CN106017427A - 投弃式湍流测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投弃式湍流测量系统，所述投弃式湍流测量系统包括：甲板单元，所述甲板单元用于在测量过程中进行光学信号处理；探头单元，所述探头单元包括多种光纤传感器，用于在下沉过程中采集信号；以及连接所述甲板单元和所述探头单元的传输光纤。本发明具有如下优点：投弃式应用方式，可以获取海底附近的湍流信息，达到全海深测量的目的；探头单元的传感器仅由换能器和光纤组成，价格低廉；而解调仪等成本较高的模组在甲板上，可以多次重复使用，整体系统具备经济性；传输光纤采用单模光纤，成本低廉，可传输距离长，传输带宽大；光纤传输及解调速度快，因此投弃式方式可以进一步优化下沉速度，缩短测试时间。

Description

投弃式湍流测量系统

技术领域

本发明涉及一种用于快速海水湍流观测的投弃式湍流测量系统。

背景技术

作为海洋科学的基础学科，物理海洋学关注的是海洋中的动量、能量与物质输运过程及其变化规律，其基本研究对象是海水的运动。而海水运动由大尺度到小尺度，最终以湍流混合的形式耗散。海洋湍流能量耗散过程成为物理海洋学的重要研究焦点。

研究海洋湍流的基础是海洋观测与观测资料分析。研究海洋微结构湍流的关键是得到湍流动能耗散率。剪切流传感器是目前微结构湍流测量的常用仪器。

随着对海洋研究的深入，深海乃至海底的动能耗散过程成为研究的热点之一。在海底边界层内，海底摩擦应力和底边界层内的湍动能耗散在海洋能量平衡的链条中扮演重要角色，影响整个海域的环流结构，并控制着沉积物的侵蚀、再悬浮、沉积及絮凝过程。湍动能耗散率是整个湍流能量平衡中的一个控制因子。因此，对海洋流动、沉积物输运、污染物扩散以及生态过程的认识都依赖于对底边界层内湍流特征的了解。

当前剪切流传感器多为自容式设备，传感器脆弱，使用时担心触底报废，因此使用过程中往往快接近海底时提前回收。因此，当前仪器对于底部几米内的湍流的测试是匮乏的，仅有的Rockland投弃式XMP系统复杂，价格非常昂贵，难以在实际中推广应用。

另外，由于工作原理的限制，一般湍流观测时仪器下放速度一般控制在0.5m/s左右，对于500m深的观测，往往需要3个人连续工作2个小时，特别是回收过程往往需要人力提升，操作人员苦不堪言，工作效率低下，极大的浪费船时和人力。

光纤传感技术可以追溯到上世纪70年代，在光通信成熟普及后，其相关元器件、模块成本大幅降低，传感技术得到长足发展和完善，特别是以光纤光栅为代表的敏感元件及其传感器，已经在土木工程、电力、消防、军工高技术等领域得到广泛商用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术中的用于海水湍流观测的湍流测量系统存在诸多缺陷，本发明的目的是提供一种快速观测湍流的投弃式湍流测量系统。采用全光纤的方案，因此水下无任何信号处理装置，成本相对低廉，可以投弃式应用，特别是用在超过1000m的全海深的测量中优势明显。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供下述技术方案：

