CN106218838B - 基于mems技术的全海深湍流混合矩阵型剖面观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋湍流观测技术，具体是一种基于MEMS技术的全海深湍流混合矩阵型剖面观测系统。本发明解决了现有海洋湍流观测技术无法实现全海深同步多采样点立体观测的问题。基于MEMS技术的全海深湍流混合矩阵型剖面观测系统，包括母弹观测系统和子弹观测系统；所述母弹观测系统包括母弹壳体、母弹整流罩、提拉锁、姿态稳定束、通信模块、母弹传感模块、母弹运行监测模块、母弹数据存储模块、母弹微控单元、母弹电池、母弹电磁抛载机构、母弹配重、水深监测模块、机械臂；所述子弹观测系统包括子弹壳体、子弹整流罩、导航定位模块、子弹传感模块、子弹运行监测模块、子弹数据存储模块、子弹微控单元、子弹电池。本发明适用于海洋湍流观测。

Description

基于MEMS技术的全海深湍流混合矩阵型剖面观测系统

技术领域

本发明涉及海洋湍流观测技术，具体是一种基于MEMS技术的全海深湍流混合矩阵型剖面观测系统。

背景技术

深海大洋占据全球海洋92.4%面积，蕴含着丰富的资源并具有重要的战略地位。探索深海大洋是人类可持续发展的重要挑战之一，是全球环境与气候变化科学研究的重要组成部分，是自然科学基础研究的重要领域。深海大洋存在众多物理现象，从深海大洋中尺度涡旋，海盆尺度的西边界流，到全球尺度的大洋热量传送带等不同尺度过程。这些不同尺度的动力过程之间发生复杂的过程耦合和能量级串，直接决定了深海的能量与物质输送过程，而影响不同尺度间能量级串的关键就是海洋湍流混合。海洋湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动，水体中任意点的运动速度的大小和方向都紊乱变动。只有获取高分辨多点的矢量演化信息才能深入研究海洋湍流的形成和混合过程。海洋湍流还具有随机性、耗散性、三维矢量性。

目前，海洋湍流混合观测研究面临着巨大的挑战：现有的海洋湍流观测主要集中于500米以上的上层海域，缺乏对南海等关键海域的全海深（由于我国近海最大海深小于6000米，全海深一般指最大工作深度6000米）观测技术；仅表征湍流在未知水平扩展度、未知演化阶段的单垂线通路特征，缺乏时空同步化的湍流垂向混合和随机间歇参数获取能力；受限于湍流传感手段，缺乏矢量性、高分辨率的二维湍流相干结构和能谱表征，对深海湍流混合的驱动机制目前尚无完善的理论，难于满足对一些科学问题开展深入研究的需要。因此，有必要发明一种全新的海洋湍流观测系统，以解决现有海洋湍流观测技术无法实现全海深同步多采样点立体观测的问题。

发明内容

本发明为了解决现有海洋湍流观测技术无法实现全海深同步多采样点立体观测的问题，提供了一种基于MEMS技术的全海深湍流混合矩阵型剖面观测系统。

本发明是采用如下技术方案实现的：

基于MEMS技术的全海深湍流混合矩阵型剖面观测系统，包括母弹观测系统和子弹观测系统；

所述母弹观测系统包括母弹壳体、母弹整流罩、提拉锁、姿态稳定束、通信模块、母弹传感模块、母弹运行监测模块、母弹数据存储模块、母弹微控单元、母弹电池、母弹电磁抛载机构、母弹配重、水深监测模块、机械臂；

