CN102914296B - 小型水下自主航行观测平台观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型水下自主航行观测平台观测方法，技术步骤包括梯形剖面测量和坐底连续测量。按照甲板单元设定的航线上自主航行，进行梯形剖面测量，测量海流剖面、温度和电导率剖面和水深变化；到达设定的地点，自动沉底进行定点坐底连续测量，测量海流剖面、潮位以及海底处温度、电导率，完成设置的测量时间后，自动上浮，再以同样的方式在返回过程中进行测量，获得的数据通过卫星通信装置传送到甲板单元。所述的水下自主航行观测平台的观测方法，通过梯形剖面测量和坐底连续测量达到海洋观测规范的要求，实现观测数据的规范化、实用化。
Description
技术领域
本发明涉及海洋观测方法，特别是涉及利用小型水下自主航行观测平台的观测方法。
背景技术
随着探索海洋步伐的加快，人们越来越认识到占地球75％面积的海洋必将成为人类生存和发展的新领域，将对人类发展和社会进步起到重要作用。然而由于海洋环境的复杂性，至今人们对海洋的认识依然非常有限，目前人们获取海洋数据的方法也是有限的。小型水下自主航行观测平台技术是海洋环境观测的一种高新技术,是当前和今后一段时间内国内外研究开发的技术热点，是海洋技术开发的最前沿与制高点。水下自主航行观测平台主要用于无人、大范围、长时间的水下环境观测，以及海洋工程方面的现场接近观测，观测的要素包括物理学参数、海洋地质学和地球物理学参数、海洋化学参数、海洋生物学参数等。
水下自主航行观测平台的主要特点是能够根据观测任务的需要，搭载所需要的观测仪器和设备，在设定的航线上自主航行，获得的数据通过有效的通讯手段(卫星、网络)传送到用户。观测平台作用距离在几十到上百公里。
水下自主航行观测平台是一个复杂的无人系统，用以代替人类进行海下的复杂、艰苦的工作，现有的水下自主航行观测平台涉及的关键技术较多，在研发的过程中主要关注观测平台技术的本身，观测平台的测量方法以及测量数据的广泛应用考虑较少。
现有水下自主航行观测平台主要是在设定的航线上自主航行，航行姿态无特殊的要求，在观测平台水面水平航行或水中水平航行的过程中利用搭载的仪器和设备测量海洋数据。
但是，现有自主航行观测平台的观测方法不符合海洋观测规范的要求，无法获得特定海区的温盐垂直剖面资料，无法获得特定海区的长期和连续潮、流特征信息。对航行姿态无特殊的要求，导致观测数据质量较差，数据无法达到规范化、实用化，影响水下自主航行观测平台作用的更大发挥。
发明内容
针对小型水下自主航行观测平台观测数据不符合海洋观测规范的要求，测量的数据无法达到规范化、观测数据质量较差等问题，本发明推出适用于水下自主航行观测平台的观测方法，通过梯形剖面测量和坐底连续测量达到海洋观测规范的要求，实现观测数据的规范化、实用化。
本发明涉及的小型水下自主航行观测平台观测方法的技术步骤包括梯形剖面测量和坐底连续测量。梯形剖面测量在设定的航线上进行，包括水面水平航行、下潜航行、水下水平航行、上浮航行测量，在航行过程中利用ADCP(声学多普勒剖面仪)测量海流剖面和水深变化，利用CTD(温深电导率传感器)测量海水温度和电导率剖面；坐底连续测量在设定的海区自动下沉到海底进行，包括水面水平航行、坐底下沉、坐底观测和释放上浮测量，坐底观测时间72小时，利用ADCP测量海流剖面，利用CTD测量海底处海水温度和电导率，利用压力传感器测量潮位。完成设置的测量时间后，自动上浮，再以同样的方式在返回过程中进行测量。获得的数据通过卫星通信装置传送到甲板单元，甲板单元设置在释放观测平台的母船上。
1、梯形剖面测量
在设定的航线上进行的梯形剖面测量，包括水面水平航行阶段、下潜航行阶段、水下水平航行阶段、上浮航行阶段，在航行过程中利用ADCP测量海流剖面和水深变化，利用CTD测量海水温度和电导率剖面。观测平台的航行体在下潜和上浮时的倾斜角控制在15°以内，航行速度不超过2米/秒。ADCP的采样率为1Hz,剖面层厚为2m；CTD的采样率为16～24Hz。梯形剖面的多少和跨度可以根据用户的需要而自行设置。
2、坐底连续测量
在设定的海区自动下沉到海底，进行坐底连续测量，包括水面水平航行阶段、坐底下沉阶段、坐底观测阶段和释放上浮阶段，坐底时间72小时。利用ADCP测量海流剖面，利用CTD测量海底处海水温度和电导率，利用压力传感器测量潮位。海流剖面测量时间间隔设置为15、30、60分钟，剖面层厚为2m，最大剖面范围100m，采样率最大为1Hz，每次采集时间不小于60s。CTD的测量时间间隔为5分钟，每次采集时间不小于60s，采样率为16～24Hz。
本发明涉及的小型水下自主航行观测平台观测方法，在走航过程中进行梯形剖面测量，可以得到沿航迹线上海流和温盐深的梯形剖面数据和水深变化；在坐底连续测量中，可以获得海流剖面、平均水深、海底处温度、电导率、水位数据，根据这些连续数据可以分析当地的潮、流变化特征。
通过卫星接收的典型数据和回放的原始数据分析处理、原始长期定点海底压力时间序列、借助最小二乘法提取各分潮的振幅和迟角，分析ADCP垂向剖面水平流向量的时间序列，提取各分潮潮流获取测量区域的潮流特征；对走航过程CTD梯形剖面数据进行分析处理提取区域海水密度层结构和声速剖面；对走航过程流速剖面进行分析处理获取在整个航行尺度内的海流特征，对航迹线上的水深数据分析处理获得地形数据。
