CN104457711B - 北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统。包括：用于气象观测及控制、卫星通信、供电的冰基浮标装置、用于浮力转换与升降控制，进行海水温度、盐度、深度测量的水下剖面探测浮标装置和用于冰基浮标装置和水下剖面探测浮标装置的连接，提供数据信号线、高强度拉力电缆、耐海水腐蚀的硫化接头的高强度拖曳电缆装置。本发明可以进行水下温盐深剖面测量，测量深度为冰层下0‑120米，填补了国际上远海120米以浅观测手段匮乏的空白，实现了同一区域水文和气象同步观测；该系统的采用超大容量的锂电池供电系统，提高了系统的使用寿命，该发明具有非常大的推广应用价值，可以推广应用到国际上从事极区研究的相关领域。

Description

北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统

技术领域

本发明属于海洋监测技术应用领域，尤其是涉及一种北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统。

背景技术

近年来，世界海洋科学家们越来越关注北极和北冰洋海洋环境的特征和北极冰雪融化过程对于气候的影响等方面的研究。从事这些研究首先要获得北极和北冰洋海洋环境的温度、盐度和深度的数据和变化规律，而获取这些数据需要相应的观测和监测设备，但目前这种观测设备少之又少，远远不能满足北极科学研究的需要。目前，美国伍兹霍尔海洋研究所研制了一种“缆绳定点式深水剖面监测系统”，其测量深度从水下100米-4000米，用于海洋大深度剖面监测，这种装置有两个问题：一是装置自身带蓄电池，最长能够连续工作3个月，二是水下100以浅的海洋环境无法测量，而恰恰北冰洋浅海环境的变化和测量数据对于海洋科学家是最需要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统。本发明利用冰基浮标坐落在冰层上作冰面气象测量，同时冰基浮标随冰层漂移，利用GPS定位模块记录冰层轨迹；冰基浮标连接高强度拖曳电缆拖着冰层下水下剖面测量浮标做水下温盐深剖面测量，测量深度为冰层下0-120米，填补了国际上远海100米以浅观测手段匮乏的空白，由于冰基浮标和水下剖面测量浮标同时开展观测，实现了同一区域水文和气象同步观测；该系统的采用超大容量的锂电池供电系统，提高了系统的使用寿命，该发明具有非常大的推广应用价值，可以推广应用到国际上从事极区研究的相关领域。

本发明提供的北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统包括：

冰基浮标装置：用于气象观测及控制、卫星通信、供电。

水下剖面探测浮标装置：用于浮力转换与升降控制，进行海水温度、盐度、压力测量。

高强度拖曳电缆（零浮力拖曳电缆）装置：用于冰基浮标装置和水下剖面探测浮标装置的连接，提供数据信号线、高强度拉力电缆、耐海水腐蚀的硫化接头。

所述的冰基浮标装置安装于冰层上方，实施冰面气象观测、数据通信、Argos卫星通信及电力供给；水下剖面探测浮标装置在冰层下做温盐深剖面测量，测量范围120米，冰基浮标装置与水下剖面探测浮标装置通过零浮力拖曳电缆装置连接，零浮力拖曳电缆装置既能拖着水下剖面探测浮标装置随冰层漂移，又提供电力供给和数据传输。

所述的冰基浮标装置为冰面气象监测及控制子系统的载体，该冰基浮标装置由锂电池组、上部信号缆水密接口、温度和相对湿度传感器、气压传感器、GPS定位模块、Argos卫星通信模块、冰上中央控制单元、电池舱、浮标浮力圈、上部电缆拉头铰接环、不锈钢管等组成。

冰基浮标装置的上部用不锈钢管组成山字形连接支架，支架左侧支撑气压传感器和GPS定位模块，支架中间支撑温度和相对湿度传感，支架右侧支撑Argos卫星通信模块，各传感器的信号线由不锈钢管连接到冰上中央控制单元。冰上中央控制单元安装在冰基浮标装置标体内部，四周嵌套浮力圈，其作用是当冰层融化时冰基浮标装置掉入水中，也能提供足够的浮力漂浮在海面，继续完成环境监测；电池舱位于冰基浮标装置的下部，锂电池组（300Ah）装在电池舱内部，保证系统工作一年所需的电力，上部电缆拉头铰接环连接高强度拖曳电缆装置的上部拉环，上部信号缆水密接口连接高强度拖曳电缆装置的上部水密接头橡胶缆。

所述的冰上中央控制单元包括：主控与时钟电路单元、电能补给与电源管理单元、数据采集与存储单元以及数据通讯与传输单元。

主控与时钟电路单元：主控制器采用多串口51单片机，该系列单片机具有高速、低功耗、抗干扰性强、输入输出接口丰富等优点。主控制器相当于整个监测系统的大脑，在预设时钟周期内控制冰基浮标各主要单元的工作进程并协调管理冰基浮标与水下剖面探测浮标之间的控制时序和数据传输。主控制器具备上电复位以及看门狗复位功能，避免程序运行过程中跑飞所导致的系统死机。时钟电路选用低频时钟芯片，其外围电路简单、定时准确，能实现无干扰、全周期准确的启动以及长持续时间定时等功能。时钟电路的定时周期由主控制器预置，每个时钟周期产生的脉冲信号反馈给主控制器，用于主控制器的休眠唤醒，以有效控制数据采集周期。

