CN107933831B - 极地海冰环境数据监测浮标和极地海冰环境数据监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极地海冰环境数据监测浮标及一种极地海冰环境数据监测方法，可以测量冰面以上4米内不同高度的大气参数，包括不同高度的风速风向、气温气压、湿度；也可采集冰面下不同深度的海水溶解氧与叶绿素的含量；水上声纳和水下声纳测量冰上降雪量和冰水界面的距离，可获取冰层总厚度的变化；数据通过铱星模块传输，实现自动化远程实时监测，为海冰生长过程中的热力学变化过程提供分析依据；本发明相比其他浮标装置具有结构新颖，测量数据多样化的特点；可应用于南北极极地海冰的自动化无人监测。

Description

极地海冰环境数据监测浮标和极地海冰环境数据监测方法

技术领域

本发明涉及自动化监测领域，尤其涉及一种极地海冰环境数据监测浮标和一种极地海冰环境数据监测方法。

背景技术

全球气候是各种因素相互作用影响的统一体，而南北极的气候是地球上气候极为敏感的区域之一。海冰每年最多可以覆盖地球表面积大约7％左右，其中最大的部分分布在地球的南北极，显然海冰在南北极的研究中占有很大的比重。极地海冰的变化是极地气候变化的风向标，海冰浮标的观测研究及其成果应用在极地研究占有重要地位，利用海冰浮标观测海冰漂移位置、浮标所处位置的气压气温、海表温度等基本参数是常见的观测方法，对全球气候变化、天气和冰情的预报、卫星数据验证、数值气候模式的强迫、验证和同化，以及追踪海冰生长和消融的过程等具有重要的数据支撑作用。

极地海冰的气候因素与海冰形成的关系是相互作用的。长期以来，科学家在极地海—冰—气相互作用的机理和对世界气候的影响方面进行了大量的研究，但由于影响海—冰—气相互作用的因素较多，无法实现大面积和精细化的多参数实时监测，利用卫星照片和遥感可以获得气候数据，但仍然无法完全分析海-冰-气之间相互作用的机理。只有在极地海冰上大面积投放现场监测浮标，才可以获取到足够的海冰变化的实时数据。近年来，在“北极浮标计划”等国际项目的国际支持下，北极投放了大量的海洋浮标和海冰浮标。但是监测低空(10米高)的大气参数和海冰下海水的其它参数依旧是一个无法克服的困难。因此，设计和研发一种能够利用自动化监测技术测量不同高度(10米内)的大气参数和海冰厚度及海冰漂移的一体化浮标尤为重要。

目前，国内外在极地海冰上投放的浮标中，大都是在主标体上部设置一个1-6米高的固定支架，支架上不同高度设置同一类监测传感器，在主标体下部设置一个铁链或锚链，铁链上不同深度处设置同一类监测传感器，这类浮标的主要缺点是：上部固定支架越高，要求浮标直径和高度越大，否则浮标会倒。下部铁链上不同深度安装同一类传感器会增加传感器的数量，增大成本。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种极地海冰环境数据监测浮标和一种极地海冰环境数据监测方法。

本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种极地海冰环境数据监测浮标，包括：控制仓、第一伸缩支架和第二伸缩支架；其中，控制仓包括仓体，及设置于仓体中的控制器、电机驱动及供电装置；第一伸缩支架和第二伸缩支架分别固定设置于控制仓仓体外侧的对立面上；第一伸缩支架和第二伸缩支架呈伸缩杆状，电机驱动分别连接第一伸缩支架和第二伸缩支架，用以控制第一伸缩支架和第二伸缩支架沿延伸方向伸缩；第一伸缩支架和第二伸缩支架上设置多个与支架延伸方向呈指定角度设定的伸缩杆，伸缩杆为伸缩型支架，连接电机驱动并通过电机驱动驱动以进行伸缩；第一伸缩支架及其伸缩杆上固定设置小型气象站、水上声纳传感器及铱星模块；第二伸缩支架及其伸缩杆上固定设置水下叶绿素和溶解氧传感器及水下声纳传感器。