附图说明
图1为小型水下自主航行观测平台观测仪器设备设置示意图；
图2为小型水下自主航行观测平台梯形剖面观测示意图；
图3为小型水下自主航行观测平台坐底连续观测示意图。
图中标记说明：
1、航行体 2、卫星通信装置
3、GPS天线 4、上视ADCP
5、下视ADCP 6、CTD
7、甲板单元 8、海面
9、海底 10、水面水平航行阶段
11、下潜阶段 12、水下水平航行阶段
13、上浮阶段 14、坐底下沉阶段
15、坐底观测阶段 16、释放上浮阶段
具体实施方式
结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
图1显示小型水下自主航行观测平台搭载仪器设备的基本状况，如图1所示，小型水下自主航行观测平台在其流线型的航行体1上搭载上视ADCP4、下视ADCP5和CTD6作为测量设备，同时携带GPS和卫星通信装置2，GPS通过GPS天线3获取小型水下自主航行观测平台的位置信息，卫星通信装置2将有位置信息的测量的特征数据发送到释放母船上的甲板单元7。CTD6安装在观测平台的头部，采样率达到16～24Hz。ADCP采用四波束斜正交JANUS配置的宽带ADCP，可以大大减小载体的倾斜摇摆所带来的干扰。配置两套前后安装的ADCP，一套为上视ADCP4，用于测量航行体上方的海流剖面；另一套为下视ADCP5，测量航行体下方的海流剖面，还具有航行体航行速度的测量功能，即具有对底跟踪功能和对底高度测量功能。
图2显示小型水下自主航行观测平台梯形剖面观测工作方式。如图2所示，小型水下自主航行观测平台航行体1由海面8释放后，进行梯形剖面测量。梯形剖面观测分为四个阶段，包括水面水平航行阶段10、下潜阶段11、水下水平航行阶段12和上浮阶段13，梯形剖面的高度和宽度由甲板单元7设定。在航行过程中，ADCP的采样率为1Hz，CTD6的采样率为16～24Hz。
图3显示小型水下自主航行观测平台坐底连续观测工作方式。如图3所示，小型水下自主航行观测平台航行体1到达海底9进行坐底连续测量。坐底连续观测工作分为四个阶段，包括水面水平航行阶段10、坐底下沉阶段14、坐底观测阶段15和释放上浮阶段16，在水面水平航行阶段10到达设定的地点后，进入坐底下沉阶段14，下沉到达坐底观测地点进入连坐底观测阶段15，到达设定的上浮时间进入释放上浮阶段16，自动释放上浮，上浮到水面后，进行GPS定位，同时将测量的特征数据通过卫星通信装置发送到甲板单元7。在坐底测量阶段15，定时进行海流剖面测量，海底处温度、电导率、水位数据。测量间隔由甲板单元7设定。坐底连续测量的时间为72小时，以便获得完整的潮位观测数据。
Claims (1)
1.一种小型水下自主航行观测平台观测方法，其特征在于，技术步骤包括梯形剖面测量和坐底连续测量；观测平台的航行体携带CTD、上视ADCP和下视ADCP作为测量设备，CTD安装在观测平台的头部，CTD测量海水温度和电导率剖面，ADCP为采用四波束斜正交JANUS配置的宽带ADCP，配置两套前后安装的ADCP，一套为上视ADCP（4），用于测量航行体上方的海流剖面；另一套为下视ADCP（5），测量航行体下方的海流剖面，还具有航行体航行速度的测量功能，即具有对底跟踪功能和对底高度测量功能；梯形剖面测量在设定的航线上进行，包括水面水平航行、下潜航行、水下水平航行、上浮航行，在航行过程中利用ADCP测量海流剖面和水深变化，ADCP的采样率为1Hz,剖面层厚为2m，利用CTD测量海水温度和电导率剖面，CTD的采样率为16～24Hz；在梯形剖面测量过程中，观测平台的航行体在下潜和上浮时的倾斜角控制在15°以内，航行速度不超过2米/秒；坐底连续测量在设定的海区自动下沉到海底进行，包括水面水平航行、坐底下沉、坐底观测和释放上浮，坐底观测时间72小时，利用ADCP测量海流剖面，海流剖面测量时间间隔设置为30分钟，剖面层厚为2m，最大剖面范围100m，采样率最大为1Hz，每次采集时间不小于60s，利用CTD测量海底处海水温度和电导率，利用压力传感器测量潮位，CTD的测量时间间隔为5分钟，每次采集时间不小于60s，采样率为16～24Hz；在走航过程中进行梯形剖面测量，可以得到沿航迹线上海流和温盐深的梯形剖面数据和水深变化；在坐底连续测量中，可以获得海流剖面、平均水深、海底处温度、电导率、水位数据，根据这些连续数据可以分析当地的潮、流变化特征；通过卫星接收的典型数据和回放的原始数据对原始长期定点海底压力时间序列分析处理并借助最小二乘法提取各分潮的振幅和迟角，分析ADCP垂向剖面水平流向量的时间序列提取各分潮潮流获取测量区域的潮流特征，对走航过程CTD梯形剖面数据进行分析处理提取区域海水密度层结构和声速剖面，对走航过程流速剖面进行分析处理获取在整个航行尺度内的海流特征，对航迹线上的水深数据分析处理获得地形数据。
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