75kHz声学多普勒流速剖面仪ADCP技术规格书0322.docx
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75kHz声学多普勒流速剖面仪ADCP技术规格书0322
75kHz自容式声学多普勒流速剖面仪
技术规格书
中国科学院声学研究所
2014年3月
1简介
75kHz自容式声学多普勒流速剖面仪(Self-containedAcousticDopplerCurrentProfilers,ADCP)采用多普勒原理测量其自身相对海流的运动速度,壳体为铝合金材料,整机耐压3000米,最大测流量程500米,广泛用于海洋流场长期定点观测,实物照片如图1所示。
图1多普勒流速剖面仪照片
2主要性能指标
(1)工作频率:
75kHz
(2)测速范围:
±10m/s
(3)准确度:
±1%测量值±0.5cm/s
(4)测流层数:
1~128层;分层厚度:
4,8,16,32m
(5)测流最大作用距离:
500m1
(6)数据接口:
RS422;波特率:
300至11520,缺省9600
(7)内置压力、温度、方位和姿态传感器
(8)数据内存容量:
2GB
(9)功耗:
30V供电时,待机功耗小于20mW,低功率发射时功耗小于5W,高功率发射时功耗小于25W
(10)电源:
直流输入,24-50V;4个550WH电池组,开路电压40~42V
(11)主机外径:
φ561mm⨯1037mm(不包含插座高度),壳体材料:
铝合金;相关尺寸见图2
(12)环境适应性:
工作温度:
-5︒C--+45︒C;储存温度(不含电池):
-30︒C--+50︒C
(13)最大工作水深:
3000m
(14)重量:
95kg(空气中)/约58kg(水中)
注:
1,流散射强度不低于-70dB条件下
图23000米耐压75kHz自容式ADCP外形尺寸
3接口
3.1电气接口
在ADCP的上部有2个插座,分别为9芯的工作接口(采用Subconn公司MCLPBH9MSS型插座)和7芯网络测试接口(采用Subconn公司MCLPBH7MSS型插座),信号定义见图1和表2;
1)工作接口
供电电压范围为电压范围为24~50V;
数据通讯采用RS422形式,缺省通讯设置波特率为9600,1位停止位,无校验,ADCP通过RS422接口接收主控计算机的命令同时把测量数据发送给主控计算机,软件协议见3.3数据接口部分。
RS422电平转换芯片型号为MAX3491EESD。
同步信号可通过跳线选择(需打开ADCP后盖进行跳线,默认为RS485接口)为光耦隔离的5VCMOS电平或RS485信号(Trigger+、Trigger-分别对应RS485信号A、B),可通过软件选择为输入同步或输出同步,输入同步时脉冲宽度需不小于2ms,输出同步时脉冲宽度固定为20ms。
2)调试接口
测试接口一般做调试用,可对ADCP的使用进行相对复杂的设置和调试,采用10M以太网接口。
表1工作接口信号定义
针数
定义
说明
1
Shield
屏蔽
2
Bat+
外部输入电源正
3
Bat-
外部输入电源负
4
RS422T+
ADCP端串口发送正
5
RS422T-
ADCP端串口发送负
6
RS422R+
ADCP端串口接收正
7
RS422R-
ADCP端串口接收负
8
Trigger+
同步信号正
9
Trigger-
同步信号负
表2调试接口信号定义
针数
定义
说明
1
Shield
屏蔽
2
NetTx+
ADCP端网络发送正
3
NetTx-
ADCP端网络发送负
4
NetRx+
ADCP端网络接收正
5
NetRx-
ADCP端网络接收负
6
Bat+In
电池开关
7
Bat+Out
电池开关
3.2安装接口
ADCP与载体的安装主要通过抱瓦安装。
需根据ADCP筒体直径(
)加工相应的抱瓦,通过抱瓦实现与载体的安装,图3是ADCP通过抱瓦安装在支架上的情况。
图3抱瓦安装方式
