1.2.1 工作原理

可視多管取樣器可進(jìn)行甲板視頻監(jiān)視，人機(jī)交互式監(jiān)控水下系統(tǒng)作業(yè)。系統(tǒng)采用液壓缸推桿可控的貫入技術(shù)將多管取樣管按一定速度插入到沉積物中，在上提過程中自動完成管口的封閉，實(shí)現(xiàn)海底沉積物原狀樣品的獲取。

1.2.1.1 機(jī)械系統(tǒng)

①觸底前，采集頭上下封蓋聯(lián)動機(jī)構(gòu)處于待觸發(fā)狀態(tài)，上、下封蓋打開。

②支撐架著底后，采集架與采集頭在液壓缸推桿的作用下，繼續(xù)向下緩慢運(yùn)動并貫入沉積物中。

③貫入后，操作者通過可視化系統(tǒng)，觀測是否達(dá)到取樣目的后，液壓缸收縮，觸發(fā)釋放機(jī)構(gòu)。

③收纜上提，支撐架保持靜止，采集架與采集頭向上運(yùn)動，觸發(fā)開關(guān)打開，上、下封蓋組件自動完成封閉。

④繼續(xù)收纜上提，采集架到達(dá)支撐架極限位置后，支撐架離開海底，取樣完成。

1.3 技術(shù)指標(biāo)

1. 設(shè)備尺寸：≤1.5m(長)×1.5m（寬）×2m（高）；

2. 設(shè)備重量：≤1.2 t；

3. 工作水深：6000m；

4. 樣管數(shù)量：8管/12；

5. 樣管長度：610mm

6. 樣管內(nèi)徑：100mm；

7. 插入方式：重力與液壓驅(qū)動，確保豎直插入，插入速度可調(diào)，深度可控；

8. 封管方式：彈性繩驅(qū)動；

9. 水下數(shù)據(jù)監(jiān)測：可視化、設(shè)備姿態(tài)、液壓壓力、離底高度、設(shè)備通訊狀態(tài)、系統(tǒng)電壓等數(shù)據(jù)監(jiān)控；

10.可視化配置：2K高清攝像頭1個，LED照明燈1個；

11.高清攝像頭指標(biāo)：分辨率不低于2K，支持背光補(bǔ)償，自動電子快門功能，適應(yīng)不同深海環(huán)境；支持3D數(shù)字降噪；支持寬動態(tài)范圍達(dá)120dB，適合非均勻光場環(huán)境；最小照度：0.001Lux彩色模式；接口RJ45 10M / 100M 自適應(yīng)以太網(wǎng)口；

12. 設(shè)備故障自檢系統(tǒng)：配有專用設(shè)備故障自檢系統(tǒng)，錯誤提示及維修指南。

1.4可視多管取樣器電控部分

1. 光纜數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)技術(shù)方案

1) 可視化系統(tǒng)技術(shù)路線

Ø 總體設(shè)計

可視化系統(tǒng)主要分為甲板控制單元和水下控制單元兩部分，使用可視化實(shí)時控制模式。甲板控制單元通過RJ45或RS232接口和水下控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，水下控制單元主要由控制系統(tǒng)、電光轉(zhuǎn)換器、水下降壓部分和視頻服務(wù)器組成，用以打開水下照明燈、打開和關(guān)閉高度計，啟動或停止攝像頭和沉積物剖面觀測裝置，調(diào)試和監(jiān)視水下控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，記錄數(shù)據(jù)等。同時RS232接口還可以用于ARM固件升級。

Ø 水下控制單元的設(shè)計

水下控制單元是以32位ARM處理器為處理器（CPU），多種傳感器為狀態(tài)檢測器件的控制系統(tǒng)。ARM作為控制處理單元，體積小，可靠性高，運(yùn)行速度快，接口資源豐富，便于功能擴(kuò)展。為了采集與監(jiān)測各部分的狀態(tài)，均選用可靠*的傳感器，安裝在需要采集或監(jiān)控的工作部件中。傳感器采集到的信號送到CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，CPU通過I/O接口向外部各分離單元發(fā)出控制命令，并與各單元進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換。工作原理如下圖所示，本部分實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

自動檢測系統(tǒng)關(guān)鍵部件（如電磁閥、繼電器、傳感器等）工作是否正常，檢測控制子系統(tǒng)與甲板控制單元的通訊是否正常等；自動監(jiān)測、記錄和存儲系統(tǒng)工作進(jìn)程、工作狀態(tài)以及各傳感器數(shù)據(jù)；實(shí)時響應(yīng)甲板控制單元的控制命令，并正確執(zhí)行相應(yīng)動作。

