CN107782338A - 深海全剖面观测湍流混合剖面仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种深海全剖面观测湍流混合剖面仪，包括仪器舱和探头舱，仪器舱和探头舱采用分体设计，在仪器舱和探头舱之间连接有柔性减震耦合架，所述柔性减震耦合架包括多根支撑杆，所有支撑杆的一端均连接在固定环上，固定环与仪器舱连接，所有支撑杆的另一端均连接在探头保护环上，所有支撑杆围拢成一保护空间，所述探头舱内置在保护空间内，探头舱与仪器舱之间的电器件通过水密电缆连接；在柔性减震耦合架上设置有多个重块，在仪器舱的外部设置有浮体材料块，所有重块和浮体材料块均通过抛载机构控制释放。本发明可自由调整探头舱观测位置，从而实现海气界面至海底边界层全剖面直接观测；同时将两舱进行柔性连接，可消减由自身振动带来的干扰。

Description

深海全剖面观测湍流混合剖面仪

技术领域

本发明涉及海洋混合现场观测技术领域，具体地说是涉及一种深海全剖面观测湍流混合剖面仪。

背景技术

目前海洋湍流混合测量仪器主要分为如下两大类：船载有缆式湍流剖面仪和船载无缆式湍流剖面仪。前者测量水深范围500米至2000米；后者因无缆，仪器基本按“自由落体”匀速下降，当仪器达到指定深度，通过抛载重物并上浮，完成混合剖面测量，该类仪器适合于深海湍流混合的测量，目前产品化仪器测量范围2000米至4000米。但上述两种海洋湍流混合测量仪器均存在如下缺陷：1、测量仪器为一体化结构设计，在进行海洋观测时仪器存在自身震动，对探头数据采集带来干扰；测量仪器在水下运动过程中会受横向海流、自身尾流等影响产生振动信号，从而对快速温度、剪切探头的真实测量信号造成严重干扰。2、由于测量仪器不能进行水下运动姿态自主控制等，使得仪器观测存在两大观测盲区，即无法实现上层海气界面近水体边界层和海底水固界面近水体边界层的直接观测，严重地制约了对这两个界面物质和能量交换机理的研究进程。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种深海全剖面观测湍流混合剖面仪。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种深海全剖面观测湍流混合剖面仪，包括仪器舱和探头舱，仪器舱和探头舱采用分体设计，在仪器舱和探头舱之间连接有柔性减震耦合架，所述柔性减震耦合架包括多根支撑杆，所有支撑杆的一端均连接在固定环上，固定环与仪器舱连接，所有支撑杆的另一端均连接在探头保护环上，所有支撑杆围拢成一保护空间，所述探头舱内置在保护空间内，探头舱与仪器舱之间的电器件通过水密电缆连接；在柔性减震耦合架上设置有多个重块，在仪器舱的外部设置有浮体材料块，所有重块和浮体材料块均通过抛载机构控制释放；所有重块沿保护空间的周圈均匀分布，重块紧贴在柔性减震耦合架上，每一重块对应布置在一根支撑杆上；所述浮体材料块由多个环形块体组成，每一环形块体均由两个半块体对接形成，多个环形块体上下依次套设在仪器舱的外壁上；所述抛载机构为电磁阀，其固定在仪器舱的外壁上，电磁阀包括阀体和阀芯，在阀体的端部平行布设有第一固定板和第二固定板，在第一固定板和第二固定板之间连接有固定轴，转向挡板的一端铰接在固定轴上，转向挡板的另一端设置有与阀芯相配合的嵌入口，当电磁阀通断电时，阀芯从嵌入口中抽出或插入嵌入口中，在每一重块和浮体材料块的每一半块体上均设置有释放绳，释放绳的一端卡入嵌入口中。

优选的，所述探头舱上设置有温盐深测量模块、快速温度测量模块和剪切测量模块。

优选的，所述探头舱的内部还设置有姿态与加速度测量模块，所述温盐深测量模块、快速温度测量模块、剪切测量模块和姿态与加速度测量模块均与数据采集模块连接，所述仪器舱上设置有时钟模块、存储模块、抛载控制模块、高度计、电源管理模块和主控模块，时钟模块、存储模块、抛载控制模块和高度计均与主控模块连接，主控模块与数据采集模块连接，电源管理模块分别连接主控模块和数据采集模块。

优选的，所述仪器舱的尾端设置有GPS信标机和吊装环。

一种深海全剖面观测方法，采用上述深海全剖面观测湍流混合剖面仪，具体步骤如下：

(1)海底边界层混合观测：深海全剖面观测湍流混合剖面仪入水后通过温盐深测量模块、快速温度测量模块和剪切测量模块进行数据采集，同时通过温盐深测量模块和高度计分别判断下潜深度和对底距离，当满足抛载条件时，剖面仪抛载机构对重物进行抛载，并停止数据采集任务；抛载完成后，剖面仪浮力大于重力，开始上浮直至海表，母船通过剖面仪自身的GPS信标机将其定位并回收；