母弹壳体采用圆筒状结构；母弹壳体的上端设有端壁，下端设有敞口；母弹壳体的内腔设有隔板，该隔板将母弹壳体的内腔分隔为上腔室和下腔室；母弹整流罩封盖于母弹壳体的下端敞口；提拉锁固定于母弹壳体的上端端壁；姿态稳定束的数目为四个；四个姿态稳定束均固定于母弹壳体的外侧壁上部，且四个姿态稳定束围绕母弹壳体的轴线等距排列；通信模块、母弹传感模块、母弹运行监测模块、母弹数据存储模块、母弹微控单元、母弹电池、母弹电磁抛载机构均固定于母弹壳体的上腔室；通信模块的信号端、母弹传感模块的敏感端均穿过母弹壳体的上端端壁伸至母弹壳体的外部；母弹配重贯穿嵌设于母弹壳体的上腔室侧壁，且母弹配重可脱离地固定于母弹电磁抛载机构的活动端；水深监测模块固定于母弹壳体的下腔室，且水深监测模块的敏感端穿过母弹整流罩伸至母弹壳体的外部；机械臂的数目为四个；四个机械臂均固定于母弹壳体的下腔室，且四个机械臂围绕母弹壳体的轴线等距排列；通信模块的信号端、母弹传感模块的信号端、母弹运行监测模块的信号端、母弹数据存储模块的信号端、母弹电磁抛载机构的信号端、水深监测模块的信号端、机械臂的信号端均与母弹微控单元的信号端连接；母弹电池的供电端分别与通信模块的电源端、母弹传感模块的电源端、母弹运行监测模块的电源端、母弹数据存储模块的电源端、母弹微控单元的电源端、母弹电磁抛载机构的电源端、水深监测模块的电源端、机械臂的电源端连接；

所述子弹观测系统包括子弹壳体、子弹整流罩、导航定位模块、子弹传感模块、子弹运行监测模块、子弹数据存储模块、子弹微控单元、子弹电池、电源管理模块、能量采集模块、子弹电磁抛载机构、子弹配重；

子弹壳体采用圆筒状结构；子弹壳体的上端设有端壁，下端设有敞口；子弹整流罩封盖于子弹壳体的下端敞口；导航定位模块、子弹传感模块、子弹运行监测模块、子弹数据存储模块、子弹微控单元、子弹电池、电源管理模块、能量采集模块、子弹电磁抛载机构均固定于子弹壳体的内腔；子弹传感模块的敏感端穿过子弹整流罩伸至子弹壳体的外部；子弹配重贯穿嵌设于子弹壳体的侧壁，且子弹配重可脱离地固定于子弹电磁抛载机构的活动端；导航定位模块的信号端、子弹传感模块的信号端、子弹运行监测模块的信号端、子弹数据存储模块的信号端均与子弹微控单元的信号端连接；子弹电池的供电端分别与导航定位模块的电源端、子弹传感模块的电源端、子弹运行监测模块的电源端、子弹数据存储模块的电源端、子弹微控单元的电源端、子弹电磁抛载机构的电源端连接；能量采集模块的输出端通过电源管理模块与子弹电池的充电端连接；