對設(shè)備通訊狀態(tài)、系統(tǒng)電壓、離底高度、傾角數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

Ø 結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于產(chǎn)品化設(shè)計，體積小型化和模塊化的要求，為了便于安裝維護(hù)，水下控制單元主控電路采用模塊化結(jié)構(gòu)，主板是平板長條電路，類似于工控計算機(jī)的母板，其它功能模塊與主板之間采用插針方式連接，如果其中有模塊出現(xiàn)故障，只需更換相應(yīng)模塊即可（如下圖所示），電路板裝入密閉圓形耐壓艙，電路板和耐壓艙之間安裝滑動軌道，便于安裝；耐壓艙兩端預(yù)留電纜接頭，與外部傳感器和控制分離部件相連。耐壓艙的一端預(yù)留與甲板單元通訊的RS232和光纖接口，以及和聲學(xué)控制單元通訊接口；

Ø 甲板控制單元的設(shè)計

甲板控制單元通過RS232或者RJ45接口和水下控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，用以啟動或停止水下控制單元工作，調(diào)試和監(jiān)視水下控制單元的工作狀態(tài)并記錄數(shù)據(jù)等。實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

實(shí)時控制：包括水下照明燈、離底高度計的開啟和關(guān)閉，；

啟動或停止水下單元工作；

從水下控制單元實(shí)時顯示并獲取工作數(shù)據(jù)，包括

實(shí)時顯示并記錄工作狀態(tài)數(shù)據(jù)：各端口電壓；

實(shí)時顯示并記錄水下控制單元上傳的視頻圖像。

可視化系統(tǒng)技術(shù)方案

可視化系統(tǒng)的主要功能包括：可視化功能，就是壓縮水下攝像單元的視頻圖像，通過光電轉(zhuǎn)換，用光纖上傳到甲板控制單元實(shí)時顯示；數(shù)據(jù)通訊功能，可視化監(jiān)控系統(tǒng)通過光電轉(zhuǎn)換，利用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)甲板控制單元和水下控制單元的數(shù)據(jù)交換。

總體設(shè)計

可視化監(jiān)控系統(tǒng)主要由水下照明光源、水下攝像單元、視頻服務(wù)器、甲板和水下光電轉(zhuǎn)換器、光電復(fù)合電纜構(gòu)成。水下照明光源由高效照明燈組成，負(fù)責(zé)提供水下攝像用的照明光源。水下攝像單元與照明光源組合可以實(shí)現(xiàn)低照度下的1920×1080高清拍攝。視頻服務(wù)器和水下光電轉(zhuǎn)換器密封在水下控制單元耐壓艙中，實(shí)現(xiàn)視頻壓縮和外部數(shù)據(jù)通信功能。光電復(fù)合電纜負(fù)責(zé)電能傳輸和數(shù)據(jù)傳輸。下圖為可視化監(jiān)控系統(tǒng)的功能框圖：

Ø 水下照明光源

水下照明光源主要是采用LED燈，10000流明

Ø 水下攝像單元

水下攝像單元的核心部件為攝像機(jī)，通過設(shè)計相關(guān)電路接口，實(shí)現(xiàn)控制和視頻數(shù)據(jù)傳輸。組成設(shè)計如下圖所示：

主要技術(shù)參數(shù)如下：

工作深度： 0~6000m；

照度：彩色:0. 2Lux (F1.6,AGC ON),0.0008Lux @ (F1.6,AGC ON,感光度×256)；

畫面解析度：1920×1080

每秒播放畫面數(shù)：拍攝>30幀/秒

Ø 視頻服務(wù)器

視頻服務(wù)器主要作用是對攝像單元拍攝的視頻圖像進(jìn)行壓縮，然后轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送給光電轉(zhuǎn)換器。視頻服務(wù)器與攝像單元采用光電轉(zhuǎn)換器通過RJ45接口連接?？扇f米通訊無中繼。如下圖所示：

Ø 光電轉(zhuǎn)換器

光電轉(zhuǎn)換器主要負(fù)責(zé)與甲板控制單元的數(shù)據(jù)通信，包括視頻信號傳輸和控制信號傳輸，如下圖所示：

2) 電力供應(yīng)系統(tǒng)技術(shù)方案

電力供應(yīng)系統(tǒng)的主要功能是為水下控制單元的可視化監(jiān)控系統(tǒng)、主控模塊等提供電源，使其可以完成長時間的水下作業(yè)。

