CN105910574B

CN105910574B - 一种海底底基观测平台

Info

Publication number: CN105910574B
Application number: CN201610211383.6A
Authority: CN
Inventors: 孙兆华; 林间; 孙珍; 黄健龙; 黄锐; 李晓伟
Original assignee: South China Sea Institute of Oceanology of CAS
Current assignee: South China Sea Institute of Oceanology of CAS
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2017-06-23
Anticipated expiration: 2036-04-05
Also published as: CN105910574A

Abstract

本发明公开了一种海底底基观测平台，其包括回收系统和抛弃支架，所述回收系统包括集成安装架、第一浮球、第二浮球、三分体声学释放器、至少一个高精度压力传感器和至少一个声学测距仪；第一浮球作为装载电池、电源驱动板、主控板与姿态传感器的仪器仓；抛离支架包括位于顶部的顶部环架和环架下方的三角着陆架；三角着陆架每个脚分别设有相同规格的配重块和导流装置；所述三分体声学释放器、高精度压力传感器和声学测距仪分别与所述仪器仓内的主控板电相连。本装置结构既可以保证整体平稳下沉着陆，又可以保证回收系统的成功释放回收，能够在小于7000米深度的海底开展长期稳定的连续观测和通信，为海底测地系统提供了良好的基础。

Description

一种海底底基观测平台

技术领域

本发明涉及一种科学观测设备，尤其涉及一种用于海底定位及观测的平台。

背景技术

近年来，地震和海啸频发，夺走了大量的生命和财产，造成巨大损失，如2004年12月26日，印尼苏门答腊的班达亚齐地区发生的Mw9.2级地震引发了超级大海啸，使远至东非的地区都受到波及，由于缺乏预报和预警，13个印度洋国家的至少22万多人罹难。多国沿岸的酒店和村庄城镇也受到严重破坏，180万人无家可归，经济损失近百亿元。2011年3月11日，日本福岛以东的西太平洋海域发生Mw9.0级地震，引发了平均高达10米，最高达24米的大海啸，尽管已有预警，地震及其引发的海啸还是造成15,843人死亡、3,469人失踪，经济损失达几千亿美元，并导致福岛核电站核泄漏事故，引发了世界较大范围的恐慌，对我国也有显著的影响。

而要做到准确和及时预警，必须在发震的俯冲板片、陆缘斜坡的锁定带和过渡带上布置有测地仪器。此外，地震间歇期的位移观测更为重要，已有研究表明，大地震发生的位置和大小与地震间歇期区域的耦合系数密切相关，耦合系数越高，越容易发生地震。因此，地震间歇期的观测与耦合系数计算，将会有效地帮助我们预测下一个地震可能发生的位置及强度大小，当然这将有赖于我们数据的覆盖程度。若想深入了解俯冲带在地震间歇期、发震期和震后期的变形规律，并最终帮助预报俯冲地震，我们必须将观测仪器放到发震带上，开展长期与地震相关的近距离观测和研究。而我国在该领域基本空白，突破的第一步就是研发出可用于变形观测的高精度海底测地系统。

海底测地系统是指放置在海底用于近距离、实时监控海底地质体变形的科学观测设备，它可用于观测地震、海啸活动、火山喷发、海底滑坡、沉积过程、天然气及油气活动等一系列与海底变形有关的过程。

自从全球卫星定位系统(Global Positions System，以下简称GPS)于1973年由美国国防部开始发展使用，短时间里世界各国都相继建立起GPS观测网络，如日本自1994年着手建立由一千个固定站组成的全国性GPS连续观测网－GENOET，主要目的为全面监测地壳应变的时空变化，提供地震潜势评估及地震预测研究。我国主要于2000年正式运行“中国地壳运动观测网络”，以GPS观测技术为主，结合精密重力和精密水准测量构成的大范围、高精度、高时空分辨率的实时板块运动监测网络。过去二十年来GPS观测网络的快速发展，极大地促进了我们对于塑造大陆形态的众多因素的认识：如汶川与玉树大地震引起的地表三维形变以及震前及震后的区域地壳运动、印藏碰撞造山过程引起的地表块体运动、菲律宾海板块相对欧亚大陆边缘的运动方向和运动速率、台湾岛的地震及造山活动、以及滑坡、冰川流动等。