所述子弹观测系统的数目为四个；四个子弹观测系统的子弹壳体均贯穿嵌设于母弹壳体的下腔室侧壁，且四个子弹观测系统的子弹壳体分别可脱离地固定于四个机械臂的活动端。

工作时，通过中性承力电缆将提拉锁与观测船上的绞车连接，并将中性承力电缆的两端分别与通信模块的信号端和观测船上的主控系统连接。具体工作过程如下：首先，观测船上的绞车通过中性承力电缆和提拉锁将母弹观测系统释放到海中，母弹观测系统由此携带四个子弹观测系统进行下潜。在母弹观测系统的下潜过程中，母弹整流罩进行前置整流。母弹传感模块实时采集海水信息（例如海水温度、海水盐度等），并将海水信息传输至母弹微控单元。母弹运行监测模块实时监测母弹观测系统的运行状态信息，并将运行状态信息传输至母弹微控单元。水深监测模块实时监测水深信息，并将水深信息传输至母弹微控单元。母弹微控单元将上述信息进行处理（例如压缩处理、加密处理等）后实时存储在母弹数据存储模块中，并根据上述信息实时控制母弹电磁抛载机构和四个机械臂。当母弹观测系统下潜至定深位置（水深为500米）时，母弹微控单元控制四个机械臂进行同步伸展，四个机械臂将四个子弹观测系统同步推送至母弹壳体的外部，四个子弹观测系统同步启动并同步脱离四个机械臂（如图2-图5所示），由此呈矩阵式同步下潜。然后，母弹微控单元控制母弹电磁抛载机构进行动作，母弹电磁抛载机构将母弹配重推送至母弹壳体的外部，母弹配重启动并脱离母弹电磁抛载机构，由此使得母弹观测系统所受浮力大于自身重力，从而使得母弹观测系统自主上浮。在母弹观测系统的下潜和上浮过程中，母弹观测系统通过四个姿态稳定束进行自平衡动作调整。母弹微控单元通过通信模块与观测船上的主控系统进行实时通信。母弹电池对母弹观测系统中的各个模块进行供电，由此保证母弹观测系统正常工作。在四个子弹观测系统的同步下潜过程中，子弹整流罩进行前置整流。子弹传感模块实时采集湍流信息，并将湍流信息传输至子弹微控单元。子弹运行监测模块实时监测水深信息，并将水深信息传输至子弹微控单元。子弹微控单元将上述信息进行处理后实时存储在子弹数据存储模块中，并根据上述信息实时控制子弹电磁抛载机构。当四个子弹观测系统同步下潜至近海底位置（水深为4000-6000米）时，子弹微控单元控制子弹电磁抛载机构进行动作，子弹电磁抛载机构将子弹配重推送至子弹壳体的外部，子弹配重启动并脱离子弹电磁抛载机构，由此使得四个子弹观测系统所受浮力大于自身重力，从而使得四个子弹观测系统自主上浮。在四个子弹观测系统的上浮过程中，能量采集模块实时采集海流能量和波浪能量，并将上述能量转换为电能，然后通过电源管理模块对子弹电池进行充电。导航定位模块对子弹观测系统进行导航定位，由此保证子弹观测系统能够顺利回收。在四个子弹观测系统的下潜和上浮过程中，子弹电池对子弹观测系统中的各个模块进行供电，由此保证子弹观测系统正常工作。

基于上述过程，本发明所述的基于MEMS技术的全海深湍流混合矩阵型剖面观测系统基于全新的子母弹分离式观测结构，并利用全新的同步下潜式观测原理，实现了全海深同步多采样点立体观测，因此其完全满足了探测及研究的需要。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有海洋湍流观测技术无法实现全海深同步多采样点立体观测的问题，适用于海洋湍流观测。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的第一种工作状态示意图。

图3是本发明的第二种工作状态示意图。

图4是本发明的第三种工作状态示意图。

图5是本发明的第四种工作状态示意图。

图中：101-母弹壳体，102-母弹整流罩，103-提拉锁，104-姿态稳定束，105-通信模块，106-母弹传感模块，107-母弹运行监测模块，108-母弹数据存储模块，109-母弹微控单元，110-母弹电池，111-母弹配重，112-水深监测模块，113-机械臂，201-子弹壳体，202-子弹整流罩，203-导航定位模块，204-子弹传感模块，205-子弹运行监测模块，206-子弹数据存储模块，207-子弹微控单元，208-子弹电池，209-能量采集模块，210-子弹配重。

具体实施方式

基于MEMS技术的全海深湍流混合矩阵型剖面观测系统，包括母弹观测系统和子弹观测系统；

所述母弹观测系统包括母弹壳体101、母弹整流罩102、提拉锁103、姿态稳定束104、通信模块105、母弹传感模块106、母弹运行监测模块107、母弹数据存储模块108、母弹微控单元109、母弹电池110、母弹电磁抛载机构、母弹配重111、水深监测模块112、机械臂113；