电能补给与电源管理单元：考虑到长期工作后的锂电池在低温下的放电能力有限，采用超级电容器对其进行补偿。超级电容器具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好等优点，将其并联于卫星通讯电源以及电机电源端，在数据卫星通讯以及电机启动过程中能够提供瞬间大电流，从而保证数据的可靠传输以及电机的可靠启动。电源管理中的DC/DC变换模块采用输出电压可调的降压型DC/DC开关电源芯片，该类型芯片具有输入输出电压范围宽、转换效率高、工作温度范围宽、静态电流和关断电流极低等优点。由DC/DC开关电源芯片组成的电源管理单元为系统各主要单元提供高效、准确、可靠的供电电平。

数据采集与存储单元：冰基浮标装置中的温湿和气压传感器构成气象数据采集单元，输出气象数据模拟量，通过Σ-Δ调制型A/D转换芯片获得气象数据的数字量输出给主控制器处理。存储器采用非易失性NVRAM，为气象与水文数据压缩提供可靠的存储空间。主控制器将捕获的有效GPS时间和位置信息与处理完毕的有效气象和水文数据加密打包，暂存于NVRAM中，待有效时刻将其发送至卫星通讯单元。

数据通讯与传输单元：冰基浮标装置中的数据卫星通讯单元采用ARGOS-3 PMT-RFM模块，该模块能实现卫星过顶预测并自动唤醒，在实现数据有效传输的同时优化数据卫星通讯系统的功耗。GPS卫星定位模块基于SiRF Star IV，具有低功耗、高定位精度、高灵敏度和高性能等优点，为主控制器提供准确的时间与位置信息。冰基浮标装置与水下剖面探测浮标装置之间的通讯为长缆数据传输，为保证其可靠通讯，采用RS485协议来实现。

所述的水下剖面探测浮标装置由下部电缆拉头铰接环，温度、盐度、压力测量传感器、传感器保护罩、浮力舱体、水下控制单元、内油囊、直流电机、电动旋转阀、单向阀、液压马达、后端盖、外油囊、油囊保护罩、浮标水密接口、姿态传感器等组成。

水下剖面探测浮标装置的壳体为圆柱体，由铝合金管料加工而成。其上部连接温度、盐度、压力测量传感器，传感器四周套CTD保护罩，保护罩顶端的下部电缆拉头铰接环固定高强度拖曳电缆装置的下部拉环；水下剖面探测浮标装置的中部是浮力舱，浮力舱上端安装水下控制单元，内油囊设置在浮标舱体内部，外油囊设置在浮标舱体外部，内油囊与外油囊之间有一液压马达，即液压马达通过油管与内油囊、外油囊连接，油马达和外油囊之间装有单向阀，外油囊和内油囊之间还装有电动旋转阀，微型直流电机带动油马达旋转；浮力舱后端盖连接外油囊，外油囊的安全性由外油囊保护罩承担，浮标的水密接口连接高强度拖曳缆的下端水密接头，保证数据信号的通路。

所述的水下控制单元包括：子控制器与时钟电路单元、电源管理单元、数据采集与存储单元以及电机控制单元。

子控制器与时钟电路单元：子控制器也采用多串口51单片机，根据冰基浮标主控制器发送的指令控制水下剖面探测浮标各主要单元的工作进程。子控制器具备上电复位以及看门狗复位功能，避免程序运行过程中跑飞所导致的系统死机。时钟电路依然选用低频时钟芯片，其定时周期由子控制器预置，每个时钟周期产生的脉冲信号反馈给子控制器，用于控制数据采集周期。

电源管理单元：电源管理中的DC/DC变换模块采用输出电压可调的降压型DC/DC开关电源芯片，为系统各主要单元提供高效、准确、可靠的供电电平。

数据采集单元：水下剖面探测浮标中的CTD传感器采集其所在位置的温度、盐度和压力数据。姿态传感器用于监测水下剖面探测浮标运动过程中的姿态变化。子控制器对采集的温盐深和姿态数据进行处理并发送给冰上中央控制单元的主控制器。

数据通讯与传输单元：水下剖面探测浮标通过RS232转RS485芯片提供冰基浮标装置与水下剖面探测浮标装置之间通讯所需的RS485接口。水下剖面探测浮标将采集的水文数据通过RS485总线传输给冰基浮标。

电机控制单元：水下剖面探测浮标中的直流电机和电动旋转阀的驱动均采用电机驱动芯片，此类芯片在保证足够的电流驱动能力的同时，具有完善的过流过热保护功能。子控制器通过电机驱动芯片来控制直流电机和电动旋转阀的开关时序，实现水下剖面探测浮标的有序升降。

所述的高强度拖曳电缆装置由两根电源线加两对信号线成缆，每根缆芯外绕包聚酯，电源线和信号线绞和后套隔离层，沿隔离层编织芳纶拉力层，芳纶拉力层起到承载水下剖面探测浮标装置重量，拖着水下剖面探测浮标装置做剖面测量的作用，最外层是聚氨酯护套。

