無線數字信號控制測深及定位器探討

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摘要：為了解決水文野外水下地形測量和水道斷面水深測量需涉水施測的問題，研制了一種基于無線數字信號遠程控制的測深及定位器，該測深及定位器搭載在無人機或水文纜道上，測深及定位指令采用無線數字信號傳輸，通過數字信號轉換控制超聲波測深儀的測深和GPS定位。該測深及定位器的研制成功，將在水文大斷面測量、水文應急監測和各種水下地形測量中得到廣泛應用。

關鍵詞：水文測量；無線數字信號；超聲波測深；GPS定位

水下地形測量和水文大斷面測量是水文測驗的一項基礎性工作，包括測深和定位。當前水文站測深及起點距測量常用的有兩種方式：第一是利用水文纜道掛載鉛魚進行測深、測距；第二是通過駕駛船只搭載測深儀和GPS進行斷面各條垂線位置的測深和定位測量。這兩種測驗方式都有其局限性，利用鉛魚測深往往是通過鉛魚底板觸底信號或者觀察起重索的松緊度來判斷是否觸底，測深誤差較大；而通過駕駛船只進行測深和GPS測量，必須涉水測量，存在一定的安全隱患，且費時費力。本項目針對水文測驗中的水下地形測量和水文大斷面測量中的深度測量和定位的問題，研制一套遠程數字控制的測深及定位裝置，通過無人機或者水文纜道搭載測深儀和GPS設備運行至水面任意位置，通過遠程操控發出測量指令進行測深和GPS定位進行測量，將測得的水深數據和GPS定位數據傳輸至岸上接收端并直觀地顯示于軟件界面上，從而完成水下地形測量和水文大斷面測量。

1無線數字信號控制測深及定位器組成

無線數字信號控制測深及定位器主要由浮子式測深及定位裝置和岸上測量控制端組成。浮子式遠程測深及定位裝置是水深數據及經緯度數據的采集裝置，帶有超聲波測深及GPS定位功能，具有無線信號收發功能，裝置材質為PVC，內部全密封防水，防水等級達到IP68級。岸上測量控制端由計算機、測量控制軟件和無線電臺組成，能夠實時接收浮子式遠程測深定位儀采集的數據，并以圖表形式直觀地顯示給操作人員。其組成結構如圖1所示。

2無線數字信號控制測深及定位器工作原理

使用該裝置進行測深及定位測量時，將繩索或掛鉤掛在浮子式遠程測深及定位裝置頂端，利用無人機或者水文纜道搭載該裝置至河流中某個位置，下放至水面，讓水深探測器設備探頭沒入水中，調整無人機飛行高度或水文纜道垂直高度，確保水面大浮盤自然懸浮于水面，保持水深探測器設備探頭垂直向下方向。此時岸上操作人員通過地面電臺向設備發送啟動測量信號，位于水面大浮盤內的無線電臺收到信號后，啟動水深探測器向河底發射超聲波，通過超聲波反射測量水深數據，啟動GPS模塊測量經緯度坐標，并將水深數據和定位坐標數據通過無線電臺傳回岸上操作人員，逐點采集后可形成河道斷面數據。

3浮子式測深定位裝置設計

浮子式測深定位裝置結構包括GPS加LED信號燈模塊、水面立桿管、水面大浮盤、水下鐘擺桿、水深探測器設備探頭組成。水深探測器設備探頭采用重力擺錘設計位于裝置的最下端，超聲波探頭朝下，水深探測器設備探頭通過一根中空的水下鐘擺連桿與扁圓形的水面大浮盤相連。GPS加LED信號燈模塊通過一根中空的水面立桿管與水面大浮盤相連。水面大浮盤為中空結構，內部放置鋰電池、無線電臺，通過水面立桿管和水下鐘擺桿分別給GPS加LED信號燈模塊、水深探測器設備探頭供電以及接收和發送無線電信號。無線電臺的發射天線位于GPS加LED信號燈模塊中，無線電臺和天線通過水面立桿管內的同軸電纜相連。由于發射天線始終位于水面大浮盤上方，這樣設計的好處在于能夠使得無線信號傳輸不受水體影響。該裝置結構如圖2所示。

4無線信號傳輸設計

為適應遠距離水下地形測量、水文大斷面測量等功能，必須采取可靠性較高的信號傳輸方式。本次設計采用頻率為915MHz的無線數字信號進行傳輸，岸上計算機通過USB接口的無線電臺與浮子式測深定位裝置通訊，浮子式測深定位裝置內置無線模塊、單片機控制模塊，無線模塊收到岸上計算機發出的信號后，通過單片機模塊向測深傳感器及GPS定位儀發送上電信號，開始采集水深和經緯度數據。無線信號通訊采用RS485標準、MODBUS協議和RTU傳輸模式。

5測量控制軟件設計

測量控制軟件主要用于接收測量數據。軟件可用折線圖形式實時顯示數據。軟件采取串口通訊方式，波特率為9600完全可滿足數據傳輸速率的要求。軟件也可通過設置不同波特率、盲區、量程、發射強度、接收增益等參數來匹配不同類型的測深傳感器。通過軟件菜單的查詢功能可以獲取一定時間間隔的采集數據，通過軟件的導出數據功能可直接生成Excel表格，便于數據匯總。軟件界面如圖3所示。

6適應范圍

該儀器通信傳輸距離在通視下可達2km，最大探測水深達到50m，大部分水文站都可適用。測量人員使用該儀器可遠程采集水深及GPS定位坐標，無需涉水測量，可利用水文纜道搭載儀器進行遠程大斷面測量，在河道斷面測深測距方面具有較好的應用前景；利用無人機搭載該儀器在水文應急監測領域可發揮其機動靈活的特點，在高洪、堰塞湖、潰壩等極端情況下配合非接觸式流速測驗手段能夠在確保測量人員安全的情況下，快速便捷地測量出所需的斷面流量數據。圖1無線數字信號控制測深及定位器組成圖2浮子式測深定位裝置浮子式遠程測深及定位裝置岸上測量控制端水面立桿管水面大浮盤水下鐘擺桿水深探測器設備探頭GPS加LED信號燈模塊7

結論

正是基于水下地形測量和水道斷面水深測量的需要，研制了這款無線數字信號控制測深及定位器。它主要適用于河流、河道的定點測深及測距，滿足不涉水的情況下遠程測量的需要。經過測試表明該儀器測量精確、攜帶方便、操作便捷。給水文測量人員提供了一種安全、高效、經濟的測量手段。

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作者：吳平輝 單位：湖南省水文儀器設備檢測中心