母弹壳体101采用圆筒状结构；母弹壳体101的上端设有端壁，下端设有敞口；母弹壳体101的内腔设有隔板，该隔板将母弹壳体101的内腔分隔为上腔室和下腔室；母弹整流罩102封盖于母弹壳体101的下端敞口；提拉锁103固定于母弹壳体101的上端端壁；姿态稳定束104的数目为四个；四个姿态稳定束104均固定于母弹壳体101的外侧壁上部，且四个姿态稳定束104围绕母弹壳体101的轴线等距排列；通信模块105、母弹传感模块106、母弹运行监测模块107、母弹数据存储模块108、母弹微控单元109、母弹电池110、母弹电磁抛载机构均固定于母弹壳体101的上腔室；通信模块105的信号端、母弹传感模块106的敏感端均穿过母弹壳体101的上端端壁伸至母弹壳体101的外部；母弹配重111贯穿嵌设于母弹壳体101的上腔室侧壁，且母弹配重111可脱离地固定于母弹电磁抛载机构的活动端；水深监测模块112固定于母弹壳体101的下腔室，且水深监测模块112的敏感端穿过母弹整流罩102伸至母弹壳体101的外部；机械臂113的数目为四个；四个机械臂113均固定于母弹壳体101的下腔室，且四个机械臂113围绕母弹壳体101的轴线等距排列；通信模块105的信号端、母弹传感模块106的信号端、母弹运行监测模块107的信号端、母弹数据存储模块108的信号端、母弹电磁抛载机构的信号端、水深监测模块112的信号端、机械臂113的信号端均与母弹微控单元109的信号端连接；母弹电池110的供电端分别与通信模块105的电源端、母弹传感模块106的电源端、母弹运行监测模块107的电源端、母弹数据存储模块108的电源端、母弹微控单元109的电源端、母弹电磁抛载机构的电源端、水深监测模块112的电源端、机械臂113的电源端连接；

所述子弹观测系统包括子弹壳体201、子弹整流罩202、导航定位模块203、子弹传感模块204、子弹运行监测模块205、子弹数据存储模块206、子弹微控单元207、子弹电池208、电源管理模块、能量采集模块209、子弹电磁抛载机构、子弹配重210；

子弹壳体201采用圆筒状结构；子弹壳体201的上端设有端壁，下端设有敞口；子弹整流罩202封盖于子弹壳体201的下端敞口；导航定位模块203、子弹传感模块204、子弹运行监测模块205、子弹数据存储模块206、子弹微控单元207、子弹电池208、电源管理模块、能量采集模块209、子弹电磁抛载机构均固定于子弹壳体201的内腔；子弹传感模块204的敏感端穿过子弹整流罩202伸至子弹壳体201的外部；子弹配重210贯穿嵌设于子弹壳体201的侧壁，且子弹配重210可脱离地固定于子弹电磁抛载机构的活动端；导航定位模块203的信号端、子弹传感模块204的信号端、子弹运行监测模块205的信号端、子弹数据存储模块206的信号端均与子弹微控单元207的信号端连接；子弹电池208的供电端分别与导航定位模块203的电源端、子弹传感模块204的电源端、子弹运行监测模块205的电源端、子弹数据存储模块206的电源端、子弹微控单元207的电源端、子弹电磁抛载机构的电源端连接；能量采集模块209的输出端通过电源管理模块与子弹电池208的充电端连接；

所述子弹观测系统的数目为四个；四个子弹观测系统的子弹壳体201均贯穿嵌设于母弹壳体101的下腔室侧壁，且四个子弹观测系统的子弹壳体201分别可脱离地固定于四个机械臂113的活动端。

具体实施时，所述子弹传感模块204集成有水声传感器、CTD、湍流传感器；所述湍流传感器为基于MEMS技术的高空间分辨率矢量型湍流传感器。

Claims (2)

1.一种基于MEMS技术的全海深湍流混合矩阵型剖面观测系统，其特征在于：包括母弹观测系统和子弹观测系统；

所述母弹观测系统包括母弹壳体（101）、母弹整流罩（102）、提拉锁（103）、姿态稳定束（104）、通信模块（105）、母弹传感模块（106）、母弹运行监测模块（107）、母弹数据存储模块（108）、母弹微控单元（109）、母弹电池（110）、母弹电磁抛载机构、母弹配重（111）、水深监测模块（112）、机械臂（113）；