高强度拖曳电缆装置的上部拉环连接冰基浮标装置的上部电缆拉头绞接环，实现拖曳缆的功能；高强度拖曳电缆装置中电源线和信号线由上部电缆拉头分离出上部水密接头橡胶缆接到冰基浮标装置的上部信号缆水密接口；高强度拖曳电缆装置的下部拉头连接水下剖面测量浮标装置的下部电缆拉头绞环，高强度拖曳电缆装置拉着水下剖面测量浮标装置随冰漂移；高强度拖曳电缆装置中电源线和信号线由下部电缆拉头分离出下部水密接头橡胶缆接到水下剖面测量浮标装置的下部信号线水密接口，下部电缆拉环连接水下剖面测量浮标装置下部电缆拉头绞环，完成整个系统拖曳和电气的物理连接。

所述的水下剖面测量浮标装置其标体内部用真空泵抽成(0.04-0.06)MPa的负压,使内油囊与外油囊形成压力差。所述的冰基浮标装置和水下剖面探测浮标装置的连接是采用芳纶复合电缆拉力接头连接。

根据水下剖面测量浮标装置距冰底的距离，为调整浮力升降单元的供油时间，防止其冲力过大撞击冰底。水下剖面测量浮标中的控制单元安装了倾斜传感器，用来测量浮标在上升过程的运动姿态。

为了防止水下剖面测量浮标装置撞击冰底，设计时在水下剖面测量浮标装置尾部设计了防撞击装置，装置由三个防撞弹簧和一个防撞板组成。

本发明提供的北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统的监测方法包括的步骤：

1） 冰基浮标装置在冰面上随洋流飘移，其中的中央控制单元控制温度、湿度、气压传感器和GPS定位模块，以每小时一次的时间间隔定时采集冰面数据，并将数据进行分析、处理、存储；

2）冰上中央控制单元每隔24小时通过水下控制单元发出唤醒指令，唤醒一次水下剖面测量浮标装置，使其上的浮力升降单元启动，在冰下0-120米范围内的上浮和下潜，通过CTD测量传感器，进行海水温度、盐度、压力数据的采集；水下控制单元将测量数据进行预处理后传至冰基浮标装置的冰上中央控制单元，再将数据通过Argos通信卫星传到互联网上，使得研究人员在办公室就能看到采集的数据。

3）浮力升降单元工作过程：

初始状态的水下剖面测量浮标装置在水下120米处待机休眠随冰漂移，在水下子控制单元的控制下，内油囊向外油囊注油，使其的浮力增加，开始上升，每上升50厘米进行温盐深测量，外油囊油在压力差的作用下再注入内油囊，在接近冰面时水下剖面测量浮标装置的上升速度近似为零，待升至冰底，完成了由水下120米-0米的剖面测量；然后在水下控制单元指令下，外油囊的油在压力差的作用下注入内油囊，外油囊收缩，使水下剖面测量浮标装置从水面开始下降，外油囊的油全部注入内油囊，直至降到水下最深处获得平衡，水下控制单元进入休眠状态，等待下一次测量，下降时不采集数据。

本发明和现有技术相比具有显著优点和有益效果：

1 本发明利用冰基浮标装置随冰漂流，通过高强度拖曳缆装置拖着水下剖面测量浮标装置做水下温盐深剖面测量，实现了在大范围获取海洋环境数据，同时准确得知海冰的漂移速度和漂移方向，对于研究极地的气候变化提供了有效的观测手段，特别是这种测量方式能够获取贴近冰层的海洋环境数据，这是目前国际上其它海洋剖面观测仪器无法比拟的，实现了北冰洋浅水区的剖面观测，使得获取北冰洋浅水区数据成为可能，填补了该项技术在国际上的空白。

2科学家在进行科学研究时，不仅需要海洋水文数据，也需要海洋气象数据综合开展研究，但往往在同一区域难以获得同一时段、同一地点的数据。本发明利用冰基浮标装置开展极区气象观测，利用水下剖面测量浮标装置开展浅水区温盐深测量，实现了同一区域水文和气象同步观测，解决了水文数据和气象数据不同区域、不同时间的问题，使极区科学研究的数据来源更加真实。

3本发明实现了长时间水文和气象连续同步观测。以往北冰洋用的海洋观测仪器，均采用自备电池的方式，这种方式限制了仪器长时间连续观测，本系统采用了大容量锂电池组供电，电池舱设计在冰基浮标装置的标体内，加大了能量存储空间，电池容量超出独立剖面探测浮标的数倍，大大增加了系统的在位工作时间。

4本发明有旺盛的市场需求。本发明的特点是实现了多要素、长时间、同步实时连续观测，这些特点是全球海洋观测数据获取者一贯追求的宗旨，这项发明完全符合海洋科学研究的实际需求，有非常大的推广应用价值，其产品可以推广到国际上从事极区研究的一些领域。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；其中：1、冰基浮标装置，2、水下剖面测量浮标装置，3、高强度拖曳电缆装置，4、海冰层。

图2为本发明冰基浮标装置结构示意图；其中：19、锂电池组，20、上部信号缆水密接口， 21、温湿传感器，22、气压传感器，23、GPS定位模块 24、Argos卫星通信模块，25、冰上中央控制单元，26、电池舱，27、浮力圈 28、上部电缆拉头铰接环，29、不锈钢管。