3.3数据接口
ADCP配置参数可以通过10Mbps以太网接口实现,在这种方式只需把调试电缆接上其7芯插座,并在计算机上运行显控软件ADCPPanel,按照操作说明即可完成对ADCP所有工作参数的配置,并获取ADCP测量的实时结果数据和内记结果数据。
为与国外产品兼容,也可以通过RS422串口完成ADCP的配置,其测量的结果数据也可以通过串口输出,在串口配置情况下,命令格式、数据输出格式都与RDI公司ADCP现有格式保持兼容,并对数据输出格式做了适当简化,具体可参考RDI公司ADCP文档“WorkHorseCommandsandOutputDataFormat.pdf”,目前软件能实现的串口命令格式和数据格式见3.3.1和3.3.2,若需要实现其它串口命令和输出格式,则需对软件进行定制。
ADCP共有四种状态,即工作状态、参数配置状态、休眠状态和断电状态,其中工作状态为ADCP正常测量状态;休眠状态为ADCP休眠,此时ADCP进入低功耗模式;参数配置状态为ADCP停止工作,等待接收用户的参数配置命令;断电状态为ADCP彻底断电。
以下主要介绍在使用串口情况下对ADCP进行配置的命令格式和数据格式。
首先,ADCP采用了一个较为特殊的命令,该命令不更改ADCP的配置参数,只用于ADCP状态的切换,即Break命令,用串口的Break状态(Break状态不是串口输出的某个特定字符,而是一种串口的状态,从物理电平上看就是串口的输出从闲态的逻辑1变化为较长持续时间的逻辑0,持续时间一般需大于200ms,之后再次变为逻辑1)实现。
工作状态下,Break命令用来停止ADCP的工作使其进入参数配置状态;如果ADCP处于休眠的状态,用Break可以唤醒ADCP,并进入参数配置状态。
需注意如果ADCP处于断电状态,则在上电后直接进入工作状态,而RDI公司ADCP在更换电池后先进入休眠状态,用法略有不同,这里的更改主要是出于具体使用方便的考虑,具体如图4所示:
图4ADCP主机状态切换示意图
其它命令采用“字母数字回车”格式,如”WS3200
数据输出有两种协议:
PD0格式、PD6格式,均为RDI公司ADCP规定的标准格式;其中PD0格式包含了ADCP可提供的全部数据内容,为二进制格式,PD6为RDI专为ADCP设计的格式,用ASCII码表示,不输出测流数据。
3.3.1命令格式
根据目前项目需求,只实现了部分RDI公司ADCP的命令,
CS
功能:
开始工作
格式:
CS
描述:
命令ADCP进入工作状态
举例:
CS
CB
功能:
设置串口通信参数(波特率、校验位、停止位)
格式:
CBnnn
描述:
第一个n表示波特率,第二个n表示校验位,第三个n表示停止位,具体如下表所示:
表3CB命令定义
波特率
校验位
停止位
0=300
1=无校验(默认)
1=1个停止位
1=1200
2=偶校验
2=2个停止位
2=2400
3=奇校验
3=4800
4=9600(默认)
5=19200
6=38400
7=57600
8=115200
举例:
CB411
默认:
CB411
Break
功能:
中断或唤醒
格式:
串口Break状态,至少保持400ms
描述:
命令ADCP进入参数配置状态
举例:
串口Break状态,等待串口提示ADCP收到Break
CK
功能:
保存参数配置
格式:
CK
描述:
将目前的ADCP参数配置保存至非易失存储器,掉电后不丢失,ADCP重新上电后即采用该配置
举例:
CK
CQ
功能:
调整发射功率
格式:
CQnnn
描述:
nnn表示发射功率,只能取000或255,000表示低功率发射,255表示高功率发射
举例:
CQ000
默认:
CQ255
CZ
功能:
休眠
格式:
CZ
描述:
命令ADCP进入休眠状态
举例:
CZ
AF
功能:
校准姿态传感器的Heading值,去除环境磁场的影响
格式:
AF
描述:
