CN105173004A - 海底热液冷泉观测潜标水下控制系统及相关观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海底热液冷泉观测潜标水下控制系统及相关观测方法，属于海洋观测技术领域。本发明解决目前无法对热液冷泉喷口的物理、化学特性进行海上实际观测的问题。本发明包括主控芯片、无线定位模块、电源模块、声通信模块、声信标模块、液压控制模块、抛载控制模块、微结构测量模块和CTD模块；各模块与主控芯片相连接。通过初始化；各模块启动，测量周围参量，存储数据并实时传输；控制潜标下潜、定深、上浮；回收潜标等步骤控制潜标实现海底热液冷泉观测。本发明能够对热液或者冷泉喷口区进行温度、盐度和深度等物理场结构测量，同时能够对潜标的工作状态进行实时监控，并实时调整潜标的任务规划。

Description

海底热液冷泉观测潜标水下控制系统及相关观测方法

技术领域

本发明涉及海底热液冷泉观测潜标水下控制系统及相关观测方法，属于海洋观测技术领域。

背景技术

现代海底热液的研究始于1977年，当时，美国的阿尔文号载人潜艇在东太平洋洋中脊的轴部采得由黄铁矿、闪锌矿和黄铜矿组成的硫化物。1979年又在同一地点约2610-1650米的海底熔岩上，发现了数十个冒着黑色和白色烟雾的烟囱，约350℃的含矿热液从直径约15厘米的烟囱中喷出，与周围海水混合后，很快产生沉淀变为“黑烟囱”，沉淀物主要由磁黄铁矿、黄铁矿、闪锌矿和铜铁硫化物组成。这些海底硫化物堆积形成直立的柱状圆丘，称为“黑烟囱”。

海底冷泉活动的发现是20世纪海洋科学的一个科学热点，对冷泉活动的研究提升了人们对深海资源的认识和利用。海底冷泉之广泛发育于活动和被动大陆边缘斜坡海底，海底沉积界面之下，以水、碳氢化合物(天然气和石油)、硫化氢、细粒沉积物为主要成分，温度与海水相近的流体，以喷涌和渗漏方式注入盆地，并产生一系列的物理、化学及生物作用，这种作用及产物称为冷泉。冷泉区别于热液喷口的地方是，喷泉喷射出的液体和周围海水温度大体一致，而海底热液喷出的液体则高于周围海水温度。巴西Campos盆地大型油气田的发现，引起对海底冷泉的关注；在深海海底冷泉周围发现了生命迹象对生物起源有重要的研究意义；在我国，在鄂霍次克海域海底冷泉上方发现天然气水合物(栾锡武等，2006；栾锡武等，2008)，在东海发现巨型海底冷泉，在南海发现了众多海底冷泉的证据(陈忠等，2006)。海底冷泉上方的天然气水合物富含大量的甲烷，一旦溢出对环境造成严重的破坏。

因此，对海底热液冷泉的研究十分重要，但是海底热液冷泉一般发生在深海几千米处，需要特殊的仪器进行观测。

发明内容

本发明的目的在于设计一种能够对热液冷泉喷口的物理、化学特性进行海上实际观测的潜标水下控制系统，并提供利用该系统进行海底热液冷泉观测的方法。该系统能够控制CN201210292082.2所述的海洋观测用潜标下潜到热液或者冷泉区，对喷口区进行温度等物理场结构测量，并直接测量热液冷泉喷口上方流体的运动特征，测量数据能够存储并实时传输定位。

具体技术方案为：系统包括主控芯片、声通信模块、声信标模块、液压控制模块、抛载控制模块、无线定位模块、电源模块、微结构测量模块和CTD(Conductivity,Temperature,Depth，温盐深系统，用于测量水体的电导率，温度及深度三个基本的水体物理参数)模块；声通信模块、声信标模块、液压控制模块、抛载控制模块、无线定位模块、电源模块、微结构测量模块和CTD模块分别与主控芯片相连接。

