投棄式溫深計

投棄式溫度剖面測量系統( expendable bathythermograph，XBT) 也稱為投棄式溫度深度計，主要用於船隻在走航中快速測量海水的溫度剖面數據。目前，XBT 技術最為成熟的是美國和日本，且早已產品化。我國的 XBT 研發尚處於起步階段，只有個別科研單位在研製且發展緩慢，主要原因是其中幾項關鍵技術尚未取得完全突破，包括溫度感測器技術、信號傳輸線的繞線工藝、探體在海水中下落深度的計算等。

基本介紹

• 中文名：投棄式溫深計
• 外文名：expendable bathythermograph
• 簡稱：XBT
• 別稱：投棄式溫度剖面測量系統
• 基本釋義：船隻快速測量海水的溫度數據。
• 歸屬學科：能源工程

引言

投棄式溫深儀(XBT) 是一種快速機動測量海洋溫度剖面的投棄式測量感測器，廣泛套用于海洋環境調查、科學研究以及國防軍事等領域。XBT由探頭、傳輸線、發射器和數據採集系統組成。XBT探頭入水後即開始海水溫度的測量，XBT探頭在下落過程中釋放內藏的傳輸線，XBT所測溫度經傳輸線傳送到與其相連的船上數據收集系統。為了確定海水的溫度剖面曲線，需要將所測溫度與相應的海水深度對應。XBT不攜帶壓力測量元件，其下落深度需通過一個經驗公式又稱下降速率公式(falling rate equation，FRE) 計算得到。計算公式準確與否直接影響了XBT溫度剖面曲線的可靠性，這一問題至今仍是世界各國學者討論的熱點。XBT探頭的下降速率公式與探頭的本身性質有關，同時也受投放環境的影響。

XBT的結構和工作原理

船用投棄式溫深計包括探體、發射器、甲板處理單元及數據顯示記錄儀器，其中探體是發射入水中消耗掉的部分，一般為魚雷型流線結構，探體頭上安置溫度感測器以測量海水溫度，並將採集的信號通過信號線( 漆包線) 傳輸到船上的甲板處理單元處理並顯示。探體及發射筒的結構如圖 1所示。

探體入水後，探體上的電極通過海水與接地線形成迴路，溫度測量電路開始工作，採集海水溫度的同時計算探體的下落深度，並由計算機顯示，實時觀察海洋的溫度剖面。探體達到最大深度後，細銅線自動斷開，完成本次測量。整個系統如圖2所示。

圖片1

圖片2

數據傳輸系統的技術要求及設計實現

數據傳輸系統的技術要求

XBT包括水下、水上二部分，水下部分為數據採集器，水上部分為數據處理器。這兩部分通過直徑約0.1 mm的傳輸導線（漆包線）在海水中傳輸數據。傳輸導線長度約3000m，測量前傳輸線分繞在兩個線軸上，測量時隨著水下部分在水中自由下落，兩線軸自然展開。由於線徑很細，傳輸導線的直流電阻很大，線間電容和等效電感的數值也很大，並且隨著線軸展開，其數值變化較大，使數據在傳輸過程中產生嚴重衰減和形變。對此傳輸距離長、幅度衰減和波形畸變嚴重且信道參數快速時變的多種通信不利條件，需要採取各種有效措施，保證數據傳輸的可靠性。由於水下數據採集器的輸出為RS232接口，RS232接口數據傳輸距離較短，在無中繼放大的情況下傳輸距離僅為十幾米，而根據本數據傳輸系統的技術要求，在測量過程中隨著傳輸導線的不斷展開， 展開的導線長度變化範圍為0~3 000 m，不可能採取中繼放大的方案。由於船用投棄式溫深測量儀中的傳輸導線為直徑約0.1 mm的漆包線，並非常用的RS232傳輸導線，所以傳輸效果較傳統雙絞線更差。

水下數據傳送電路的設計

水下數據傳送電路主要使用的器件：電子開關DG418、分頻晶片HEF4040、低偏移電壓運算放大器OP07和用於基帶信號與載波同步的D觸發器SN74HC74等。本數據傳送電路採用ASK（幅度鍵控）方式進行數字調製。利用電子開關DG418的選通功能，根據輸入數據狀態的1或0，選擇載波的輸出的通或斷，從而實現對傳送數據的ASK調製。ASK調製所需載波由負責數據採集的單片機的ALE連線埠給出，使用分頻晶片HEF4040對來自單片機ALE的信號進行分頻，得到需要的頻率為1800 Hz的方波作為載波。為保證數據採集單片機輸出的基帶數據信號與載波的同步，選用D觸發器SN74HC74用於實現基帶數據與載波的同步。為克服傳輸過程中的線上衰減，需要對上線前的信號進行放大，放大採用兩片低偏移電壓運算放大器OP07進行雙向驅動放大，放大後的信號可進行上線傳輸。

水上數據接收電路的設計

水上數據接收電路主要使用的器件：低功耗儀表放大器AD620、運算放大器UA741、比較器LM311和用於提高驅動能力的反相器HD74HC04等。接收端使線上信號先通過由電阻和電容構成的微分電路，以去除線上的積分效應。然後採用低功耗放大器AD620對信號進行放大，再將信號通過UA741對放大後的信號進行低通濾波。為提高比較器後信號的驅動能力，使信號依次通過兩個反相器HD74HC04以提高信號的驅動能力。解調方式採用二極體包絡檢波，對檢波後的信號利用比較器LM311的比較功能輸出所需的TTL電平。在比較器之前仍然採用UA741對檢波後的信號進行低通濾波。

XBT探體下落深度計算與分析

探體下落深度計算

XBT測量海水深度是根據探體下落時間計算得出的，探體下落深度計算的準確性直接影響XBT測量的溫度剖面是否正確。由於探體在水中的運動十分複雜，並且每個探體之間存在一定偏差，運動姿態並不完全一樣，探體所受摩擦阻力、形狀阻力等阻力係數也很難確定，因此簡單的力學分析和運動學計算公式無法完整、準確地表述XBT的下落深度，本文在理論分析的基礎上得到XBT探體在海水中下落深度的計算公式及相關參數。持續運動物體運動的距離S與時間t的關係可以用一個的一元二次方程表達:S = at － bt^2

其中，a為探體入水時的初速度，單位m/s，b為1 /2加速度，單位m / s2。由於探體在入水後才開始工作，因此只要確定了入水後的a和b的值，便可計算出探體在水中的下落深度。

探體重量對下落深度計算的影響分析

探體入水的姿態取決於投放時發射筒的傾斜角度，研究發現，當發射筒的傾斜角度為45°左右時探體入水的姿態最好，基本垂直入水。入水的初速度主要與發射時距離水面的高度有關，而在實際的使用中，不同的船只有不同的高度，投放時沒有統一的高度標準。由於受目前國內機械加工能力的限制以及探體內線軸繞線帶來的重量誤差等因素，每個探體的重量不能保證完全一致，重量偏差不可避免。