发送该命令后,需转动ADCP,使其处于至少12种不同的姿态,否则会使姿态传感器失效,一般情况下不建议使用该命令。
举例:
AF
AR
功能:
姿态传感器恢复出厂设置
格式:
AR
描述:
如果校准失败导致姿态传感器失效,可用该命令使姿态传感器恢复出厂设置
举例:
AR
AZ
功能:
校准压力传感器
格式:
AZ
描述:
该命令需在空气中进行,校准压力传感器的0点
举例:
AZ
BF
功能:
设置预估底深
格式:
BFnnnnn
描述:
nnnnn为预估底深,单位分米,0为不采用预估底深
举例:
BF01000
默认:
BF00000
BK
功能:
设置水团跟踪模式
格式:
BKn
描述:
n为0-3,具体如下表所示:
表3BK命令定义
命令
描述
BK0
关闭水团跟踪模式
BK1
每个底ping之后发送一个水团跟踪ping
BK2
在底ping找不到底的情况下,每个底ping之后发送一个水团跟踪ping
BK3
禁止底ping,使能水团跟踪ping
举例:
BK0
默认:
BK0
BL
功能:
设置水团跟踪参数
格式:
BLmmm,nnnn,ffff
描述:
mmm为最小水层厚度(0-999分米)
nnnn为近端边界(0-9999分米)
ffff为远端边界(0-9999分米)
BL命令设置了水团跟踪层,水团跟踪的结果可用作底ping结果无效时的参考值,当近端边界加最小水层厚度大于80%底深时,无水团跟踪ping,如下图所示:
图5水团跟踪的范围
举例:
BL160,320,480
默认:
BL160,320,480
BX
功能:
设置最大测底深度
格式:
BXnnnn
描述:
nnnn为最大底深,单位分米
举例:
BX2000
默认:
BX2000
BP
功能:
设置测底帧数
格式:
BPnnn
描述:
nnn为帧数,只能为000或001
举例:
BP000
默认:
BP001
WF
功能:
设置盲区长度
格式:
WFnnnn
描述:
nnnn为盲区长度,单位厘米,最小176厘米
举例:
WF0200
默认:
WF0176
WC
功能:
设置测流相关系数门限
格式:
WFnnn
描述:
nnn为相关系数门限
举例:
WF051
默认:
WF051
WS
功能:
设置层厚
格式:
WSnnnn
描述:
nnnn表示具体层厚,单位厘米
举例:
WS0800
默认:
WS0400
WN
功能:
设置层数
格式:
WNnnn
描述:
nnn表示层数
举例:
WN020
默认:
WN030
WP
功能:
设置测流帧数
格式:
WPnnnnn
描述:
nnnnn表示帧数,只能为00000或00001
举例:
WP00000
默认:
WP00001
EX
功能:
设置坐标系
格式:
EXnnnnn
描述:
具体如下表所示:
表4EX命令定义
设置
功能
EX00xxx
波束坐标系,输出四个波束单独解算出的速度,不用Pitch、Roll和Heading
EX01xxx
设备坐标系,输出相对于ADCP设备本身的X向、Y向、Z向,不用Pitch、Roll和Heading
EX10xxx
船坐标系,输出相对于船的X向、Y向、Z向,不用Heading
EX11xxx
大地坐标系,输出相对于大地的东向、北向、垂向速度,用Pitch、Roll和Heading
EXxx1xx
采用Pitch和Roll
EXxxx1x
是否允许三波束解算
EXxxxx1
是否允许流层映射
举例:
EX10111
默认:
EX10111
ES
功能:
设置盐度千分比
格式:
ESnn
描述:
nn表示水体盐度千分比
举例:
ES35
默认:
ES35
EZ
功能:
设置传感器数据来源
格式:
EZcdhprst
描述:
具体如下描述:
表5EZ命令定义
位
功能
c
声速,0为手动设定值,1为计算值
d
换能器入水深度,0为手动设定值,1为计算值
h
Heading值,0为手动设定值,1为计算值
p
Pitch值,0为手动设定值,1为计算值
r
Roll值,0为手动设定值,1为计算值