(2)海表边界层混合观测：深海全剖面观测湍流混合剖面仪由松弛的缆绳系挂，具体是将缆绳系挂在吊装环位置，根据观测需要设定不同抛载深度(50至100米)，通过同时抛载重块和浮体材料块，调整剖面仪自身重心与浮心位置，使重心和浮心在剖面仪的轴向位置移位，达到翻转的目的；剖面仪翻转后垂直向上运动并进行所有测量参数的采集，直至海面；向上运动过程中，缆绳保持松弛状态，剖面仪到达水面后通过缆绳回收。

本发明的有益技术效果是：

(1)本发明采用同时改变重心和浮心的措施，并通过大比例抛载设计，使重心和浮心位置变化满足剖面仪翻转和高稳定性的要求，以自由调整探头舱的观测位置，从而实现海气界面至海底边界层全剖面的直接观测。

(2)本发明采用仪器舱和探头舱的分体设计，使用柔性减震耦合架将两舱进行柔性连接，同时通过优化配置测量仪器的重心、浮心，提高自身稳定性，消减由自身振动带来的对探头数据采集的干扰。此外，本发明采用主动式传感器振动信号监测技术与被动式机械减震技术相结合的方式，消除测量仪器振动对剪切传感器、快速温度传感器原始信号造成的污染，提升了剖面仪运动过程中的稳定性。

(3)由于传统单参数混合观测设备已无法满足对深海混合过程的深入研究，因此，本发明研制的剖面仪通过集成剪切探头、快速温度探头以及温盐深测量系统来获取仪器下降和上升过程，尤其是海气界面至海底边界层的物理参数数据。通过采用多参数传感器的同步测量技术，实现海洋宏观过程与微观混合过程同步观测任务。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明深海全剖面观测湍流混合剖面仪的整体结构示意图；

图2为本发明中抛载机构对重块抛载的结构原理示意图；

图3为本发明中抛载机构对浮体材料块半块体抛载的结构原理示意图；

图4为本发明湍流混合剖面仪数据采集与控制系统电路框图；

图5为本发明湍流混合剖面仪两种工作模式示意图。

具体实施方式

结合附图，一种深海全剖面观测湍流混合剖面仪，包括仪器舱1和探头舱2，仪器舱1和探头舱2采用分体设计，在仪器舱1和探头舱2之间连接有柔性减震耦合架3。所述柔性减震耦合架3包括多根支撑杆301，所有支撑杆301的一端均连接在固定环302上，固定环302与仪器舱1连接，所有支撑杆301的另一端均连接在探头保护环303上，所有支撑杆301围拢成一保护空间304，所述探头舱2内置在保护空间304内，探头舱2的外壁与部分支撑杆301固定，探头舱2与仪器舱1之间的电器件通过水密电缆连接。

在柔性减震耦合架3上设置有多个重块4，所有重块4沿保护空间304的周圈均匀分布，重块紧贴在柔性减震耦合架上，每一重块对应布置在一根支撑杆上。在仪器舱1的外部设置有浮体材料块5，所述浮体材料块5由多个环形块体组成，每一环形块体均由两个半块体501对接形成，多个环形块体上下依次套设布置在仪器舱1的外壁上。所有重块4和浮体材料块5均通过抛载机构控制释放。

所述抛载机构为电磁阀6，其固定在仪器舱1的外壁上，电磁阀6包括阀体601和阀芯602，在阀体601的端部平行布设有第一固定板603和第二固定板604，在第一固定板603和第二固定板604之间连接有固定轴605，转向挡板606的一端铰接在固定轴605上，转向挡板606的另一端设置有与阀芯602相配合的嵌入口607。在每一重块和浮体材料块的每一半块体上均设置有释放绳7，释放绳7的一端卡入嵌入口中。电磁阀处于断电状态时，阀芯在电磁阀内置弹簧的回弹力作用下插入嵌入口中，同时将卡入嵌入口中的释放绳7压紧。当需要释放重块或浮体材料块时，控制电磁阀6通电，此时阀芯602从嵌入口中抽出，释放绳7被松开，此时重块在自身重力作用下下沉抛载，或浮体材料块在自身浮力作用下上浮抛载。

上述电磁阀6可根据需要设置多个，且沿仪器舱1的周边均匀布置。每一电磁阀6可根据需要控制一个重块或两个、三个重块，或者一个重块和一个浮体材料块半块体的释放等等，以自由控制抛载比例，使剖面仪沿设计角度翻转。