母弹壳体（101）采用圆筒状结构；母弹壳体（101）的上端设有端壁，下端设有敞口；母弹壳体（101）的内腔设有隔板，该隔板将母弹壳体（101）的内腔分隔为上腔室和下腔室；母弹整流罩（102）封盖于母弹壳体（101）的下端敞口；提拉锁（103）固定于母弹壳体（101）的上端端壁；姿态稳定束（104）的数目为四个；四个姿态稳定束（104）均固定于母弹壳体（101）的外侧壁上部，且四个姿态稳定束（104）围绕母弹壳体（101）的轴线等距排列；通信模块（105）、母弹传感模块（106）、母弹运行监测模块（107）、母弹数据存储模块（108）、母弹微控单元（109）、母弹电池（110）、母弹电磁抛载机构均固定于母弹壳体（101）的上腔室；通信模块（105）的信号端、母弹传感模块（106）的敏感端均穿过母弹壳体（101）的上端端壁伸至母弹壳体（101）的外部；母弹配重（111）贯穿嵌设于母弹壳体（101）的上腔室侧壁，且母弹配重（111）可脱离地固定于母弹电磁抛载机构的活动端；水深监测模块（112）固定于母弹壳体（101）的下腔室，且水深监测模块（112）的敏感端穿过母弹整流罩（102）伸至母弹壳体（101）的外部；机械臂（113）的数目为四个；四个机械臂（113）均固定于母弹壳体（101）的下腔室，且四个机械臂（113）围绕母弹壳体（101）的轴线等距排列；通信模块（105）的信号端、母弹传感模块（106）的信号端、母弹运行监测模块（107）的信号端、母弹数据存储模块（108）的信号端、母弹电磁抛载机构的信号端、水深监测模块（112）的信号端、机械臂（113）的信号端均与母弹微控单元（109）的信号端连接；母弹电池（110）的供电端分别与通信模块（105）的电源端、母弹传感模块（106）的电源端、母弹运行监测模块（107）的电源端、母弹数据存储模块（108）的电源端、母弹微控单元（109）的电源端、母弹电磁抛载机构的电源端、水深监测模块（112）的电源端、机械臂（113）的电源端连接；

所述子弹观测系统包括子弹壳体（201）、子弹整流罩（202）、导航定位模块（203）、子弹传感模块（204）、子弹运行监测模块（205）、子弹数据存储模块（206）、子弹微控单元（207）、子弹电池（208）、电源管理模块、能量采集模块（209）、子弹电磁抛载机构、子弹配重（210）；

子弹壳体（201）采用圆筒状结构；子弹壳体（201）的上端设有端壁，下端设有敞口；子弹整流罩（202）封盖于子弹壳体（201）的下端敞口；导航定位模块（203）、子弹传感模块（204）、子弹运行监测模块（205）、子弹数据存储模块（206）、子弹微控单元（207）、子弹电池（208）、电源管理模块、能量采集模块（209）、子弹电磁抛载机构均固定于子弹壳体（201）的内腔；子弹传感模块（204）的敏感端穿过子弹整流罩（202）伸至子弹壳体（201）的外部；子弹配重（210）贯穿嵌设于子弹壳体（201）的侧壁，且子弹配重（210）可脱离地固定于子弹电磁抛载机构的活动端；导航定位模块（203）的信号端、子弹传感模块（204）的信号端、子弹运行监测模块（205）的信号端、子弹数据存储模块（206）的信号端均与子弹微控单元（207）的信号端连接；子弹电池（208）的供电端分别与导航定位模块（203）的电源端、子弹传感模块（204）的电源端、子弹运行监测模块（205）的电源端、子弹数据存储模块（206）的电源端、子弹微控单元（207）的电源端、子弹电磁抛载机构的电源端连接；能量采集模块（209）的输出端通过电源管理模块与子弹电池（208）的充电端连接；

所述子弹观测系统的数目为四个；四个子弹观测系统的子弹壳体（201）均贯穿嵌设于母弹壳体（101）的下腔室侧壁，且四个子弹观测系统的子弹壳体（201）分别可脱离地固定于四个机械臂（113）的活动端。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的全海深湍流混合矩阵型剖面观测系统，其特征在于：所述子弹传感模块（204）集成有水声传感器、CTD、湍流传感器；所述湍流传感器为基于MEMS技术的高空间分辨率矢量型湍流传感器。