本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种极地海冰环境数据监测方法，使用如前述技术方案的极地海冰环境数据监测浮标进行监测，监测方法的包括：设置于控制仓中的控制器定时启动，向电机驱动发送第一驱动指令，以驱动直流电机使第一伸缩支架、第二伸缩支架及第一伸缩支架和第二伸缩支架上的伸缩杆伸长到第一指定位置；通过小型气象站采集所在位置的风速风向、气温气压，通过水上声纳传感器采集冰面降雪高度，通过水下叶绿素和溶解氧传感器采集海水的叶绿素和溶解氧含量，及通过水下声纳传感器采集距冰水下界面的距离，将采集到的各类环境数据传输到控制器；控制器整理接收到的环境数据，并将环境数据发送到铱星模块，通过铱星模块将环境数据发送到网络端，以供实验人员分析；控制器向电机驱动发送第二驱动指令，以驱动第一伸缩支架、第二伸缩支架及第一伸缩支架和第二伸缩支架上的伸缩杆收缩到初始长度。

区别于现有技术，本发明的极地海冰环境数据监测浮标及其测量方法，可以测量冰面以上4米内不同高度的大气参数，包括不同高度的风速风向、气温气压、湿度；也可采集冰面下不同深度的海水溶解氧与叶绿素的含量；水上声纳和水下声纳测量冰上降雪量和冰水界面的距离，可获取冰层总厚度的变化；数据通过铱星模块传输，实现自动化远程实时监测，为海冰生长过程中的热力学变化过程提供分析依据；本发明相比其他浮标装置具有结构新颖，测量数据多样化的特点；可应用于南北极极地海冰的自动化无人监测。

附图说明

图1是本发明提供的一种极地海冰环境数据监测浮标的结构示意图；

图2是本发明提供的一种极地海冰环境数据监测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

图1是本发明提供的一种极地海冰环境数据监测浮标的结构示意图。该浮标包括控制仓11、第一伸缩支架12和第二伸缩支架18；其中，控制仓11包括仓体11，及设置于仓体11中的控制器1、电机驱动2、3及供电装置16；第一伸缩支架12和第二伸缩支架18分别固定设置于控制仓仓体11外侧的对立面上；第一伸缩支架12和第二伸缩支架18呈伸缩杆状，电机驱动2和3连接第一伸缩支架12和第二伸缩支架18，用以控制第一伸缩支架12和第二伸缩支架18沿延伸方向伸缩；第一伸缩支架12和第二伸缩支架18上设置多个与支架延伸方向呈指定角度设定的伸缩杆，伸缩杆为伸缩型支架，连接电机驱动2和、或3，并通过电机驱动驱动以进行伸缩；第一伸缩支架12顶端设置小型气象站8，其伸缩杆15上固定设置水上声纳传感器10及铱星模块9；第二伸缩支架18上固定设置水下叶绿素和溶解氧传感器17，其伸缩杆14上设置水下声纳传感器13。

图中虚线表示各部件之间通过导线的连接关系。控制器1连接电机驱动2和3，电机驱动2连接电机4和5，电机驱动3连接电机6和7，电机4连接第一伸缩支架12，电机5连接伸缩杆15，电机6连接第二伸缩支架18，电机7连接伸缩杆14，控制器1连接各传感器、小型气象站8和铱星模块9，供电装置16连接上述部件中的用电部件进行供电。

优选的，电机驱动包括分别用于驱动第一伸缩支架12、第二伸缩支架18、第一伸缩支架12的伸缩杆及第二伸缩支架18的伸缩杆进行伸缩的直流电机。在本发明中，通过设置于控制仓11中的电机驱动2及3接收控制器1发送的控制指令，分别向每一直流电机发送驱动指令，以电机驱动使对应的伸缩支架或伸缩杆进行伸缩。在本实施方式中，第一伸缩支架12上设置伸缩杆15，第二伸缩支架18上设置伸缩杆14，伸缩杆15和伸缩杆14的数量相等或不等，可为多个或1个。在图1中，伸缩杆15为两端伸缩的伸缩支架，伸缩杆14是一侧伸缩的伸缩支架。

