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随着科学技术的飞速进步及陆地资源的日趋匮乏，开发利用海洋资源已经成为新时代的主流。早期的地质学家认为海底是由泥浆沉积物覆盖的贫瘠荒芜之地，但是随着技术的不断进步，对海底的观测越来越精确和全面。 % y, ~" q8 k/ j3 e& \
海底热泉 海底平原海底山脉海底海沟目前国际上对于海底沉积物识别主要采用声学探测和原位测量的方法。声学探测多使用线性调频声呐和参量声呐来进行探测识别，解析其回波信号来判别沉积物种类；但声学探测的方法一般其受海况影响较大，需在风浪较小的条件下进行测试，技术复杂度也较高。原位测量方法目前多使用较为成熟的静力触探技术来测定海底沉积物的力学性质，可以直接采样沉积物的样本，其设备体积都较为庞大，有着测试耗时过长和成本昂贵等弊端。 ; b6 F M$ i/ _# P- X9 Z d- p
因此本篇文章针对海底底质的检测进行探究，旨在设计一款消耗式的动力触探仪，能够快速准确的得到海底沉积物的信息，同时操作简单快捷。 ! C! p- @3 `$ _8 ~$ Q7 u
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阿卡迪亚大学研发的动力触探仪（XBP)通常来说这种触探仪通常都装有各类传感装置，核心为加速度传感器等。而这种圆锥壳体的外形结构一来可以减小水中阻力，其次还可以贯入海底沉积物一定深度，所以这种触探仪又被称之为贯入仪。我们采集到的数据其实就是触探仪撞击海底沉积物时在短时间内的加速度值的变化，数据信息可以通过水密电缆或者声通信的方式传递上来。得到的数据信息经过处理与经验值对比就能得出海底沉积物的大致种类。 ( m& c! k8 Q! D2 Y: r0 V
国际较为先进的动力触探装置基于以上的分析与讨论，我们大体上就可以搭建我们自己的系统去实现这种功能，其实整个的流程无非就是三步：采集数据、传输数据、分析数据。那么我们可以将整个系统拆分为两部分，即水下系统和水上系统，采用声通信的方式完成交互。 & P& Z: U: o6 z- A1 c# K4 K
一、水下系统 ! } B& c* R: d) Z9 W5 `
. M% x z2 j2 Q8 ]. F: c 水下分机的设计包含了加速度传感器单元，单片机主控单元，供电单元及功率放大单元；主要实现的功能为采集水下设备撞击海底沉积物时产生的撞击振动信号，SD卡同步记录采集的数据信息，单片机同时将要发送数据的进行编码调制，调制好的数据经过功率放大送至换能器发射端以声信号的形式发送。 . `! }$ u: k- n! F1 g1 c/ r/ T
二、水上系统 ; D R# ?& ~2 g2 u5 k- o3 v1 x
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水上分机的设计包含信号调理单元，信号选通单元，模数转换单元，FPGA主控单元及网口通信单元；主要实现功能为信号调理、采集和传输。信号调理单元搭配选通开关实现对信号不同放大倍数的控制，信号再通过差分芯片传送至A/D转换单元。FPGA芯片控制信号采集与信号选通，与同时搭载W5300网络芯片以实现网口通讯，上位机收到数据信息后绘制加速度值曲线图。这两部分设计的讲解将在下篇文章中详细展开。
8 n* H( G6 E8 S 三、消耗式贯入仪 # A6 E7 z5 B, j( H t
理清了两部分系统的设计原理后，我们将关注的重点放到水下设备的外形结构设计上。消耗式贯入仪主要工作在水下，其工作环境较为复杂。因此在设计水下贯入仪时应考虑多方面因素，水下的设备要具有耐压耐蚀、密封性良好、使用方便和可靠性高等特点。
) ~- y. a; Z9 ~ W; p0 j 水下贯入仪结构示意图整个水下贯入仪由撞击锤、电缆、浮体、水声发射换能器等几部分组成。撞击锤自身搭载了整个水下分机的电路系统，作为水下贯入仪的主体部分。由于水下贯入仪在水中运动时除了自身重力外，还会受到压力阻力等作用。对于空气，水和其他压力场恒定的工程流体，其压力大小是固定的，但是其所受阻力与速度场有关。这里我们需要考虑水下贯入仪的外形尺寸对于流体中所受阻力的影响。 2 I' G) u; W4 i/ U1 S( [/ R2 h
由流体力学可知物体在流体中运动时所受阻力与流体密度，运动速度，垂直方向上的运动速度正比，而通过经验数据比较及估算，可以预估设备的最终速度约为6-8m/s。这里我们就可以只考虑最大横截面积对阻力的影响，也就是触探头横截面积在水中对于总阻力的影响，通过有限元的仿真分析得到有效的数据参考。 " r# R7 I) i7 z9 i
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本设计最终将触探头的横截直径设置为65mm。整个贯入仪的身躯呈流线型，此时受到水阻较小。同时考虑到水下洋流和操作性等方面，设备的重量不宜太轻或太重。最终整个水下消耗式贯入仪的撞击锤部分长度约为240mm，最大直径为65mm，总重量约为2.6kg。上图展示了水下分机中硬件电路的安装及撞击锤外形尺寸及相关参数。 & T* p/ `5 i4 P7 K- Z
结语 9 f! `9 I5 X5 n! ~5 x
通过本文概述已经获得了基本的硬件框图和外形设计参考，整套系统的框架脉络也就基本清晰了起来。后续我们会对整个硬件系统如的运作、软件流程的设计、通信方式、测试方法等做更进一步的探究。
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