以下3个步骤：

    (1)系统初始化，进入自容模式。系统上电后，对系统时钟、I/O口、USART、A/D口进行初始化配置。接收模式选择指令，工作于自容模式。

    (2)依次执行相关操作。自容模式又分为触底自容模式和延时自容模式。系统将依次执行相关动作。

    (3)向数据采集存储系统发送系统状态数据帧。自容模式下的数据帧格式与图4显示的帧格式相同。

    自容模式下位机软件设计流程如图7所示。

3.2.2 数据采集存储系统软件设计

    数据采集存储系统的核心处理器内移植了FatFs文件系统。FatFs文件系统具有较高的可配置性，最小配置文件仅需1 KB的RAM空间，非常适用于嵌入式系统。数据采集存储系统的执行过程如下：

    (1)系统初始化和RTC系统时钟的配置。

    (2)根据各个不同的端口(USART、ADC)分别命名文件。

    (3)一旦USART ISR中断被触发同时数据帧格式无误，将会保存在文件中同时在各个数据帧尾加上<CR><LF>。

    (4)当设备出水后，可以使用数据提取处理软件将数据导出到PC上，相关状态可以形成数据曲线。

4 调试与总结

    为了验证本测控系统的可靠性，在实验室工作车间进行了试验验证。经过反复试验可知，系统能按照设计需求安全稳定地运行并完成规定的测量工作。整个测控系统于黄海海试成功，实时模式下，甲板上位机软件能正常显示出系统各时间的工作状态。自容模式下系统也能严格地按照预先设定的工作顺序稳定完成测量工作。

参考文献

[1] GORGAS T J，KIM G Y，PARK S C，et al.Evidence for gassy sediments on the inner shelf of SE Korea from geoacoustic properties[J].Continental Shelf Research，2003，23(8)：821-834.

[2] RICHARDSON M D.In situ and laboratory geoacoustic measurements in soft mud and hard-packed sand sediments[J].Geo-Marine Letters，1996(16)；196-203.

[3] BEST A I，ROBERTS J A，SOMERS M L.A new instrument for making in-situ acoustic and geotechnical measurements in seafloor sediments[J].Underwater Technology the International Journal of the Society for Underwater，1998，23(23)：123-131.

[4] 阚光明，赵月霞，李官保，等.南黄海海底沉积物原位声速测量与实验室声速测量对比研究[J].海洋技术，2011，30(1)：52-56.

[5] 艾勇福，刘敬彪，盛庆华.深海中深孔钻机监控系统设计与实现[J].电子器件，2009，32(6)：1102-1105.

[6] ZHANG H，LIU J，YU H.Design of new marine environmental data acquisition and transmission system[C].Proceedings of 2010 The 3rd International Conference on Computational Intelligence and Industrial Application(Volume 2)，2010.