海洋工程勘察中多參數測量系統的性能優化研究

摘要：為解決海洋工程勘察中多參數測量系統在復雜環境下性能不足的問題，提出一系列性能優化方法并驗證其有效性。通過建立仿真模型，基于測量精度、數據傳輸速率、抗干擾能力和能耗效率4個指標進行數值模擬分析，并結合硬件優化、算法改進及信號傳輸技術，開展優化系統的現場測試和工程案例驗證。仿真和測試結果表明，優化后的系統測量精度提升至96.5%，數據傳輸速率達到78 MB/s，信噪比提高至32 dB，能耗效率下降至3.2 J/MB。優化系統在復雜環境中運行穩定性和數據可靠性顯著增強。優化后的多參數測量系統具有高精度、高效率和低能耗的優勢，可為海洋工程勘察提供可靠技術支撐。

關鍵詞：海洋工程勘察 多參數測量系統 性能優化 數據傳輸[A1]

Research on Performance Optimization of Multi Parameter Measurement System in Marine Engineering Survey

LIU Lin

China Oilfield Services Limited，Tianjin，300459 China

Abstract： To solve the problem of insufficient performance of multi parameter measurement systems in complex environments in marine engineering exploration， a series of performance optimization methods are proposed hereby and their effectiveness is verified. By establishing a simulation model， numerical simulation analysis is conducted based on four indicators of measurement accuracy， data transmission rate， anti-interference ability， and energy efficiency. Combined with hardware optimization， algorithm improvement， and signal transmission technology， on-site testing and engineering case verification of the optimized system are carried out. Simulation and testing results show that the optimized system has improved measurement accuracy to 96.5%， data transmission rate to 78 MB/s， signal-to-noise ratio to 32 dB， and energy efficiency to 3.2 J/MB. Practical applications have shown that optimizing the system significantly enhances its stability and data reliability in complex environments. The optimized multi parameter measurement system has the advantages of high precision， high efficiency， and low energy consumption， which can provide reliable technical support for marine engineering exploration and have broad engineering application prospects.

Key Words： Marine engineering survey; Multi parameter measurement system; Performance optimization; Data transmission

多參數測量系統作為海洋工程勘察的核心技術，廣泛應用于水文參數數據的實時采集與傳輸。尤其在海洋環境中，水文參數的實時采集對工程決策和建設具有重要意義。復雜的海洋環境中的深海高壓、劇烈的海流波動以及鹽霧腐蝕等因素，給多參數測量系統的精度、效率和可靠性帶來了嚴峻的挑戰。深海環境中高壓和極端溫度對設備的穩定性提出了較高要求，而海流的波動和鹽霧腐蝕則可能導致設備性能下降，進而影響測量數據的準確性和傳輸效率。現有的研究主要集中于提升傳感器性能和數據傳輸效率，極端環境條件下如何確保系統在長時間內保持高精度和高可靠性，依然是研究和應用中的難題。本文通過建立仿真模型并結合現場測試，提出了一系列優化措施，涵蓋硬件改進、算法優化及信號傳輸技術等方面。研究成果可為海洋工程勘察提供更為可靠和有效的技術支持，同時具有廣泛的工程應用前景^[1]。[A2]

1 多參數測量系統概況

1.1 系統構成與原理

該多參數測量系統主要有軟硬件兩個部分，其中硬件部分主要有傳感器、[A3]"數據采集模塊、[A4]"通信[A5]"模塊與電源模塊。利用傳感器實時采集海洋環境下水文參數數據；數據采集模塊，用于將傳感器的輸出信號放大并數字化；通[A6]"信模塊又保證了測量數據實時傳輸。其原理為利用傳感器陣列同步獲取多個物理、化學參數，并經信號處理模塊的優化傳輸到終端進行解析^[2]。

1.2 系統運行環境

多參數測量系統運行于復雜多變的海洋環境中，常面臨極端自然條件的挑戰，如深海高壓、劇烈的海流、鹽霧腐蝕及溫度劇變等。這些因素可能影響設備的穩定性和傳感器的精度。海洋環境中信號傳輸的復雜性較高。

2 主要影響及關鍵優化措施

2.1 性能影響因素

多參數測量系統性能受到很多因素共同作用，在復雜海洋環境下不確定性最大。由于水文參數如溫度、鹽度和流速的劇烈波動，傳感器的測量可能會出現不穩定，這進一步會對數據的準確性產生不良影響。同時該裝置的耐用性還會受海洋環境腐蝕性物質以及長期高壓等因素的腐蝕，會造成該裝置失效^[3]。