图3为本发明水下剖面测量浮标装置结构示意图；其中：30、下部电缆拉头铰接环，31、CTD传感器，32、CTD保护罩，33、浮力舱，34、水下控制单元 35、内油囊，36、直流电机，37、电动旋转阀，38、单向阀，39、油马达，40、后盖板，41、外油囊，42、外油囊保护罩，43、下部信号线水密接口，44、姿态传感器。

图4为本发明水下剖面测量浮标装置上升和下潜原理图；其中：35、内油囊，37、电动旋转阀，38、单向阀，39、油马达，41、外油囊。

图5为本发明高强度拖曳电缆装置剖面结构图；其中：51、电源线，52、信号线，53、聚氨酯层，54、隔离层，55、芳纶编织层，56、聚氨酯外护套。

图6为本发明高强度拖曳电缆装置及拉头结构示意图；其中：60、上部拉头，61、上部水密接头橡胶缆，62、上部拉环，3 高强度拖曳电缆装置，63、下部拉头，64、下部水密接头橡胶缆，65、下部拉环。

图7为本发明冰基浮标冰装置上中央控制单元框图。

图8为本发明水下剖面测量装置浮标水下控制单元框图。

图9为电缆拉头接头本体的结构示意图；图10为电缆拉头接头盖板的结构示意图；其中：101、接头本体；102、接头盖板；103、轴心孔；104、接头本体A端；105、接头本体B端；106、钻孔；107卡槽；108、铰链接头；109、槽孔；110、坡状凸起物；111、斜孔；112、硫化池；113、圆孔。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步说明描述。

如图所示，图1所示为北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统总体结构示意图。它由冰基浮标装置、水下剖面测量浮标装置和高强度拖曳电缆装置三部分组成。安装时先在冰面上用冰钻开一个垂直于冰面，直径250毫米的冰孔。然后按冰基浮标装置的外形轮廓进行扩孔，清理碎冰后，将预先连接好的水下剖面测量浮标装置、高强度拖曳电缆装置依次放入冰孔，最后将冰基浮标装置入位并调整为垂直状态。

图2所示为冰基浮标装置结构示意图。它主要由温、湿度传感器21、气压传感器22、GPS定位模块23、Argos卫星通讯系统24、电池舱26和冰上中央控制单元25等组成。

冰基浮标装置的上部用不锈钢管29组成山字形连接支架，支架左侧支撑气压传感器22和GPS定位模块23，支架中间支撑温度和相对湿度传感21，支架右侧支撑Argos卫星通信模块24，各传感器的信号线由不锈钢管29连接到冰上中央控制单元25。冰上中央控制单元25安装在冰基浮标装置标体内部，四周嵌套浮力圈27，其作用是当冰层融化时冰基浮标装置掉入水中，也能提供足够的浮力漂浮在海面，继续完成环境监测；电池舱26位于冰基浮标装置的下部，锂电池组（300Ah）19装在电池舱26内部，保证系统工作一年所需的电力，上部电缆拉头铰接环28连接高强度拖曳电缆装置的上部拉环62，上部信号缆水密接口20连接高强度拖曳电缆装置的上端水密接头61。

冰上中央控制单元25每小时整点发出一次采集数据的指令，温湿度传感器21和气压传感器22采集60s的实时数据进行平均，作为这一时刻整点实时数据存储到冰上中央控制器25的存储单元。温、湿度传感器21选用芬兰Vaisala公司HMP155A型产品，其测量范围：气温：（-80～60）℃，相对湿度：（0～100）%。气压传感器22选用芬兰Vaisala公司CS106型大气压传感器，测量范围（500-1100）hPa。

图 7 所示为冰基浮标装置电气控制框图，它主要由四个单元组成：主控与时钟电路单元、电能补给与电源管理单元、数据采集与存储单元以及数据通讯与传输单元。

主控与时钟电路单元：主控制器采用多串口51单片机，该系列单片机具有速度快、功耗低、抗干扰性强以及输入输出接口丰富等优点。时钟电路选用低频时钟芯片，其外围电路简单、定时准确，能实现无干扰、首周期准确的启动以及长持续时间定时。

电能补给与电源管理单元：DC/DC变换模块采用输出电压可调的降压型DC/DC开关电源芯片，该类型芯片具有输入输出电压范围宽、转换效率高、工作温度范围宽、静态电流和关断极低等优点。超级电容能在数据卫星通讯以及电机启动过程中提供瞬间大电流，从而保证数据的可靠传输以及电机的可靠启动。

数据采集与存储单元：温、湿传感器21和气压传感器22构成气象数据采集单元，输出气象数据模拟量，通过Σ-Δ调制型A/D转换芯片获得气象数据的数字量。存储器采用非易失性NVRAM，为数据压缩提供可靠的存储空间。

数据通讯与传输单元：Argos卫星通信模块24采用Argos-3 PMT-RFM，该模块能实现卫星过顶预测并自动唤醒，在实现数据有效传输的同时最大化降低数据卫星通讯系统的功耗。卫星定位模块基于SiRF Star IV，具有低功耗、高定位精度、高灵敏度和高性能等优点。