一种投弃式湍流测量系统，所述投弃式湍流测量系统包括：

甲板单元，所述甲板单元用于在测量过程中进行光学信号处理；

探头单元，所述探头单元包括多种光纤传感器，用于在下沉过程中采集信号；以及

连接所述甲板单元和所述探头单元的传输光纤。

优选地，所述探头单元包括光纤剪切流传感器和光纤温度传感器。

更优选地，所述探头单元还包括光纤压力传感器和光纤加速度传感器。

作为进一步优选，所述探头单元包括水下线轴，所述传输光线的一部分缠绕于所述水下线轴。

作为更进一步优选，所述探头单元还包括探头本体和固定在所述探头本体的第一末端的配重。

作为又进一步优选，所述探头单元还包括固定在所述探头本体的与所述第一末端相反的第二末端的阻力毛刷。

作为再进一步优选，所述探头单元还包括固定在所述第一末端的保护柱。

优选地，所述甲板单元包括光源和解调模块。

优选地，所述甲板单元设有探头发射装置，用于发射所述探头单元。

优选地，投弃式湍流测量系统还包括能够漂浮于水面的水面线轴，所述传输光纤的一部分缠绕于所述水面线轴。

(三)有益效果

本发明为海洋湍流观测领域提供了一种新型的投弃式湍流测量系统，该投弃式湍流测量系统相对以往的湍流测量系统特别是电子类湍流测量系统，具有如下优点：

1)投弃式应用方式，可以获取海底附近的湍流信息，达到全海深测量的目的，弥补当前测试手段的不足；

2)探头单元的传感器仅由换能器和光纤组成，价格低廉；而解调仪等成本较高的模组在甲板上，可以多次重复使用；整体系统具备经济性；

3)传输光纤采用单模光纤，成本低廉，可传输距离长，传输带宽大，满足万米级的测试，实现真正意义的全海深测量；

4)光纤传输及解调速度快，因此投弃式方式可以进一步优化下沉速度，缩短测试时间；

5)投弃式应用方式，可节约大量船时和人力，具备较为明显的经济效益。

附图说明

图1是本发明较佳实施例的投弃式湍流测量系统的结构示意图。

图2是本发明较佳实施例的投弃式湍流测量系统的探头单元的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的发明人在研究过程中发现，传统的湍流观测测量系统在使用时，将含有各种传感器的测量系统探头投向水中，探头大约以0.5m/s的速度下降，探头内部包含有各种信号采集处理模组，将信号处理后发到终端。探头内包含各类传感器，测试完毕后需要将该设备回收，甲板上操作人员通过绞车缓慢将探头拉回甲板。当前剪切流传感器多为自容式设备，传感器脆弱，使用时担心触底报废，因此使用过程中往往快接近海底时提前回收。因此，当前仪器对于底部几米内的湍流的测试是匮乏的，仅有的Rockland投弃式XMP系统复杂，价格非常昂贵，难以实用。

光纤传感技术具备本征绝缘、免电磁干扰、长距离传输微弱信号能力强、容易组网复用等特点，特别适合海洋、石油、煤炭等特殊领域应用。在海洋领域，光纤传感器既可以感测敏感量，又可以实时传输光谱信息，且不存在绝缘和供电等问题，“传”“感”合一，易于原位和实时测量。

另外，由于工作原理的限制，一般湍流观测时仪器下放速度一般控制在0.5m/s左右，对于500m深的观测，往往需要3个人连续工作2个小时，特别是回收过程往往需要人力提升，操作人员苦不堪言，工作效率低下，极大的浪费船时和人力。

光纤型剪切流传感器的主要特点就是“传”“感”合一。结合其他类型的光纤传感器，如光纤温度、压力、加速度传感器，可以构成全光纤的湍流观测测量系统。本发明的投弃式湍流测量系统中，所有传感器均采用光纤光栅、分布式光纤光栅激光器、法布里波罗干涉腔等作为敏感元件，各传感器所用敏感工作频段不同，故传感器可以通过并联借助一根光纤与水面光源和解调模块连接。

图1是本发明较佳实施例的投弃式全光纤湍流测量系统的结构示意图。

在图1中，系统的甲板单元300负责在测量过程中进行光学信号处理，水下探头单元305负责在下沉过程中采集信号，两者通过长距离的传输光纤304相连，其中还包含探头发射装置312和线轴303，线轴303用以缠绕光纤并漂浮在水面上，用以保证船只等运载平台在移动时不拉扯传输光纤304，以免影响探头单元305的下降姿态。

工作时，探头单元305从探头发射装置312处发射入水，然后在重力和阻力的共同作用下下沉。从甲板单元300的光源302发出的宽带光源通过耦合器311进入传输光纤304中，并进入到探头单元305穿过线轴306后分别抵达剪切流传感器307、温度传感器308、压力传感器309以及三轴加速度传感器310后，沿原路返回到甲板单元300，并在其中的解调模块301进行解调和处理。