其中，声通信模块采用ModemUWM3000水声通信器，用于与上位机进行命令和数据传输，最长通信距离3km。

声信标模块包括TC10000HA型收发器和TN10010C型信标机，用于科学考察船对潜标的水下定位。

液压控制模块包括：拉紧机构、内皮囊、电机、传动机构、由液压缸和活塞等组成的柱塞泵、支撑架、电磁换向阀、电池组和外皮囊。主控芯片发出信号给电磁换向阀和电机，使得电磁换向阀打开到需要位置，同时控制电路驱动电机旋转。电机的转动经过传动机构驱动活塞在液压缸内作直线运动，由于外皮囊经过电磁换向阀和外皮囊油管与液压缸相通，进而传递液压油流入或流出外皮囊。如果需要潜标下沉，则控制信号控制电磁阀处于适当的位置，且电机带动活塞向上运动使得液压油流出外皮囊，浮标浮力减小，开始下沉。如果需要潜标上浮，则控制信号控制电磁阀处于适当的位置，且电机带动活塞向下运动使得液压油流入外皮囊，浮标浮力增大，开始上浮。

抛载控制模块是指潜标抛除携带的重物，通过潜标本体和抛载重物之间快速、可靠的分离，控制潜标下沉以及上浮运动，提升潜标下沉以及上浮运动的速度，节省水下作业时间。包括阴极导线、阳极导线、阴极锁紧螺母、外壳、弹簧、阳极锁紧螺母、不锈钢丝、载重块和溶断舱。阴极导线与阳极导线分别通过阴极锁紧螺母和阳极锁紧螺母固定在外壳上，阴极导线下端与不锈钢丝相连，不锈钢丝下面悬挂载重块，弹簧位于外壳与载重块之间，作用是当不锈钢丝溶断后，利用弹簧的预紧力迅速将载重块弹开。阴极导线与阳极导线与电源相连，抛载系统溶断舱内灌装导电液体，所以当电源通电时阳极导线、阴极导线、盐水将充当电解质溶液。而金属材料不锈钢丝与电解质溶液材料接触，不锈钢丝由于与阴极导线相连，电位较低，于是不锈钢丝将发生电化学腐蚀反应中的阳极反应，不锈钢丝将被氧化导致溶断，完成抛载。

无线定位模块发射定位信号，用于潜标浮至水面回收时搜寻潜标位置。

电源模块用于给各模块供电。

CTD模块能够实时测量传感器周围的温度、盐度和深度；微结构测量模块用于实时测量潜标的通讯状态、通讯功率、警报状态、电压及时间。

本系统主控芯片采用型号为LPC2292的ARM7芯片。

利用海底热液冷泉观测潜标水下控制系统控制潜标进行海洋观测的方法步骤如下：

a.潜标电源启动，系统初始化；

b.CTD模块、声通信模块和声信标模块启动，开始布放潜标；

c.潜标下潜：在抛载系统两个重块的作用下，潜标下潜到任务指定深度附近；

d.定深漂流：通过抛载控制模块抛掉下降重块，潜标基本处于中性浮力，通过液压控制模块改变浮标浮力，开始定深调节，潜标保持在指定深度开始漂流；

e.潜标上浮：接受到上浮命令或完成任务则通过抛载控制模块抛掉上升重块，上浮到海洋表面；否则继续定深漂流并采集数据；

f.结束任务，潜标回收：上浮至海面后CTD模块和微结构测量模块关闭，无线定位模块工作，发射定位信号，通过无线搜寻器搜寻并回收潜标。

其中，步骤b中的CTD模块实时测量周围温度、盐度和深度，声通信模块用于传递CTD模块和微结构测量模块的实时数据以及上位机下达的指令，声信标模块能够实现对潜标的水下定位，声通信模块和声信标模块交替工作。

本发明的海底热液冷泉系统观测潜标水下控制系统及相关观测方法能够控制潜标进行深海观测，测量海洋垂直剖面的温度、盐度和深度数据，同时在测量过程中能够对潜标的工作状态进行实时监控，并实时调整潜标的任务规划。同时，系统能够完成最大2000米的任意深度的定深测量，获取特定深度的水平剖面海洋动力参数信息，对我国海底热液活动、海底冷泉调查研究，以及海流模拟计算、涡旋特性直接观测，科氏力驱动下的高温涡旋运动，厄尔尼诺现象观测研究等一系列科学问题提供最直接的观测手段和第一手观测资料。