上述探头舱上设置有温盐深测量模块、快速温度测量模块、剪切测量模块、姿态与加速度测量模块和数据采集模块，所述温盐深测量模块、快速温度测量模块、剪切测量模块和姿态与加速度测量模块均与数据采集模块连接。所述仪器舱上设置有时钟模块、存储模块、抛载控制模块、高度计、电源管理模块和主控模块，时钟模块、存储模块、抛载控制模块和高度计均与主控模块连接，主控模块与数据采集模块连接，电源管理模块分别连接主控模块和数据采集模块。

上述温盐深测量模块采用CTD系统12，快速温度测量模块采用快速温度结构探头8，剪切测量模块采用剪切探头9。其中，CTD系统12固定在剖面仪外壁上，快速温度结构探头8和剪切探头9固定在保护空间304内，其探头末端不能超出探头保护环303。

上述仪器舱1的尾端设置有GPS信标机10和吊装环11。

本发明研制的湍流混合剖面仪具有运动平稳、无震动等特点。为满足剖面仪在水下可自主翻转改变自身测量姿态的精细化要求，剖面仪外形采用流线型设计以减少流动分离及尾涡的流体震荡，最大限度地提高剖面仪运动稳定性，并通过优化浮心和重心的间距，使剖面仪运动平稳且不影响翻转来提高抗水流干扰能力。通过改变重心和浮心的方法以及大比例的抛载设计，使重心和浮心位置发生变化，之后调节抛载比例，实现了剖面仪自身姿态既稳定又可翻转的设计要求。

传统海洋混合观测仪通常为一体化结构设计，壳体材料与加工成本较高。并且由于仪器的刚性连接，导致剖面仪的振动无法消除。本发明研制设计的剖面仪采用国际首创的分体式设计，并使用柔性减震耦合架将两舱进行柔性连接。固定环(减震环)与舱体连接采用一体化冲压而成，满足高压状态下两舱连接的可靠性。柔性减震耦合环内部可透水，并通过水密电缆使探头舱与仪器舱进行电器连接。该技术的使用将阻断剖面仪尾流引起的振动，从而消除系统自身振动对探头数据采集带来的干扰。此外探头舱内部安装了具有高灵敏度、高精度的加速度和姿态传感器，以用于测量系统自身振动信号。

为实现近海底边界层内的湍动能耗散率直接观测，本发明剖面仪还具有防触底功能。具体可根据水动力分析和剖面仪内置传感器确定抛载最佳时机和距底最佳高度。同时，剖面仪前端还加装有高强度材料制作的探头保护环，用来保护探头舱上的传感器，防止意外触碰。

为满足深海混合多样性观测需求，本发明通过抛载重块或浮块，调整自身重心与浮心位置，从而改变运动方式。采用海底边界层混合观测模式时，剖面仪入水后系统将通过压力传感器和高度计分别判断下潜深度和对底距离。当满足抛载条件时，剖面仪抛载机构将对重物进行抛载，并停止数据采集任务。抛载完成后，剖面仪浮力大于重力，开始上浮直至海表，母船可通过剖面仪自身的GPS信标机将其定位并回收。

采用海表边界层混合观测模式时，剖面仪由松弛的缆绳系挂，具体可将缆绳系挂在吊装环位置，可根据观测需要设定不同抛载深度(50至100米)，通过同时抛载重块和浮块，调整剖面仪自身重心与浮心位置，使重心和浮心在仪器的轴向位置移位，达到翻转的目的。剖面仪翻转后垂直向上运动并进行所有测量参数的采集，直至海面。向上运动过程中，缆绳保持松弛状态，剖面仪到达水面后可通过缆绳回收。

本发明数据采集控制系统采用模块化和功能化设计。探头舱内主要集成数据采集相关模块。舱外前端的中心位置采用双剪切探头垂直架装、双快速温度探头同步观测的方式，实现相互校验，提高混合过程观测准确度。温盐深测量模块作为独立采集系统加装在仪器舱外部。仪器舱内部主要集成剖面仪功能配置及运动姿态控制相关模块。

本发明采用剪切测量模块测量湍动能耗散率，快速温度测量模块测量热耗散率，温盐深测量模块使用低漂移放大电路，同时通过同步采样技术保证测量时间一致性，提升测量参数的准确度。剪切、快速温度及温盐深探头的输出信号经过调理电路处理后进行同步模数转换，转换结果由数据采集模块通过数字总线接收，同时额外采集姿态和加速度测量模块的数据，实时补偿、修正剪切测量数据。最终数据采集模块将采集到的所有数据，通过串口通信发送给位于仪器舱内部的主控模块，主控模块负责将采集到多种海洋混合特征量数据存储在TF卡中。当剖面仪回收后，PC机可通过串口与主控模块通信，快速读取采样数据。