s
盐度,该位无效
t
温度,0为手动设定值,1为计算值
举例:
EZ1111101
默认:
EZ1111101
EC
功能:
设置声速的值
格式:
ECnnnn
描述:
nnnn表示声速的值,单位米每秒
举例:
EC1500
默认:
EC1500
ED
功能:
设置换能器入水深度
格式:
EDnnnnn
描述:
nnnnn入水深度的值,单位分米,表示换能器入水深度采用手动值时的大小
举例:
ED00050
默认:
ED00000
TT
功能:
设置ADCP内部的实时时钟
格式:
TTccyy/mm/dd,hh:
mm:
ss
描述:
ccyy为年,范围1900-2099
mm为月,范围01-12
dd为日,范围01-31
hh为小时,范围00-23
mm为分钟,范围00-59
ss为秒,范围00-59
举例:
TT2011/05/11,09:
25:
15
SA
功能:
同步粗定时
格式:
SAxyz
描述:
x表示在ping之前发送(或等待)同步脉冲
y固定为0
z表示在何种类型的ping时发送(或等待)同步脉冲
举例:
如下表所示:
表6SA命令举例
位
功能
SA000
在底ping之前发送(或等待)同步脉冲
SA001
在流ping之前发送(或等待)同步脉冲
SA002
在流ping、底ping之前均发送(或等待)同步脉冲
SA100
在底ping之后发送(或等待)同步脉冲
SA101
在流ping之后发送(或等待)同步脉冲
SA102
在流ping、底ping之后发送(或等待)同步脉冲
默认:
SA001
SM
功能:
设置ADCP主从工作模式
格式:
SMn
描述:
n为0表示异步发射模式,这时同步相关命令全部无效
n为1表示主机模式,发送同步脉冲
n为2表示从机模式,等待同步脉冲
举例:
SM1
默认:
SM0
PD
功能:
输出数据格式
格式:
PDn
描述:
n表示输出数据格式,可选为0或6
举例:
PD6
默认:
PD0
RE
功能:
清空Flash存储空间
格式:
RE
描述:
擦除全部Flash空间,以便于重新存储新的数据
举例:
输入RE
RF
功能:
查看Flash剩余存储空间
格式:
RF
描述:
查看Flash剩余空间,以便于数据管理
举例:
输入RF
3.3.2输出格式
ADCP输出格式目前主要兼容RDI公司使用广泛的PD0格式和PD6格式,也可以根据需求对软件进行修改后输出用户定制的其它数据格式。
PD0格式
首先介绍PD0格式,PD0格式包含了ADCP全部的结果和系统数据,包括测流结果、测流相关系数、测流回波强度、测底结果,以及温度、姿态等系统数据,为简便起见,做如下约定与限制:
●流数据包括流速、相关系数和回波强度,固定为包含这些数据,不可增加或减少流数据种类;
●固定为一帧底一帧流、只测底或只测流的工作方式,不可以更改测流或测底的帧数。
●某些非关键位采用了固定值。
具体如下表所示:
表7PD0格式定义
数据
说明
集合头(EnsembleHeader)
始终输出
固定头(FixHeader)
可变头(VariableHeader)
流速
WP=0时不输出
相关系数
回波强度
底结果
BP=0时不输出
保留位与校验位
始终输出
其中,集合头的长度为2N+6个Byte,其中N为数据类型的个数。
集合头定义如下表所示:
表8PD0格式中集合头定义
BYTE
7/S
6
5
4
3
2
1
0
固定值
1
HEADERID
7Fh
2
DATASOURCEID
7Fh
3
本次测量集合的Byte数,不包括最后2个Byte的校验和
4
5
保留
6
数据类型的个数
7
数据类型1的地址偏移量
8
9
数据类型2的地址偏移量
10
……
……(连续存储的数据类型)
2N+5
数据类型N的地址偏移量
2N+6
集合头之后就是固定头,固定头的长度固定为59个Byte,主要包含系统配置信息,格式如下表所示:
表9PD0格式中固定头定义
BYTE
7/S
6
5