与陆上GPS系统功能相似，海底测地系统可以对发生在海底的任何与变形和位移有关的过程的观测。目前全球GPS观测网大多布设在陆地，造成严重的局限在陆地上的“单侧”观测，而占地球表面总面积三分之二的海底却只有日本、美国、欧洲的很少几个观测站。然而，世界上具有巨大破坏性的特大地震和海啸多发生在各大洋板块边缘的深水下，而这些区域是目前的陆地GPS系统所无法直接观测到的。即使能够对近岸的部分地质现象进行观测，但也会随着观测距离的增加带来较大的误差。

因此，在海底广泛布设新型高精度的海底测地设备，实时监测海底地壳运动情况，对我们认识这些周期性或突发性变形事件的物理机制以及帮助我们建立对大洋岩石圈变形过程的认识具有重要的意义。全球71％海水覆盖的区域，发育有边缘海盆和大洋岩石圈。这里既是油气能源、金属矿产等重要资源的储集场所，也是各种基础科学问题的孕育之地。建立起一定密度的深海测地观测网，我们将可以实现对大部分伴随有位移和形态变化的地质现象的实时观测。

海底测地系统与陆地GPS具有相似的功能，不同的是，陆地上的GPS系统主要使用电磁波作为通讯介质，而海洋中，由于海水的吸收作用，电磁波无法进行远距离传播，科学家们转而利用声波进行距离测定和信号传输。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种用于海底定位及观测的海底底基观测平台，该装置能够在小于7000米深度的海底实现长期稳定的观测和通信。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种海底底基观测平台，其包括回收系统和抛弃支架，所述回收系统包括集成安装架、第一浮球、第二浮球、三分体声学释放器、至少一个高精度压力传感器和至少一个声学测距仪；所述集成安装架形似尖底的“鸟笼”，包括位于顶部的锥形架、位于上部的第一水平环架、位于中部的若干平行的竖直杆、位于下部的第二水平环架及水平格架、位于底部的兜架；所述第一浮球作为装载电池、电源驱动板、主控板与姿态传感器的仪器仓，其底部固定安装在所述水平格架上；所述第二浮球设有若干个，并通过保护壳固定于相同水平位置的所述竖直杆上；所述高精度压力传感器固定安装在所述竖直杆上，所述三分体声学释放器、声学测距仪分别固定在集成安装架上；所述抛离支架包括位于顶部的顶部环架和环架下方的三角着陆架；所述三角着陆架每个脚分别设有相同规格的配重块和导流装置；所述第二水平环架与所述顶部环架相吻合接触；所述三分体声学释放器、高精度压力传感器和声学测距仪分别与所述仪器仓内的主控板电相连。

作为仪器仓的第一浮球内部装载着电池、电源驱动板、主控板与姿态传感器等多个供给、探测和控制设备，且主控板通过浮球上的水密接头与集成安装架上的其他多个设备电连接，相当于整个平台的“大脑”和“心脏”，用以实现无人值守的长期数据采集、系统整体协调控制和电力供给功能。第二浮球提供浮力作用供回收系统上浮至海面。声学测距仪兼顾两个功能：在相对测地中，用以长期监测两个平台之间的相对运动速度和位移量；在绝对测地时，用于承担海底声学应答器的任务。压力传感器用以长期监测平台所在板块的垂向位移变化。集成安装架上并联配置的两套声学释放器电源供给和控制完全独立，能够确保海底底基观测平台回收的成功率。实际应用中，科考船将本发明所述平台载至预定位置并投放入海，平台整体在配重块和自身重力作用下下沉，三脚着陆架上的导流筒可以帮助平台平稳下沉。

所述三分体声学释放器设有两套，每套三分体声学释放器由换能器、电池仓和释放控制器这三部分分别经过水密处理后通过水密电缆连接构成，所述换能器固定安装在所述第一水平环架上，所述电池仓固定安装在所述竖直杆上，所述释放控制器固定安装在所述兜架上；所述兜架深入所述三脚着陆架内部，且用一根钢丝绳的一端连接某一释放控制器底部的活动挂钩，钢丝绳的另一端穿过抛弃支架内部设置的连接环后与另一释放控制器底部的活动挂钩连接；所述释放控制器与所述仪器仓内的主控板电相连。

所述声学测距仪由测距仪换能器探头和测距仪控制电路分别经水密处理后通过水密电缆串联构成；所述测距仪换能器探头固定安装在所述锥形架顶点下方位置，所述测距仪控制电路固定安装在所述竖直杆上并与与所述仪器仓内的主控板电相连。