附图说明

图1是本发明的功能模块图；

图2是利用本发明所述系统进行观测的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明。

实施例：南海海试

驾船由三亚港务局出发，沿125°航向向SE方向航行约96海里，进行系统测试。系统包括主控芯片、无线定位模块、电源模块、声通信模块、声信标模块、液压控制模块、抛载控制模块、微结构测量模块和CTD模块；各模块与主控芯片相连接。

1.各模块上电，起吊潜标并布放入水：

首先用吊钩将装配好的潜标吊到船尾舷上，将潜标主体的电源打开，然后利用吊钩将潜标放入海水中，并利用绳缆将没入海水中的潜标牵至船右侧传感器托盘附近，观察潜标的平衡状态。当潜标下放到托盘以下3-4米的时候，可以进行基本测试。测试串口连接通过，查询功率模式为High，测试噪音水平为1338。

2.系统复位，时间同步，读取当前状态，开启数据周期上传：

系统复位，保证潜标系统的自检测，开启SD卡的记录；进行时间同步，使得上位机的时间与潜标的时间一致；读取潜标的当前状态，然后进行排油功能测试，测试电机和液压泵等核心驱动系统的功能，检测是否存在故障。测试完成后，开始接收CTD数据。CTD测量周围温度、盐度和深度，微结构测量模块实时测量潜标的通讯状态、通讯功率、警报状态、电压及时间等参数，声通信模块用于传递CTD模块和微结构测量模块的实时数据以及上位机下达的指令，声信标模块开启超短基线定位实现考察船对潜标的水下定位，声通信模块和声信标模块交替工作。

3.潜标下潜：

时间成功同步后，继续下放潜标，暂停声通讯模块，开启超短基线定位软件，对潜标位置进行实时观测追踪。

4.潜标定深：

潜标下潜至1300米深处时，通过抛载模块控制潜标抛载，潜标接收到“抛载A”指令，通过水声猫上传“响应抛载A”信号，然后通电熔断系有重块A的熔断丝，将A重块抛入水中。抛掉A重块的潜标基本处于中性浮力状态，此时上位机通过声通信模块发送“定深1300米”指令，水下控制系统接收到定深指令，调用定深操作任务，周期性参考当前深度，液压控制模块通过控制液压马达精确调节浮力皮囊的大小，以实现悬停在制定深度1300米。

在此期间，CTD模块不断测量周围温度、盐度和深度，并将数据存储、上传。CTD传感器的采样频率为0.2Hz，即每5秒钟一次采样，其过程为CTD以中断的方式将获取的时间、温度、盐度和深度信息发给主控芯片，主控芯片将所得该组信息实时存入SD卡中。SD卡每块存储20组T-CTD(时间-温度、盐度、深度)数据，所以100秒钟的时间正好有使得SD卡中的一块写完。当SD卡的一块写完的时候，主控电路选择将该块的4组T-CTD(时间-温度、盐度、深度)数据，即20秒一次间隔的数据发送到上位机。

5.上浮：

定深结束后，通过抛载模块控制潜标抛载，潜标接收到“抛载B”指令，通过水声猫上传“响应抛载B”信号，然后通电熔断系有重块B的熔断丝，将B重块抛入水中，潜标开始上浮。

6.定位回收：

上浮过程中，通过超短基线定位系统对潜标进行实时定位，并将船驶向潜标所在位置。通过自动盘车缓缓收起绳缆，在回收绳子期间，偶尔打开周期上传功能，接收CTD数据，偶尔读取潜标当前状态。当潜标深度在10米以内时，打开声通信模块低功耗功能，为潜标露出水面做准备。当潜标露出水面的时候，通过无线信标确定潜标在海水表面的方位。之后，船接近潜标，将潜标拖向渔船船尾，利用起吊装置吊起并放置于甲板上。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种海底热液冷泉观测潜标水下控制系统，其特征在于，包括主控芯片、声通信模块、声信标模块、液压控制模块、抛载控制模块、无线定位模块、电源模块、微结构测量模块和CTD模块；声通信模块、声信标模块、液压控制模块、抛载控制模块、无线定位模块、电源模块、微结构测量模块和CTD模块分别与主控芯片相连接。