冰基浮标装置与水下剖面测量浮标装置之间的通讯因涉及长线数据传输，为保证其可靠通讯，本案采用485协议。

该系统布放到北冰洋后不可回收，设计工作时间为一年，冰基浮标装置和水下剖面测量浮标装置工作需消耗较大电力，尤其是北极低温恶的劣环境对系统供电系统提出了较高要求，经过对电池性能指标进行综合分析，本案选定锂电池作为系统供电电源，锂电池的温度范围：-55°C-+85°C，单节标称容量19Ah，标称电压3.6V，经过对锂电池的串并联后，组成了容量300 Ah，电压28 V的锂电池组对系统供电。

图3所示为水下剖面测量浮标装置结构示意图，主要由上部拉头铰接环30、温度、盐度、压力测量传感器31、传感器保护罩32、浮力舱体33、水下控制单元34、内油囊35、直流电机36、电动旋转阀37、单向阀38、液压马达39、后端盖40、外油囊41、油囊保护罩42、水密接口43、姿态传感器44等组成。

水下剖面探测浮标装置的壳体为圆柱体，由铝合金管料加工而成。其上部连接温度、盐度、压力测量传感器31，传感器四周套CTD保护罩32，保护罩32顶端的下部电缆拉头铰接环30固定高强度拖曳电缆装置的下部拉环65；水下剖面探测浮标装置的中部是浮力舱33，浮力舱上端安装水下控制单元34，内油囊35设置在浮标舱体33内部，外油囊41设置在浮标舱体33外部，内油囊35与外油囊41之间有一液压马达39，即液压马达39通过油管与内油囊35、外油囊41连接，油马达39和外油囊41之间装有单向阀38，外油囊41和内油囊35之间还装有电动旋转阀37，微型直流电机36带动油马达39旋转；浮力舱33后端盖连接外油囊41，外油囊41的安全性由外油囊保护罩42承担，浮标装置的水密接口43连接高强度拖曳缆装置的下端水密接头64，保证数据信号的通路。

其中温、盐、压力测量传感器31采用美国海鸟公司生产的SEB 41产品，其温度测量规范为：0-35°C，测量精度：0.002°C，电导率测量范围：0-9 s/m，测量精度：0.0003 s/m，压力测量范围：0-100 dbar，测量精度：0.1%。该传感器专门为海洋剖面测量浮标设计，传感器测量精度在出厂前已经进行了校准，不需要再进行定标，传感器的采样速率为1Hz或6Hz可选，具有标准的RS-232接口。

水下剖面测量浮标装置壳体采用铝合金管料加工，直径183mm，高度1750mm。浮标内部抽成（0.04-0.06）MPa的负压，浮标顶端的CTD测量传感器31和底端的外油囊41均安装有保护罩，高强度拖曳电缆装置下部拉环30连接在水下剖面测量浮标装置的顶端30，为了保护CTD传感器31在水下剖面测量浮标装置上升过程中不会撞到冰底，采用水下剖面测量浮标装置顶端重量大于底端重量的设计思路，保证水下剖面测量浮标装置在上升过程中底端向上，同时水下剖面测量浮标装置尾部安装三个防撞弹簧和一个防撞板,三个防撞弹簧一端以120º均布在水下剖面测量浮标外油囊护罩底端，采用焊接方式固定，另一端用螺钉固定于防撞板。

水下剖面测量浮标装置2中直流电机36的型号为ZYTD-38SRZ-R型，其额定的转速为1800转/分，额定电流：0.38A；油马达39选用意大利进口产品，型号为BKP0.5A1，其转速为（1000-7000）ppm，容积效率为90%；电动旋转阀37的通径为2mm，额定功率：9W，额定电流375mA，工作压力: 10.34 kg/cm²。

图 8 所示为水下剖面测量浮标装置2电气控制框图，它主要由四个单元组成：子控制器与时钟电路单元、电源管理单元、数据采集与存储单元以及电机控制单元。

子控制器与时钟电路单元：子控制器采用多串口51单片机。时钟电路选用低频时钟芯片。

电源管理单元：DC/DC变换模块采用开关电源芯片。

数据采集与存储单元：CTD传感器31采集水下剖面测量浮标装置所在位置的温度、盐度和压力数据。姿态传感器44用于监测水下剖面测量浮标运动过程中的姿态变化。存储器采用非易失性NVRAM，为数据压缩提供可靠的存储空间。

电机控制单元：油马达39和电动旋转阀37的驱动均采用德州电子仪器厂生产的电机驱动芯片，型号为：DRV 8840，此类芯片在保证足够的驱动电流的同时，具有完善的过流过热保护功能。

图4为水下剖面测量浮标装置升降原理图，若要水下剖面测量浮标装置下潜，只须给电动旋转阀37加电，阀芯转动90°，由于浮标体内已抽成(0.04-0.06)MPa的负压，在压力差的作用下，浮标外油囊41的油快速流向内油囊35，原有的浮力平衡系统打破，水下剖面测量浮标装置下潜。随着深度加大，外油囊41内的油最终完全回到内油囊35。下潜深度由高强度拖曳电缆装置长度和现场海流决定。若要水下剖面测量浮标装置上升，只须给直流电机36加电，电机带油马达39旋转，液压油从浮力舱33内的内油囊35流入舱外的外油囊41，随着外油囊41体积的加大，原有的浮力平衡系统被打破，水下剖面测量浮标装置开始上升，经过一段时间（大约15分钟）之后，外油囊41鼓胀到最大。最终浮标回到水表面。