主控模块在负责数据采集与存储的同时，还可通过配置系统工作时间和工作模式决定剖面仪调整运动姿态的时机。当剖面仪工作在海底边界层混合观测模式时，主控模块自动采集高度计数据和深度数据，结合防触底逻辑算法，完成重力抛载操作。当剖面仪工作在海表边界层混合观测模式时，主控模块利用压力传感器实时监测深度数据，在预设深度(一般为100米)触发抛载信号，重力抛载机构和浮力抛载机构将同时完成抛载，剖面仪完成姿态翻转并进入工作状态。

为了使剖面仪进行翻转从而调整探头舱的观测位置，本发明通过同时改变重心和浮心以及大比例的抛载设计，使重心和浮心位置变化满足设计要求，提高了剖面仪翻转的稳定性，从而满足了剖面仪从海气界面到海底边界层全剖面的直接观测需求。

为了突破海洋宏、微观混合过程同步观测技术的瓶颈，本发明放弃传统的单参数混合观测技术，转而采用多参数传感器同步测量技术。同时，为了获取载体下降、上升过程，尤其是海气界面至海底边界层的物理参数数据，系统还集成了温盐深测量系统。此外，通过深海高度计和压力传感器同步测量与防触底逻辑算法相结合，确保了整体系统的安全性。

为了最大限度消除由于剖面仪水下运动过程中受横向海流、自身尾流等影响产生的振动对快速温度、剪切探头产生的信号干扰，本发明通过采用低水阻、流线型设计，以及优化配置剖面仪重、浮心来提高剖面仪自身稳定性。同时，还采用主动式传感器振动信号监测技术与被动式机械减震技术相结合的方法来消除振动信号对传感器真实测量信号造成的污染和影响。

本发明剖面仪可工作在深海4000米处，具有可翻转和抗震动干扰能力，提升了现场混合观测数据的可靠性与多样性，满足了深海混合精细化观测需求。剖面仪通过同时搭载剪切传感器、深海快速温度传感器、温盐深传感器，可实现湍动能耗散率、热耗散率、温盐剖面等参数的同步观测，突破传统湍流混合剖面仪观测能力的局限性。

上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所做出的任何等同替代方式，或明显变型方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种深海全剖面观测湍流混合剖面仪，其特征在于：包括仪器舱和探头舱，仪器舱和探头舱采用分体设计，在仪器舱和探头舱之间连接有柔性减震耦合架，所述柔性减震耦合架包括多根支撑杆，所有支撑杆的一端均连接在固定环上，固定环与仪器舱连接，所有支撑杆的另一端均连接在探头保护环上，所有支撑杆围拢成一保护空间，所述探头舱内置在保护空间内，探头舱与仪器舱之间的电器件通过水密电缆连接；在柔性减震耦合架上设置有多个重块，在仪器舱的外部设置有浮体材料块，所有重块和浮体材料块均通过抛载机构控制释放；所有重块沿保护空间的周圈均匀分布，重块紧贴在柔性减震耦合架上，每一重块对应布置在一根支撑杆上；所述浮体材料块由多个环形块体组成，每一环形块体均由两个半块体对接形成，多个环形块体上下依次套设在仪器舱的外壁上；所述抛载机构为电磁阀，其固定在仪器舱的外壁上，电磁阀包括阀体和阀芯，在阀体的端部平行布设有第一固定板和第二固定板，在第一固定板和第二固定板之间连接有固定轴，转向挡板的一端铰接在固定轴上，转向挡板的另一端设置有与阀芯相配合的嵌入口，当电磁阀通断电时，阀芯从嵌入口中抽出或插入嵌入口中，在每一重块和浮体材料块的每一半块体上均设置有释放绳，释放绳的一端卡入嵌入口中。

2.根据权利要求1所述的一种深海全剖面观测湍流混合剖面仪，其特征在于：所述探头舱上设置有温盐深测量模块、快速温度测量模块和剪切测量模块。

3.根据权利要求2所述的一种深海全剖面观测湍流混合剖面仪，其特征在于：所述探头舱的内部还设置有姿态与加速度测量模块，所述温盐深测量模块、快速温度测量模块、剪切测量模块和姿态与加速度测量模块均与数据采集模块连接，所述仪器舱上设置有时钟模块、存储模块、抛载控制模块、高度计、电源管理模块和主控模块，时钟模块、存储模块、抛载控制模块和高度计均与主控模块连接，主控模块与数据采集模块连接，电源管理模块分别连接主控模块和数据采集模块。

4.根据权利要求1所述的一种深海全剖面观测湍流混合剖面仪，其特征在于：所述仪器舱的尾端设置有GPS信标机和吊装环。