2.根据权利要求1所述的海底热液冷泉观测潜标水下控制系统，其特征在于，所述声通信模块采用ModemUWM3000水声通信器，用于与上位机进行命令和数据传输。

3.根据权利要求1所述的海底热液冷泉观测潜标水下控制系统，其特征在于，所述声信标模块包括TC10000HA型收发器和TN10010C型信标机，用于对潜标进行水下定位。

4.根据权利要求1所述的海底热液冷泉观测潜标水下控制系统，其特征在于，所述液压控制模块包括：电磁换向阀、电机、传动机构、外皮囊和柱塞泵；其中柱塞泵由液压缸和活塞组成；主控芯片发出信号给电磁换向阀和电机，使得电磁换向阀打开到需要位置，同时控制电路驱动电机旋转，电机的转动经过传动机构驱动活塞在液压缸内作直线运动，通过控制活塞运动使得液压油流入或流出外皮囊，改变浮标浮力，控制潜标上浮或下沉。

5.根据权利要求1所述的海底热液冷泉观测潜标水下控制系统，其特征在于，所述抛载控制模块通过潜标本体和抛载重物之间快速、可靠的分离，控制潜标下沉以及上浮运动；抛载控制模块包括阴极导线、阳极导线、锁紧螺母、外壳、弹簧、不锈钢丝、载重块和溶断舱；阴极导线与阳极导线分别通过锁紧螺母固定在外壳上，阴极导线下端与不锈钢丝相连，不锈钢丝下面悬挂载重块，弹簧位于外壳与载重块之间，阴极导线和阳极导线与电源模块相连，当接到抛载指令时，阴极导线、阳极导线通电，盐水将充当电解质溶液，不锈钢丝将发生电化学腐蚀反应被氧化导致溶断，完成抛载。

6.根据权利要求1所述的海底热液冷泉观测潜标水下控制系统，其特征在于，所述无线定位模块发射定位信号，用于潜标浮至水面回收时搜寻潜标位置。

7.根据权利要求1所述的海底热液冷泉观测潜标水下控制系统，其特征在于，所述CTD模块实时测量传感器周围的温度、盐度和深度；所述微结构测量模块实时测量潜标的通讯状态、通讯功率、警报状态、电压和时间。

8.根据权利要求1所述的海底热液冷泉观测潜标水下控制系统，其特征在于，主控芯片采用型号为LPC2292的ARM7芯片。

9.一种利用海底热液冷泉观测潜标水下控制系统控制潜标实现海底热液冷泉观测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.电源模块启动，系统初始化；

b.CTD模块、微结构测量模块、声通信模块和声信标模块启动，开始布放潜标；

c.潜标下潜：在抛载系统两个重块的作用下，潜标下潜到任务指定深度附近；

d.定深漂流：通过抛载控制模块抛掉下降重块，潜标基本处于中性浮力，通过液压控制模块改变浮标浮力，开始定深调节，潜标保持在指定深度开始漂流；

e.潜标上浮：接受到上浮命令或完成任务则通过抛载控制模块抛掉上升重块，上浮到海洋表面；否则继续定深漂流并采集数据；

f.结束任务，潜标回收：上浮至海面后CTD模块和微结构测量模块关闭，无线定位模块工作，发射定位信号，通过无线搜寻器搜寻并回收潜标。

10.根据权利要求9所述的海底热液冷泉观测的方法，其特征在于，步骤b中的CTD模块实时测量周围温度、盐度和深度，声通信模块用于传递CTD模块和微结构测量模块的实时数据以及上位机下达的指令，声信标模块能够实现对潜标的水下定位，声通信模块和声信标模块交替工作。