为了满足系统对高强度电缆重量轻、破断拉力大、弹性形变小、既要具备拖曳功能，又要具备供电和数据传输功能，专门研制了高强度拖曳异形电缆。图6中高强度拖曳电缆装置用于连接冰基浮标装置和水下剖面测量浮标装置，使其能够拖着水下剖面测量浮标装置随波逐流，又具有传输电气数据信号及给水下剖面测量浮标装置输送电力的功能。

高强度拖曳电缆装置剖面结构见图5。它是由2根电源线51加两对信号线52成缆，每根缆芯外绕包聚酯53，电源线51和信号线52绞和后套隔离层54，沿隔离层54编织芳纶拉力层55，最外层是聚氨酯护套56。芳纶拉力层起到承载水下剖面探测浮标装置重量，拖着水下剖面探测浮标装置做剖面测量的作用，最外层是聚氨酯护套56；

图6为本发明高强度拖曳电缆装置及拉头结构示意图；其中：60、上部拉头，61、上部水密接头橡胶缆，62、上部拉环，3 高强度拖曳电缆装置，63、下部拉头，64、下部水密接头橡胶缆，65、下部拉环。

高强度拖曳电缆装置的上部拉环62连接冰基浮标装置的上部电缆拉头绞接环28，实现拖曳缆的功能；高强度拖曳电缆装置中电源线51和信号线52由上部拉头60分离出带上部水密接头的橡胶缆61接到冰基浮标装置的上部信号缆水密接口20；高强度拖曳电缆装置的下部拉环65连接水下剖面测量浮标装置的上部拉头绞环30，高强度拖曳电缆装置拉着水下剖面测量浮标装置随冰漂移；高强度拖曳电缆装置中电源线51和信号线52由下部拉头63分离出下部水密接头橡胶缆64接到水下剖面测量浮标装置的水密接口43。完成整个系统拖曳和电气的物理连接。

电源线51截面积为0.5 mm²，采用16根0.2mm直径的镀锡铜丝绞合而成；信号线52截面积为0.35 mm²，采用43根0.1mm直径的镀锡铜丝绞合而成；电缆外径：9.3±0.5mm；电缆破断力：不低于300kg；电缆净重：103kg/km。

本发明提供一种北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统的工作过程：

1 冰基浮标装置工作过程

冰基浮标装置1安装在冰面上随洋流以（0.1-0.3）m/s的速度飘移，浮标内的冰上中央控制单元25是冰基浮标装置1乃至整个系统的核心，它一方面控制安装在冰基浮标装置1上的温度、湿度传感器21、气压传感器22和GPS定位模块23，以每小时一次的时间间隔定时采集冰面数据，并将数据进行分析、处理、存储。另一方面还每隔24小时唤醒一次水下剖面测量浮标装置2进行海水温盐深数据的采集和传输。冰上中央控制单元25将所采集的数据传送至Argos卫星通信模块24，大容量锂电池组30装在冰面浮标装置1的电池仓内26，供给冰基浮标装置1和水下剖面测量子系统装置2工作电源。

2 水下剖面测量浮标装置工作过程

冰上中央控制单元25每隔24小时向水下控制单元34发出唤醒指令，水下控制单元34唤醒处于休眠状态的水下剖面测量浮标装置2，水下剖面测量浮标装置2的浮力升降单元启动，控制水下剖面测量浮标装置2在冰下0-100米范围内的上浮和下潜，CTD测量传感器31在浮标上升过程中采集不同海水深度的温度、盐度、压力数据，进行数据处理，并将测量数据传送给水下控制单元34，水下控制单元34同时采集压力信号，换算成浮标上升过程中距冰底的位置高度，根据水下剖面测量浮标装置2距冰底的距离，调整浮力升降单元的供油时间，防止水下剖面测量浮标2冲力过大撞击冰底。水下剖面测量浮标装置2中的水下控制单元34安装了倾斜传感器43，用来测量浮标在上升过程的运动姿态，为今后浮标的改进提供依据。水下控制单元34将测量数据进行预处理后传至冰基冰上中央控制单元25，由冰基冰上中央控制单元25将数据通过Argos通信卫星24传到互联网上，使得研究人员在办公室就能看到采集的数据。

3 浮力升降系统工作过程

初始状态时，水下剖面测量浮标装置2在水下120米处待机，这时内油囊35注满油，油囊的容量为3升，注入了2.5升的液压油，外油囊41无油，出厂标定时设定水下剖面测量浮标装置2的重力大于浮力500g，水下剖面测量浮标装置2在水下平衡位置处于休眠状态且随冰漂移。