4
3
2
1
0
固定值
1
固定前导ID
0
2
0
3
CPU版本号,目前为1
1
4
CPU修订号,目前为0
0
5
系统硬件配置[1]
300K向下打:
01001010
300K向上打:
11001010
MSB为固定值:
01000010
6
7
REAL/SIMFLAG,默认为读数据(0)
0
8
延时长度,即声脉冲之间的时间间隔。
WM5,WM8、WM11、BM7命令
0
9
波束数。
指用来计算速度的波束数,不是物理上的波束数。
ADCP仅需用3个波束来计算水流剖面,第四个波束用来确定数据有效性,如果仅有3个波束可用,ADCP不做有效性验证
4
10
流层数,WN命令
11
每个集合中的Ping数。
一个集合中平均的Ping数(WP命令),只能是0或1,如果WP=0,不测流。
1
12
0
13
层厚,WS命令
14
15
盲区,WF命令
16
17
信号处理模式,总为1
1
18
流剖面数据的最小相关门限,WC命令
19
码的重复次数
20
一个集合中有效ping的最小有效百分比,小于该比率不输出数据
0
21
错误速度门限。
WE命令。
如果速度值超过该门限,ADCP会标志所有的4个波束该部分数据无效
0
22
0
23
每帧时间的分,TP命令设置的值
24
每帧时间的秒,TP命令设置的值
25
每帧时间的百分之一秒,TP命令
26
坐标转换。
EX命令设置的值
27
Heading偏角,EA命令。
LSD=0.01度;Range=-179.99to180.00度
0
28
0
29
磁偏角,EB命令。
LSD=0.01度;Range=-179.99to180.00度
0
30
0
31
环境传感器数据来源,EZ命令设置的值
32
传感器有效性
FFh
33
换能器至第一个流层中心位置的距离,单位厘米
34
35
发送脉冲长度,单位厘米
36
37
0
38
0
39
剔除假底所用的门限值。
指四个通道回波强度的最大差别,超过此差别则认为是假底,通常是一条鱼。
Scaling:
LSD=1count;Range=0to255counts(255disables)
255
40
CX命令设置。
Range=0to5
0
41
脉冲重复时的时间间隔
0
42
0
43-50
CPU板的序列号
11h
51-52
系统带宽。
WB命令设置。
0或1
1
53
系统能量。
CQ命令设置。
Range0to255
255
54
0
55-58
设备序列号
0
59
波束角20或30
固定头之后就是可变头,可变头主要包含一些系统传感器信息等数据,长度为65个Byte,格式如下表所示:
表10PD0格式中可变头定义
BYTE
7/S
6
5
4
3
2
1
0
固定
值
1
可变前导ID(0080h)
80h
2
0
3
集合编号
4
5
系统实时时钟(RTC)的年
6
系统实时时钟(RTC)的月
7
系统实时时钟(RTC)的日
8
系统实时时钟(RTC)的时
9
系统实时时钟(RTC)的分
10
系统实时时钟(RTC)的秒
11
系统实时时钟(RTC)的百分之一秒
0
12
集合编号的MSB,即集合编号的高16Bit的低8位
13
系统测试BIT(Built-intestfunction)结果
0
14
15
声速。
EC命令。
Scaling:
LSD=1m/s;Range=1400to1600m/s
16
17
换能器入水深度。
ED命令。
该值可以是一个手动的设置,也可以是从压力传感器获取的值。
LSD=1dm;Range=1to9999dm
18
19
船头角度,EH命令。
该值可以是一个手动的设置,也可以是从船头传感器获取的值
LSD=0.01度;Range=000.00to359.99度
20
21
pitch角度,EP命令。
该值可以是一个手动的设置,也可
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