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1.2.1 工作原理

可视多管取样器可进行甲板视频监视，人机交互式监控水下系统作业。系统采用液压缸推杆可控的贯入技术将多管取样管按一定速度插入到沉积物中，在上提过程中自动完成管口的封闭，实现海底沉积物原状样品的获取。

1.2.1.1 机械系统

①触底前，采集头上下封盖联动机构处于待触发状态，上、下封盖打开。

②支撑架着底后，采集架与采集头在液压缸推杆的作用下，继续向下缓慢运动并贯入沉积物中。

③贯入后，操作者通过可视化系统，观测是否达到取样目的后，液压缸收缩，触发释放机构。

③收缆上提，支撑架保持静止，采集架与采集头向上运动，触发开关打开，上、下封盖组件自动完成封闭。

④继续收缆上提，采集架到达支撑架极限位置后，支撑架离开海底，取样完成。

1.3 技术指标

1. 设备尺寸：≤1.5m(长)×1.5m（宽）×2m（高）；

2. 设备重量：≤1.2 t；

3. 工作水深：6000m；

4. 样管数量：8管/12；

5. 样管长度：610mm

6. 样管内径：100mm；

7. 插入方式：重力与液压驱动，确保竖直插入，插入速度可调，深度可控；

8. 封管方式：弹性绳驱动；

9. 水下数据监测：可视化、设备姿态、液压压力、离底高度、设备通讯状态、系统电压等数据监控；

10.可视化配置：2K高清摄像头1个，LED照明灯1个；

11.高清摄像头指标：分辨率不低于2K，支持背光补偿，自动电子快门功能，适应不同深海环境；支持3D数字降噪；支持宽动态范围达120dB，适合非均匀光场环境；最小照度：0.001Lux彩色模式；接口RJ45 10M / 100M 自适应以太网口；

12. 设备故障自检系统：配有专用设备故障自检系统，错误提示及维修指南。

1.4可视多管取样器电控部分

1. 光缆数据传输系统技术方案

1) 可视化系统技术路线

Ø 总体设计

可视化系统主要分为甲板控制单元和水下控制单元两部分，使用可视化实时控制模式。甲板控制单元通过RJ45或RS232接口和水下控制单元进行数据通讯，水下控制单元主要由控制系统、电光转换器、水下降压部分和视频服务器组成，用以打开水下照明灯、打开和关闭高度计，启动或停止摄像头和沉积物剖面观测装置，调试和监视水下控制系统的工作状态，记录数据等。同时RS232接口还可以用于ARM固件升级。

Ø 水下控制单元的设计

水下控制单元是以32位ARM处理器为处理器（CPU），多种传感器为状态检测器件的控制系统。ARM作为控制处理单元，体积小，可靠性高，运行速度快，接口资源丰富，便于功能扩展。为了采集与监测各部分的状态，均选用可靠*的传感器，安装在需要采集或监控的工作部件中。传感器采集到的信号送到CPU进行数据处理和分析，CPU通过I/O接口向外部各分离单元发出控制命令，并与各单元进行通讯和数据交换。工作原理如下图所示，本部分实现的主要功能如下：

自动检测系统关键部件（如电磁阀、继电器、传感器等）工作是否正常，检测控制子系统与甲板控制单元的通讯是否正常等；自动监测、记录和存储系统工作进程、工作状态以及各传感器数据；实时响应甲板控制单元的控制命令，并正确执行相应动作。

对设备通讯状态、系统电压、离底高度、倾角数据进行实时监控。

Ø 结构设计

基于产品化设计，体积小型化和模块化的要求，为了便于安装维护，水下控制单元主控电路采用模块化结构，主板是平板长条电路，类似于工控计算机的母板，其它功能模块与主板之间采用插针方式连接，如果其中有模块出现故障，只需更换相应模块即可（如下图所示），电路板装入密闭圆形耐压舱，电路板和耐压舱之间安装滑动轨道，便于安装；耐压舱两端预留电缆接头，与外部传感器和控制分离部件相连。耐压舱的一端预留与甲板单元通讯的RS232和光纤接口，以及和声学控制单元通讯接口；

Ø 甲板控制单元的设计

甲板控制单元通过RS232或者RJ45接口和水下控制单元进行数据通讯，用以启动或停止水下控制单元工作，调试和监视水下控制单元的工作状态并记录数据等。实现的主要功能如下：

实时控制：包括水下照明灯、离底高度计的开启和关闭，；

启动或停止水下单元工作；

从水下控制单元实时显示并获取工作数据，包括

实时显示并记录工作状态数据：各端口电压；

实时显示并记录水下控制单元上传的视频图像。

可视化系统技术方案

可视化系统的主要功能包括：可视化功能，就是压缩水下摄像单元的视频图像，通过光电转换，用光纤上传到甲板控制单元实时显示；数据通讯功能，可视化监控系统通过光电转换，利用光纤进行数据传输，实现甲板控制单元和水下控制单元的数据交换。