Ø 總體設(shè)計

電力供應(yīng)系統(tǒng)由甲板供電，通過鎧裝光電復(fù)合纜傳輸。電力供應(yīng)系統(tǒng)由甲板升壓電源模塊、電力傳輸海纜和節(jié)點(diǎn)降壓模塊三部分構(gòu)成。其中甲板升壓電源模塊負(fù)責(zé)把船載交流380V電壓升壓為直流2000V電壓，通過光電復(fù)合纜的電纜部分傳送到幾千米甚至上萬米的水下控制單元，再由節(jié)點(diǎn)降壓模塊穩(wěn)壓成110V直流電壓，為整個水下控制單元提供電源。

Ø 甲板升壓電源模塊

甲板升壓電源模塊主要是將船載發(fā)電機(jī)提供的能源轉(zhuǎn)換為便于通過海纜遠(yuǎn)距離傳輸?shù)母邏褐绷麟?。直流輸電是海纜送電的。輸送相同的功率，直流電纜不僅成本低于交流電纜，而且交流電纜存在較大的電容電流，在埋地電纜、海底電纜送電等形式中，由于線路與環(huán)境形成動態(tài)元件模型而產(chǎn)生的功率損失較為可觀，造成功率損失。而在直流模型下則無此影響，提高了有功功率的傳輸效率。甲板升壓電源原理如下圖所示，

本部分的主要技術(shù)參數(shù)如下：

l 輸入電壓：    單相AC380V±10%

l 輸入頻率：    50Hz

l 輸出規(guī)格：    DC2000V/3A；

l 容量：        3KVA

l 負(fù)載穩(wěn)壓率：   ≤3%

l 源電壓穩(wěn)壓率： ≤3%

l 保護(hù)裝置：     過壓、過流、過溫、短路保護(hù)等。

l 使用環(huán)境：   -10℃~+45℃，相對濕度<90%連續(xù)工作

Ø 電力傳輸海纜

電力傳輸海纜采用船載光電復(fù)合鎧裝纜。線纜內(nèi)阻為8.32歐姆/km，因?yàn)椴捎弥绷鱾鬏?，可以不考慮線纜的感抗和容抗以及和海水的容性支路瀉流，按功率計算，線纜壓降為：

電流  I=3（A）

線纜內(nèi)阻 R=8.32（歐姆/km）

線纜長度 L=10（km）

壓降計算：  ⊿U=I×R×L=3×8.32×10=249（V）

Ø 節(jié)點(diǎn)降壓模塊

節(jié)點(diǎn)降壓模塊的功能是將光電復(fù)合纜傳輸?shù)剿驴刂茊卧母邏褐绷麟姄Q流處理為節(jié)點(diǎn)可用的DC110V。

將高輸入電壓（DC2000V）變?yōu)榈洼敵鲭妷海―C110V），需要選用能滿足高輸入電壓的DC/DC變換器。由于MOSFET的耐壓等級大都在1000V以下，IGBT耐壓等級雖然較高但用在小功率場合不經(jīng)濟(jì)，因此用傳統(tǒng)的DC/DC變換電路實(shí)現(xiàn)有一定難度。解決方法是采取模塊化設(shè)計，利用基本模塊在輸入側(cè)串聯(lián)的方法解決直流輸入電壓高于開關(guān)管耐壓的矛盾。且在不增加控制復(fù)雜度的前提下，適當(dāng)選取輸入側(cè)串聯(lián)模塊的級數(shù)，便可使輸入電壓高到幾千伏甚至上萬伏。下圖給出了基本模塊的結(jié)構(gòu)，基本模塊由半橋DC/DC變換電路及其驅(qū)動電路兩部分構(gòu)成。

為了便于增加輸入側(cè)基本模塊的串聯(lián)級數(shù)，每個基本模塊均由相應(yīng)的驅(qū)動芯片控制，驅(qū)動芯片由基本模塊自身供電，靠其自振蕩產(chǎn)生半橋電路的驅(qū)動信號。

本部分主要技術(shù)指標(biāo)如下：

l 輸入電壓：    DC1000～2000V

l 輸出規(guī)格：    DC110V/15A

l 容量：        1.5KVA

l 使用環(huán)境：  -10℃~+45℃，相對濕度<90%連續(xù)工作。