标定时将水下剖面测量浮标装置2内部抽成（0.04-0.06）MPa的负压,使内油囊35与外油囊41形成压力差。当水下控制单元34接到冰上中央控制单元25的叫醒指令，水下控制单元34给直流电机36加电并启动，直流电机36带动油马达39旋转，单向阀38打开，内油囊35向外油囊41注油，外油囊41油量增加并膨胀，使得水下剖面测量浮标装置2体积逐渐增加，即水下剖面测量浮标装置2的浮力增加，当水下剖面测量浮标装置2的浮力大于重力时，水下剖面测量浮标装置2开始上升，水下控制单元34同时给温盐深测量传感器31加电，温盐深测量传感器31每上升50厘米测量一次，水下剖面测量浮标装置2在上升过程中，浮力逐渐加大，上升速度逐渐加快，但这时拖曳电缆装置3作用在浮标上的重力随着水下剖面测量浮标装置2的升高而增加，减缓了浮标上升速度，通过出厂前室内定标，保证水下剖面测量浮标装置2在接近冰面时速度近似为零，防止水下剖面测量浮标装置2和冰底的撞击，水下控制单元34在水下剖面测量浮标装置2上升过程中不断采集压力传感器31的数据，随时判断水下剖面测量浮标装置2的上升高度，当水下剖面测量浮标装置2快接近冰面时水下控制单元34给电动旋转阀37加电，电动旋转阀37工作并打开，外油囊41的油在压力差的作用下注入内油囊35，外油囊41的油减少，体积减小，浮力减小，水下剖面测量浮标装置2上升速度减慢，保证接近冰底时浮标水下剖面测量浮标装置2的速度为零。为了防止水下剖面测量浮标装置2撞击冰底，设计时在水下剖面测量浮标装置2尾部设计了防撞击装置，装置由三个防撞弹簧和一个防撞板组成。

水下剖面测量浮标装置2缓慢升至冰底，温盐深传感器31完成了由水下120米-0米的剖面测量，水下剖面测量浮标装置2的浮力和重力相等，即水下剖面测量浮标装置2自身的浮力等于浮标体在水中的重量和1/2缆绳3重量之和，水下剖面测量浮标装置2漂浮在水面。这时水下控制单元34给电动旋转阀37加电，电动旋转阀37打开，外油囊41的油在压力差的作用下注入内油囊35，外油囊41收缩，水下剖面测量浮标装置2体积减小，浮力减小，这时水下剖面测量浮标装置2的浮力小于重力，浮标体从水面开始下降，直至降到水下最深处获得平衡。水下控制单元34关闭电动旋转阀37，外油囊41的油全部注入内油囊35，水下控制单元34进入休眠状态，等待下一次测量。水下剖面测量浮标装置2下降时温盐深传感器31不采集数据。

高强度拖曳电缆装置3如何与冰基浮标装置1和水下剖面测量浮标装置2的数据电缆可靠连接是本系统的关键技术之一，即包含使用了上下拉头60和63，该拉头（一种芳纶复合电缆拉力接头）由本申请人提交的实用新型专利（申请号：CN201420468498.X）中有详细记载，具体由接头本体、接头盖板、轴心孔、硫化池构成，接头本体为一面被铣削成平面的空心柱体，中空位置为所述的硫化池，其一端设有轴心孔，另一端安装铰链接头，用来固定芳纶拉力层55,芳纶拉力层经编织后分别接到上下拉环62和65；接头盖板表面有坡状凸起物，有一斜孔通过坡状凸起物贯穿接头盖板；接头盖板表面圆孔。

如图9,10所示，接头本体101的中空位置为硫化池112，垂直于硫化池112的两侧内壁，分别有钻孔106直通接头本体101表面；接头本体一端104设有轴心孔103，接头本体另一端105安装铰链接头108；接头盖板102表面设有坡状凸起物110，斜孔111通过坡状凸起物112贯穿接头盖板102；所述的接头盖板102表面，有一圆孔113；接头本体111被铣削成平面的位置与接头盖板102的形状大小契合，接头本体101表面设有卡槽107，接头盖板102相对位置设有槽孔109，用于接头盖板102与接头本体101之间的固定。

本发明提供一种北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统，该系统具有如下设计特点：

1 能够进行水文和气象同步观测。本发明利用冰基浮标装置1进行海洋气象观测，利用水下剖面测量浮标装置2进行海洋水文监测，实现了同一区域温盐深和气象的同步观测。

2 具有北冰洋浅水区剖面测量功能。本发明采用液压驱动浮力控制技术，通过内外油囊（35/41）的膨胀和收缩，改变水下剖面测量水下剖面测量浮标装置2体的浮力，实现冰下0-120米水文剖面测量。

3 具有GPS定位功能。本发明采用GPS定位模块23，拟补了Argos通信卫星模块24的定位精度偏低的缺陷，同时记录了海冰的漂移轨迹，为研究海冰的漂移提供了有效地数据，成为本发明的一个副产品。

4 卫星通信数据传输功能。本发明采用Argos卫星通信模块24，实时传送海洋环境数据，数据落地后科研人员可通过互联网及时下载。

5 高强度拖曳电缆。本发明自行设计高强度拖曳电缆装置3，采用电缆芯采用铜丝绞和，缆芯外包聚酯，编制芳纶制作拉力层，最外层采用聚氨酯护套，实现了一缆既能做拖曳缆又能传输电力和数据的功能。

该发明在试验室进行了浮力标定、密封试验、负载试验，在青岛、昆明进行了120米水深的全量程剖面测量试验，卫星通信试验，试验结果达到了设计要求。

Claims (3)