2.2 性能優化的關鍵措施

為了提升多參數測量系統在復雜環境中的性能，可以從硬件、軟件及傳輸技術3個方面進行優化。在硬件改進方面，可選用耐腐蝕、高精度的傳感器材料，并增加抗高壓設計；在軟件優化方面，則聚焦于數據濾波、誤差補償和動態補償算法的開發與應用，以提升數據處理的精準度；在信號傳輸方面，可引入基于5G網絡的無線傳輸和先進的水聲通信技術，有效減少傳輸延遲和數據丟包現象。

3 性能優化模擬分析

3.1 仿真模型建立

性能優化模擬的核心是建立一個符合實際海洋環境的仿真模型，模擬多參數測量系統在復雜條件下的性能表現。模型主要從以下4個指標進行構建：測量精度、數據傳輸速率、抗干擾能力和能耗效率。該模型將基于海洋水文環境的真實數據輸入，如溫度、鹽度、流速等通過動態調整各模塊的參數，評估優化措施對系統性能的影響。

3.2 數值模擬參數設置

在仿真模型中，為了有效描述多參數測量系統的優化效果，設置以下兩個指標及對應公式。測量精度（Accuracy），測量精度定義為實際值與測量值的偏差率，具體公式如下。

3.3 技術優化階段劃分

多參數測量系統的優化技術分為3個階段實施[A12]"：硬件優化階段、算法優化階段和綜合測試階段。第一階段側重于硬件性能改進，包括傳感器的選型、耐腐蝕材料的應用及高壓防護設計，旨在提升設備的耐用性和基礎性能。第二階段聚焦于算法優化，通過引入動態濾波、誤差補償及信號增強算法，提升數據處理的精準性和實時性^[4]。

3.4 數值模擬分析與結果

通過仿真分析，優化前后四項性能指標的數值對比如表1、圖1所示。

4 關鍵優化技術

4.1 高精度傳感器選型及優化

復雜海洋環境下傳感器選擇直接決定著多參數測量系統精度與穩定性。對于深海高壓，鹽霧腐蝕以及溫度劇變的情況，首選具有高精度、[A17]"強耐腐蝕性以及抗高壓性能好的傳感器材料如鈦合金外殼、[A18]"陶瓷或者復合材料制作的核心元件等。

4.2 動態數據處理算法

多參數測量系統的性能優化離不開動態數據處理算法的設計與應用。針對海洋環境中的噪聲干擾問題，設計了一種基于自適應濾波的噪聲過濾算法，通過動態調整濾波器參數實現對不同頻段噪聲的精準抑制。為了解決環境因素波動對測量精度的影響，開發了實時動態補償算法，能夠依據水溫、鹽度、壓力等參數的變化實時調整測量值，減少誤差累積^[5]。

5 優化措施實施效果評估

5.1 現場測試數據對比

優化后的多參數測量系統在實際海洋環境中進行了多次現場測試，以驗證性能提升效果。測試地點選取了水深500 [A19]"m、流速波動較大的近海區域，分別記錄了優化前后四項性能指標隨時間的變化，結果如表2所示。

5.2 實施效果綜合評價

現場試驗結果充分證明了該優化措施在提高多參數測量系統整體性能方面有明顯效果。考慮到測量的準確性，經過優化的系統在動態環境下的精確度從85.3%增長到了96.5%，這大大降低了環境變化對數據穩定性的負面影響。數據傳輸速率的顯著提升解決了實時傳輸中延遲和數據丟包問題，為高頻次的數據回傳提供了技術支撐。

7結語

本文針對海洋工程勘察中多參數測量系統的性能優化問題，結合仿真分析和實際測試，系統地研究了硬件優化、動態數據處理算法以及信號傳輸技術的改進措施。仿真結果表明，優化后系統的測量精度從85.3%提升至96.5%，數據傳輸速率從50 MB/s提高到78 MB/s，抗干擾能力（信噪比）從20 dB增強至32 dB，能耗效率降低了約40%，展現了顯著的技術進步。

參考文獻

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3. 馮湘子，李昱霏，王微微，等.南海深水工程勘察挑戰與案例分析[J/OL].熱帶海洋學報：[A21]"1-12[2024-12-27].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/44.1500.p.20240510.0919.002.html.
4. 楊光.海洋工程巖土工程勘察鉆探施工及其影響因素探究[J].價值工程，2024，43（13）：30-32.

[5]" 馮湘子，年永吉.海洋工程物探勘察中的幾種聲學假象[J].工程地球物理學報，2023，20（3）：322-329.