极地海冰侧向融化远程监测系统研究与设计

摘要

随着人类对南北极的不断探索，人们对南北极展开了各种领域的研究，而海冰在南北极的研究中占有很大的比重。海冰是气候系统的重要组成部分，也因其对气候变化的敏感性，被称为气候变化的指示剂。最近十几年，北冰洋海冰范围和厚度都呈现快速减小的趋势，监测南北极海冰的变化，有利于提高对气—冰—海相互作用机理的认识，对世界气候的研究有重要的意义。目前，作为海冰融化基本参数之一的冰厚度的现场资料因监测过程不连续，精度低于毫米量级，从而掩盖了冰层厚度变化的细微过程，成为一个尚未解决的难题。而中国的水文测量、冰川物质平衡和极地海冰研究更缺少连续的高精度观测数据，这迫切要求加强冰生消过程监测和提高数据的精度。 本文在总结国内外海冰监测技术的研究现状以及优缺点的基础上，针对海冰的侧向融化监测问题，研究设计了基于水下超声波测距和铱星无线数据传输的海冰侧向融化远程监测系统。论文根据冰的侧向融化监测需求详细研究设计了监测方案，包括水下超声波传感器，铱星无线传输模块，GPS模块，SD卡存储模块，信号处理与数据采集模块等，成功研制了海冰侧向融化远程监测系统，实现了在无人值守的恶劣环境下对海冰侧向融化数据的长期连续远程监测。 本文所设计的监测系统利用水下超声波传感器阵列来监测海冰的侧向融化过程，并采用限幅平均滤波算法对采集到的数据进行滤波，采用标杆测量法来进一步减小误差，提高测量精度，然后将对应编号的传感器数据与时间等信息打包后存储于大容量的SD卡中，并同时通过铱卫星网络通信将数据实时传回远程终端，具有经济性好、实时性强、精度较高、无人值守等优点。 本文所设计的监测系统分别进行了常温水下实验、低温实验室测试，以及野外结冰湖面环境下的低温实验，实验结果初步表明该海冰侧向融化监测系统具有较可靠的稳定性，精确性，数据存储容量大，实时传输丢包率低等优点，为研究海冰的侧向融化过程提供了自动化监测方案和数据支持，为进一步推动北极科考活动中的海冰侧向融化监测提供了一种新的技术实现手段。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究的目的和意义

1.2 极地海冰侧向融化监测研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文主要内容及章节安排

第2章 海冰侧向融化模型与测距算法改进

2.1 海冰融化过程影响因素及模型分析

2.1.1 海冰融化过程主要影响因素分析

2.1.2 海冰厚度变化的数学模型

2.2 水下超声波测距原理

2.3 水下超声波测距分析与算法改进

2.3.1 限幅平均滤波算法

2.3.2 标杆测量法

2.4 本章小结

第3章 海冰侧向融化监测系统硬件电路设计

3.1系统总体设计

3.1.1 系统组成与功能设计

3.1.2 水下超声波传感器选型

3.1.3 数据采集、处理及存储设计

3.1.4 远程通信方式选型分析

3.2 系统硬件功能模块设计

3.2.1 主控单元STM32及其外围电路设计

3.2.2 超声波数据采集RS485总线电路设计

3.2.3 SD卡数据存储模块电路设计

3.2.4 铱星传输模块RS232通信电路设计

3.2.5 系统供电电源模块电路设计

3.3 本章小结

第4章 海冰侧向融化监测系统软件及上位机设计

4.1 系统软件总体设计

4.2 RS485数据采集协议程序设计

4.3 SD卡数据存储及状态检测程序设计

4.4 铱星数据传输程序设计

4.5 系统参数设置上位机设计

4.6 本章小结

第5章系统测试与数据分析

5.1 实验室水下测距实验验证及分析

5.2 内蒙古乌梁素海结冰湖面野外监测实验及数据分析

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2下一步工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及获得的科研成果奖励

附录A：海冰侧向融化监测系统硬件原理图

附录B：海冰侧向融化监测系统硬件PCB图

附录C：海冰侧向融化监测系统完整主程序