1.一种北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统，包括：

1）冰基浮标装置：用于气象观测及控制、卫星通信、供电；其特征在于：

2）水下剖面探测浮标装置：用于浮力转换与升降控制，进行海水温度、盐度、深度测量；所述的水下剖面探测浮标装置包括下部电缆拉头铰接环，温度测量传感器、盐度测量传感器、压力测量传感器、传感器保护罩、浮力舱体、水下控制单元、内油囊、直流电机、电动旋转阀、单向阀、液压马达、后端盖、外油囊、油囊保护罩、浮标水密接口、壳体；壳体内部初始状态设定为负压，使内油囊与外油囊形成压力差；壳体上部连接温度、盐度、压力测量传感器，传感器四周套CTD保护罩，保护罩顶端的下部电缆拉头铰接环固定拖曳电缆装置的下部拉环；该装置的中部是浮力舱，浮力舱上端安装水下控制单元，内油囊设置在舱体内部，外油囊设置在舱体外部，内油囊与外油囊之间有液压马达，液压马达通过油管与内油囊、外油囊连接，液压马达和外油囊之间装有单向阀，外油囊和内油囊之间装有电动旋转阀，微型直流电机带动液压马达旋转；浮力舱后端盖连接外油囊，水下剖面探测浮标装置的水密接口连接拖曳缆装置的下端水密接头；所述的水下控制单元包括：子控制器与时钟电路单元、电源管理单元、数据采集与存储单元以及电机控制单元；

3）拖曳电缆装置：用于冰基浮标装置和水下剖面探测浮标装置的连接；

所述的冰基浮标装置包括锂电池组、上部信号缆水密接口、温度和相对湿度传感器、气压传感器、GPS定位模块、Argos卫星通信模块、冰上中央控制单元、电池舱、浮标浮力圈、上部电缆拉头铰接环、不锈钢管；冰基浮标装置的上部用不锈钢管组成山字形连接支架，支架左侧支撑气压传感器和GPS定位模块，支架中间支撑温度和相对湿度传感器，支架右侧支撑Argos卫星通信模块，各传感器的信号线连接冰上中央控制单元；冰上中央控制单元安装在冰基浮标装置标体内部，四周嵌套浮力圈；电池舱位于冰基浮标装置的下部，锂电池组装在电池舱内部，上部电缆拉头铰接环连接拖曳电缆装置的上部拉环，冰基浮标装置上部信号缆水密接口连接拖曳电缆装置的上端水密接头；所述的拖曳电缆装置由两根电源线加两对信号线成缆，每根缆芯外绕包聚酯，电源线和信号线绞和后套隔离层，沿隔离层编织芳纶拉力层，最外层是聚氨酯护套;

所述的拖曳电缆装置上端连接冰基浮标装置的上部电缆绞接环，其电源线和信号线由带水密接头的橡胶缆接到冰基浮标装置的上部信号缆水密接口；拖曳电缆装置的下端连接水下剖面探测浮标装置的下部电缆绞接环；其电源线和信号线由带水密接头的橡胶缆接到水下剖面探测浮标装置的下部信号线水密接口;

所述的冰基浮标装置和水下剖面探测浮标装置的连接是采用芳纶复合电缆拉力接头连接。

2.根据权利要求1所述的北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统，其特征在于：所述的冰上中央控制单元包括：主控与时钟电路单元、电能补给与电源管理单元、数据采集与存储单元以及数据通讯与传输单元，主控与时钟电路单元：主控制器采用多串口51单片机，用于在预设时钟周期内控制冰基浮标各主要单元的工作进程并协调管理冰基浮标与水下剖面探测浮标之间的控制时序和数据传输；时钟电路用于主控制器的休眠唤醒，以有效控制数据采集周期；电能补给与电源管理单元：采用超级电容器用于电力补偿；DC/DC开关电源芯片组成的电源管理单元，为系统各主要单元供电；数据采集与存储单元：温湿和气压传感器构成气象数据采集单元，用于输出气象数据模拟量，通过Σ-Δ调制型A/D转换芯片获得气象数据的数字量输出给主控制器处理；存储器采用非易失性NVRAM，用于提供气象与水文数据压缩的存储空间；数据通讯与传输单元：采用ARGOS-3PMT-RFM模块，用于实现卫星过顶预测并自动唤醒，在实现数据有效传输的同时优化数据卫星通讯系统的功耗；GPS卫星定位模块基于SiRFStarIV，为主控制器提供准确的时间与位置信息。

3.权利要求1所述的北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统的监测方法，其特征在于：包括的步骤：

1）冰基浮标装置在冰面上随洋流飘移，其中的中央控制单元控制温度、湿度、气压传感器和GPS定位模块，以每小时一次的时间间隔定时采集冰面数据，并将数据进行分析、处理、存储；

2）冰上中央控制单元每隔24小时通过水下控制单元发出唤醒指令，唤醒一次水下剖面探测浮标装置，使其上的浮力升降单元启动，在冰下0-100米范围内的上浮和下潜，通过CTD测量传感器，进行海水温度、盐度、压力数据的采集；

3）水下控制单元将测量数据进行预处理后传至冰基浮标装置的冰上中央控制单元，再将数据通过Argos通信卫星传到互联网上，用于研究人员的数据采集。