所述顶部环架包括相互垂直的垂直环面和水平环面，即其纵剖面呈L形，所述第二水平环架套接于顶部环架中，即置于所述垂直环面内、水平环面上。

所述水平环面上固定有若干压缩弹簧，压缩弹簧的自由端抵触在所述第二水平环架上。

所述顶部环架下方设有下凹式连接架，下凹式连接架上设有与所述释放控制器底部活动挂钩通过钢丝绳连接的连接环。

所述三角着陆架内部设有三脚支撑的连接组件，连接组件上设有与所述释放控制器底部活动挂钩通过钢丝绳连接的连接环。

所述集成安装架上还固定安装有灯光信标、无线电信标和/或标示旗。

所述灯光信标和无线电信标上设有用于控制其在水中处于关闭状态、出水后开启的机械式压力开关。

本发明的优点是：本装置结构设计科学合理，既可以保证整体平稳下沉着陆，又可以保证回收系统的成功释放回收，能够在海底开展长期连续观测，搭载的声学测距仪、姿态传感器和压力传感器等设备为海底测地的有效进行提供了全面的保障。本发明的海底底基观测平台作为海底测地系统中最核心和最基础的单元设备，为我国乃至全世界的海底测地系统提供了良好的基础。

附图说明

图1为本发明实施例1、2的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1、2的回收系统结构示意图；

图3为本发明实施例1的抛弃支架结构示意图；

图4为本发明实施例1、2的抛弃支架顶部环架结构示意图；

图5为本发明实施例2的抛弃支架结构示意图。

图中附图标记含义：1、回收系统；101、锥形架；102、第一水平环架；103、竖直杆；104、第二水平环架；105、水平格架；106、兜架；107、第一浮球；108、第二浮球；109、换能器；110、电池仓；111、释放控制器；112、高精度压力传感器；113、测距仪换能器探头；114、测距仪控制电路；115、灯光信标；116、无线电信标；117、标示旗；2、抛弃支架；201、顶部环架；202、三脚着陆架；203、配重块；204、导流筒；205、下凹式连接架；206、连接环；207、钢丝绳；208、连接组件；2011、垂直环面；2012、水平环面；2013、压缩弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例1

参阅图1至图5，为一种海底底基观测平台，其包括回收系统1和抛弃支架2，回收系统1包括集成安装架、第一浮球107、第二浮球108、三分体声学释放器、至少一个高精度压力传感器112和至少一个声学测距仪；本实施例中，第一浮球107设有1个，第二浮球108设置有4个；集成安装架形似尖底的“鸟笼”，包括位于顶部的锥形架101、位于上部的第一水平环架102、位于中部的若干平行的竖直杆103、位于下部的第二水平环架104及水平格架105、位于底部的兜架106；第一浮球107作为装载电池、电源驱动板、主控板与姿态传感器的仪器仓，其底部固定安装在水平格架105上；第二浮球108设有若干个，并通过保护壳固定于相同水平位置的竖直杆103上；高精度压力传感器112固定安装在竖直杆103上，三分体声学释放器、声学测距仪分别固定在集成安装架上；抛离支架包括位于顶部的顶部环架201和环架下方的三角着陆架；三角着陆架每个脚分别设有相同规格的配重块203和导流装置；第二水平环架104与顶部环架201相吻合接触；三分体声学释放器、高精度压力传感器112和声学测距仪分别与仪器仓内的主控板电相连。

作为仪器仓的第一浮球107内部装载着电池、电源驱动板、主控板与姿态传感器等多个供给、探测和控制设备，且主控板通过浮球上的水密接头与集成安装架上的其他多个设备电连接，相当于整个平台的“大脑”和“心脏”，用以实现无人值守的长期数据采集、系统整体协调控制和电力供给功能。第二浮球108提供浮力作用供回收系统1上浮至海面。声学测距仪兼顾两个功能：在相对测地中，用以长期监测两个平台之间的相对运动速度和位移量；在绝对测地时，用于承担海底声学应答器的任务。压力传感器用以长期监测平台所在板块的垂向位移变化。集成安装架上并联配置的两套声学释放器电源供给和控制完全独立，能够确保海底底基观测平台回收的成功率。实际应用中，科考船将本发明平台载至预定位置并投放入海，平台整体在配重块203和自身重力作用下下沉，三脚着陆架202上的导流筒204可以帮助平台平稳下沉。