在本系统中，根据测试精度需要，压力传感器309、三轴加速度传感器310可删减，以进一步降低系统成本；所有的探测传感器均采用光纤的方式，并通过光纤的方式传输，因此水下部分无绝缘、功耗问题。光纤传感器中的敏感器件可以使用布拉格光纤光栅、长周期光纤光栅、分布式光纤光栅激光器以及法布里波罗干涉腔等形式。

图2是本发明较佳实施例的投弃式全光纤湍流测量系统的探头单元的结构示意图。

在图2中，探头主体11为圆柱形，其由轻质低成本材料制成，如塑料、合金等，探头主体的下部有配重16和多种传感器构成，提供下沉的重力；探头上部有阻力毛刷12，用以提供阻力，以降低速度、降低震动；探头主体内部有缠绕光纤的线轴13，大量光纤被事先缠绕在线轴13上，在下降过程中光纤14会被不断释放；探头底部安装三轴加速度传感器15、剪切流传感器18、压力传感器17以及温度传感器19；探头底部有3～4根保护柱10，以避免剪切流传感器在运输过程以及工作时下沉过程中触碰物体而损伤。

区别于现有的压电型湍流传感器及其测量系统，本发明的全光纤湍流测量系统采用投弃式的应用方式，使用时将探头投掷在水里，探头在重力作用下下降，并由光纤实时将原始光谱信息实时传回甲板单元后同步解调处理，传感器抵达海底后测试结束，探头不必回收，该投弃式一次性的工作方式节约船时、人力。该测量系统水下无源工作，不存在电子绝缘、海水渗漏等问题，且包含有温度、压力、剪切流传感器，所有传感信息通过光纤同甲板单元相连，可以在甲板实时获取测试结果。传感器敏感单元为光纤材质。传感器可以对全海深进行无盲点湍流测量，弥补当前仪器测量的空白。本发明为海洋湍流观测提供一种全新湍流测量系统。

本发明的投弃式湍流测量系统具有如下优点：

1)投弃式应用方式，可以获取海底附近的湍流信息，达到全海深测量的目的，弥补当前测试手段的不足；

2)探头单元的传感器仅由换能器和光纤组成，价格低廉；而解调仪等成本较高的模组在甲板上，可以多次重复使用；整体系统具备经济性；

3)传输光纤采用单模光纤，成本低廉，可传输距离长，传输带宽大，满足万米级的测试，实现真正意义的全海深测量；

4)光纤传输及解调速度快，因此投弃式方式可以进一步优化下沉速度，缩短测试时间；

5)投弃式应用方式，可节约大量船时和人力，具备较为明显的经济效益。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种投弃式湍流测量系统，其特征在于，所述投弃式湍流测量系统包括：

甲板单元，所述甲板单元用于在测量过程中进行光学信号处理；

探头单元，所述探头单元包括多种光纤传感器，用于在下沉过程中采集信号；以及

连接所述甲板单元和所述探头单元的传输光纤。

2.根据权利要求1所述的投弃式湍流测量系统，其特征在于，所述探头单元包括光纤剪切流传感器和光纤温度传感器。

3.根据权利要求2所述的投弃式湍流测量系统，其特征在于，所述探头单元还包括光纤压力传感器和光纤加速度传感器。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的投弃式湍流测量系统，其特征在于，所述探头单元包括水下线轴，所述传输光线的一部分缠绕于所述水下线轴。

5.根据权利要求4所述的投弃式湍流测量系统，其特征在于，所述探头单元还包括探头本体和固定在所述探头本体的第一末端的配重。

6.根据权利要求5所述的投弃式湍流测量系统，其特征在于，所述探头单元还包括固定在所述探头本体的与所述第一末端相反的第二末端的阻力毛刷。

7.根据权利要求6所述的投弃式湍流测量系统，其特征在于，所述探头单元还包括固定在所述第一末端的保护柱。

8.根据权利要求1所述的投弃式湍流测量系统，其特征在于，所述甲板单元包括光源和解调模块。

9.根据权利要求1所述的投弃式湍流测量系统，其特征在于，所述甲板单元设有探头发射装置，用于发射所述探头单元。

10.根据权利要求1所述的投弃式湍流测量系统，其特征在于，投弃式湍流测量系统还包括能够漂浮于水面的水面线轴，所述传输光纤的一部分缠绕于所述水面线轴。