总体设计

可视化监控系统主要由水下照明光源、水下摄像单元、视频服务器、甲板和水下光电转换器、光电复合电缆构成。水下照明光源由高效照明灯组成，负责提供水下摄像用的照明光源。水下摄像单元与照明光源组合可以实现低照度下的1920×1080高清拍摄。视频服务器和水下光电转换器密封在水下控制单元耐压舱中，实现视频压缩和外部数据通信功能。光电复合电缆负责电能传输和数据传输。下图为可视化监控系统的功能框图：

Ø 水下照明光源

水下照明光源主要是采用LED灯，10000流明

Ø 水下摄像单元

水下摄像单元的核心部件为摄像机，通过设计相关电路接口，实现控制和视频数据传输。组成设计如下图所示：

主要技术参数如下：

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)；

画面解析度：1920×1080

每秒播放画面数：拍摄>30帧/秒

Ø 视频服务器

视频服务器主要作用是对摄像单元拍摄的视频图像进行压缩，然后转换为标准的以太网数据包发送给光电转换器。视频服务器与摄像单元采用光电转换器通过RJ45接口连接。可万米通讯无中继。如下图所示：

Ø 光电转换器

光电转换器主要负责与甲板控制单元的数据通信，包括视频信号传输和控制信号传输，如下图所示：

2) 电力供应系统技术方案

电力供应系统的主要功能是为水下控制单元的可视化监控系统、主控模块等提供电源，使其可以完成长时间的水下作业。

Ø 总体设计

电力供应系统由甲板供电，通过铠装光电复合缆传输。电力供应系统由甲板升压电源模块、电力传输海缆和节点降压模块三部分构成。其中甲板升压电源模块负责把船载交流380V电压升压为直流2000V电压，通过光电复合缆的电缆部分传送到几千米甚至上万米的水下控制单元，再由节点降压模块稳压成110V直流电压，为整个水下控制单元提供电源。

Ø 甲板升压电源模块

甲板升压电源模块主要是将船载发电机提供的能源转换为便于通过海缆远距离传输的高压直流电。直流输电是海缆送电的。输送相同的功率，直流电缆不仅成本低于交流电缆，而且交流电缆存在较大的电容电流，在埋地电缆、海底电缆送电等形式中，由于线路与环境形成动态元件模型而产生的功率损失较为可观，造成功率损失。而在直流模型下则无此影响，提高了有功功率的传输效率。甲板升压电源原理如下图所示，

本部分的主要技术参数如下：

l 输入电压：    单相AC380V±10%

l 输入频率：    50Hz

l 输出规格：    DC2000V/3A；

l 容量：        3KVA

l 负载稳压率：   ≤3%

l 源电压稳压率： ≤3%

l 保护装置：     过压、过流、过温、短路保护等。

l 使用环境：   -10℃~+45℃，相对湿度<90%连续工作

Ø 电力传输海缆

电力传输海缆采用船载光电复合铠装缆。线缆内阻为8.32欧姆/km，因为采用直流传输，可以不考虑线缆的感抗和容抗以及和海水的容性支路泻流，按功率计算，线缆压降为：

电流  I=3（A）

线缆内阻 R=8.32（欧姆/km）

线缆长度 L=10（km）

压降计算：  ⊿U=I×R×L=3×8.32×10=249（V）

Ø 节点降压模块

节点降压模块的功能是将光电复合缆传输到水下控制单元的高压直流电换流处理为节点可用的DC110V。

将高输入电压（DC2000V）变为低输出电压（DC110V），需要选用能满足高输入电压的DC/DC变换器。由于MOSFET的耐压等级大都在1000V以下，IGBT耐压等级虽然较高但用在小功率场合不经济，因此用传统的DC/DC变换电路实现有一定难度。解决方法是采取模块化设计，利用基本模块在输入侧串联的方法解决直流输入电压高于开关管耐压的矛盾。且在不增加控制复杂度的前提下，适当选取输入侧串联模块的级数，便可使输入电压高到几千伏甚至上万伏。下图给出了基本模块的结构，基本模块由半桥DC/DC变换电路及其驱动电路两部分构成。

为了便于增加输入侧基本模块的串联级数，每个基本模块均由相应的驱动芯片控制，驱动芯片由基本模块自身供电，靠其自振荡产生半桥电路的驱动信号。

本部分主要技术指标如下：

l 输入电压：    DC1000～2000V

l 输出规格：    DC110V/15A

l 容量：        1.5KVA

l 使用环境：  -10℃~+45℃，相对湿度<90%连续工作。