三分体声学释放器设有两套，每套三分体声学释放器由换能器109、电池仓110和释放控制器111这三部分分别经过水密处理后通过水密电缆连接构成，换能器109固定安装在第一水平环架102上，电池仓110固定安装在竖直杆103上，释放控制器111固定安装在兜架106上；兜架106深入三脚着陆架202内部，且用一根钢丝绳207的一端连接某一释放控制器111底部的活动挂钩，钢丝绳207的另一端穿过抛弃支架2内部设置的连接环206后与另一释放控制器111底部的活动挂钩连接；释放控制器111与仪器仓内的主控板电相连。两套声学释放器都为三分体式的小型化设计，例如释放控制器111、电池仓110和换能器109可以分别密封在三个独立的水密筒内，中间通过水密电缆连接，易于海底测地系统整体的机械集成。

声学测距仪也采用分体式，由测距仪换能器探头113和测距仪控制电路114分别经水密处理后通过水密电缆串联构成；测距仪换能器探头113固定安装在锥形架101顶点下方位置，测距仪控制电路114固定安装在竖直杆103上并与与仪器仓内的主控板电相连。

顶部环架201包括相互垂直的垂直环面2011和水平环面2012，即其纵剖面呈L形，第二水平环架104套接于顶部环架201中，即置于垂直环面2011内、水平环面2012上。

水平环面2012上固定有若干压缩弹簧2013，压缩弹簧2013的自由端抵触在第二水平环架104上。

顶部环架201下方设有下凹式连接架205，下凹式连接架205上设有与释放控制器111底部活动挂钩通过钢丝绳207连接的连接环206。

三角着陆架内部设有三脚支撑的连接组件208，连接组件208上设有设有与释放控制器111底部活动挂钩通过钢丝绳207连接的连接环206。

集成安装架上还固定安装有灯光信标115、无线电信标116和/或标示旗117。

灯光信标115和无线电信标116上设有用于控制其在水中处于关闭状态、出水后开启的机械式压力开关。

实施例2

参阅图1、图2、图4及图5，实施例2与实施例1的区别之处在于：三角着陆架内部设有三脚支撑的连接组件208，连接组件208上设有与释放控制器111底部活动挂钩通过钢丝绳207连接的连接环206。兜架106深入三脚着陆架202内部，接近三角支撑的连接组件208，且用一根钢丝绳207的一端连接某一释放控制器111底部的活动挂钩，钢丝绳207的另一端穿过抛弃支架2内部设置的连接环206后与另一释放控制器111底部的活动挂钩连接；释放控制器111与仪器仓内的主控板电相连。

本发明的海底底基观测平台可以用于海底相对测地和海底绝对测地。例如，将相同的若干个本发明的海底底基观测平台投放至海底预设位置组建成观测网，通过定时相互通讯，连续观测各平台之间的相对距离变化，获得各平台之间的相对运动速度和位移，由此实现海底相对测地；将本发明的海底底基观测平台按照研究对象的分布范围呈一定的网格投放，将声波发射装置安装在考察船或AUV等设备之上，通过定期与海底测距装置通讯，借助全球卫星定位系统(GPS)实时观测海底各测距装置在地球参照系中绝对位置的变化，由此实现海底绝对测地。

本发明的海底底基观测平台中，所有水密抗压仓体均采用钛合金加工，工作水深可达7000米；水密抗压仓体之间的电气连接，通过深海专用水密电缆连接实现；其余支架采用316L不锈钢加工。整体机械结构的设计能够保证底基测地平台在海底长期工作的耐腐蚀能力，以及投放回收的安全性。

实际应用中，科考船将本发明所述平台载至预定位置并投放入海，平台整体在配重块203和自身重力作用下下沉，三脚着陆架202上的导流筒204可以帮助平台平稳下沉，下沉至海底后，各探测设备按照既定程序进行数据采集和通信，完成一定时间的测地任务后需要将回收系统1释放回收，此时船载声学设备向海底的平台发出特定的声学信号，平台上搭载的两个三分体声学释放器中的一个会由其换能器109收到该声学信号后开启释放控制器111的挂钩，钢丝绳207脱落，由钢丝绳207连接的活动挂钩和连接环206解除连接，回收系统1和抛弃支架2分离，(优选方案中抛弃支架2顶部环架201上设置的若干压缩弹簧2013会在分离瞬间为回收系统1提供向上的动力)回收系统1依靠浮球提供的浮力上浮直至海面，当回收系统1上部露出水面后，科考人员会通过灯光信标115、无线电信标116和/或标示旗117的指引发现并打捞平台。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims

1.一种海底底基观测平台，其特征在于：其包括回收系统(1)和抛弃支架(2)，所述回收系统(1)包括集成安装架、第一浮球(107)、第二浮球(108)、三分体声学释放器、至少一个高精度压力传感器(112)和至少一个声学测距仪；所述集成安装架形似尖底的“鸟笼”，包括位于顶部的锥形架(101)、位于上部的第一水平环架(102)、位于中部的若干平行的竖直杆(103)、位于下部的第二水平环架(104)及水平格架(105)、位于底部的兜架(106)；所述第一浮球(107)作为装载电池、电源驱动板、主控板与姿态传感器的仪器仓，其底部固定安装在所述水平格架(105)上；所述第二浮球(108)设有若干个，并通过保护壳固定于相同水平位置的所述竖直杆(103)上；所述高精度压力传感器(112)固定安装在所述竖直杆(103)上，所述三分体声学释放器、声学测距仪分别固定在集成安装架上；所述抛离支架包括位于顶部的顶部环架(201)和环架下方的三角着陆架；所述三角着陆架每个脚分别设有相同规格的配重块(203)和导流装置；所述第二水平环架(104)与所述顶部环架(201)相吻合接触；所述三分体声学释放器、高精度压力传感器(112)和声学测距仪分别与所述仪器仓内的主控板电相连；所述三分体声学释放器设有两套，每套三分体声学释放器由换能器(109)、电池仓(110)和释放控制器(111)这三部分分别经过水密处理后通过水密电缆连接构成，所述换能器(109)固定安装在所述第一水平环架(102)上，所述电池仓(110)固定安装在所述竖直杆(103)上，所述释放控制器(111)固定安装在所述兜架(106)上；所述兜架(106)深入所述三脚着陆架(202)内部，且用一根钢丝绳(207)的一端连接某一释放控制器(111)底部的活动挂钩，钢丝绳(207)的另一端穿过抛弃支架(2)内部设置的连接环(206)后与另一释放控制器(111)底部的活动挂钩连接；所述释放控制器(111)与所述仪器仓内的主控板电相连。

2.根据权利要求1所述的海底底基观测平台，其特征在于：所述声学测距仪由测距仪换能器探头(113)和测距仪控制电路(114)分别经水密处理后通过水密电缆串联构成；所述测距仪换能器探头(113)固定安装在所述锥形架(101)顶点下方位置，所述测距仪控制电路(114)固定安装在所述竖直杆(103)上并与与所述仪器仓内的主控板电相连。

3.根据权利要求2所述的海底底基观测平台，其特征在于：所述顶部环架(201)包括相互垂直的垂直环面(2011)和水平环面(2012)，即其纵剖面呈L形，所述第二水平环架(104)套接于顶部环架(201)中，即置于所述垂直环面(2011)内、水平环面(2012)上。

4.根据权利要求3所述的海底底基观测平台，其特征在于：所述水平环面(2012)上固定有若干压缩弹簧(2013)，压缩弹簧(2013)的自由端抵触在所述第二水平环架(104)上。

5.根据权利要求2所述的海底底基观测平台，其特征在于：所述顶部环架(201)下方设有下凹式连接架(205)，下凹式连接架(205)上设有与所述释放控制器(111)底部活动挂钩通过钢丝绳(207)连接的连接环(206)。

6.根据权利要求2所述的海底底基观测平台，其特征在于：所述三角着陆架内部设有三脚支撑的连接组件(208)，连接组件(208)上设有与所述释放控制器(111)底部活动挂钩通过钢丝绳(207)连接的连接环(206)。

7.根据权利要求6所述的海底底基观测平台，其特征在于：所述集成安装架上还固定安装有灯光信标(115)、无线电信标(116)和/或标示旗(117)。

8.根据权利要求7所述的海底底基观测平台，其特征在于：所述灯光信标(115)和无线电信标(116)上设有用于控制其在水中处于关闭状态、出水后开启的机械式压力开关。