优选的，伸缩杆分别与第一伸缩支架12及第二伸缩支架18连接的连接方式是铰接，以改变伸缩杆与第一伸缩支架12或第二伸缩支架18之间的角度。在本发明的其他实施方式中，也可以通过焊接的方式，或通过螺钉固定的方式将伸缩杆和第一伸缩支架12及第二伸缩支架18进行固定连接。在图1中，伸缩杆15和14通过焊接的方式垂直连接第一伸缩支架12与第二伸缩支架18。

第一伸缩支架12和以及设置于其上的伸缩杆15均为3mm厚的圆钢管材料，通过四个圆钢管互相嵌套形成伸缩支架，第一伸缩支架12缩短时的长度为120cm，伸长时的最长长度为400cm。设置于第一伸缩支架12上的伸缩杆15伸缩时水平的两头同时伸缩，两边初始长度为30cm，伸长后两边长度均为60cm。

第二伸缩支架18焊接在控制仓仓体11上，第二伸缩支架18和连接的伸缩杆14也为3mm厚的圆钢管材料。第二伸缩支架18纵向伸缩缩短时的长度为300cm，伸长时的长度为600cm。伸缩杆14一端固定在第二伸缩支架18上，另一端伸缩活动，缩短时长度为30cm，伸长时长度为60cm。

优选的，控制器的仓体11为圆柱体型，控制器1、电机驱动2、3及供电装置16设置于圆柱体结构内部，第一伸缩支架12和第二伸缩支架18分别垂直仓体的圆柱面设置。在本发明图1的实施方式中，仓体11包括如图所示的上下两个圆柱型腔体，上方腔体中放置控制器1、电机驱动2和3，下方腔体中放置供电装置16，连接涉及用电的所有部件以进行供电。

示例的，控制仓仓体11内部包括控制器1、供电装置16、电机驱动器2、电机驱动器3。第一伸缩支架12上设置伸缩杆15，第一伸缩支架12连接电机4，伸缩杆15连接电机5，小型气象站8、水上声纳10、铱星模块9固定于伸缩杆14上。第二伸缩支架18上设置伸缩杆14，第二伸缩支架18连接电机6，伸缩杆14连接电机7，水下叶绿素传感器和溶解氧传感器17设置于伸缩杆14上，水下声纳传感器13设置于第二伸缩支架18顶端。

本发明的浮标通过控制仪控制电机驱动各伸缩支架及伸缩杆伸长或缩短，进行大气参数和冰下海水参数的测量，测量结束，恢复原状，数据通过铱星模块及其天线发送回国内监测站，实现了极地海冰自动化多参数的远程监测。克服了现有海冰浮标无法自动化监测不同高度的大气参数和冰下不同深度的海水参数的缺点。

本发明一种极地海冰环境数据监测浮标适用于对海冰的现场定点监测，在安装前首先要选定合适的观测点，以当年平整冰为宜，且海冰初始厚度在50—100cm(北极)或40-60cm(南极)为佳，在冰面钻取直径为40cm的圆型冰洞，紧贴冰洞钻取一个长50cm、宽30cm的长方形冰洞，然后把浮标垂直安装在凿好的圆洞中，仓体11的上方腔体的圆柱体直径为80cm，厚度为30cm，其下部与冰面紧密接触形成浮标的支撑，下方圆柱体埋入冰内，第二伸缩支架部分及伸缩杆14侵入冰下海水。初始状态时，第一伸缩支架12上的伸缩杆15和第二伸缩支架18的伸缩杆15均缩至最短状态，冰面以下的长度为3.5米，包括浮标下圆柱体的长度50厘米和第二伸缩支架18的初始长度3米之和。

参阅图2，图2是本发明提供的一种极地海冰环境数据监测方法的流程示意图。该方法是利用前一技术方案所述的极地海冰环境数据监测浮标对极地海冰环境数据进行监测。该方法的步骤包括：

S110：设置于控制仓中的控制器定时启动，向电机驱动发送第一驱动指令，以驱动直流电机使第一伸缩支架、第二伸缩支架及第一伸缩支架和第二伸缩支架上的伸缩杆伸长到第一指定位置。

设置控制仓中的控制器定时启动，其中启动时间可设定为整点启动，或在其他设定的时间点启动。控制器启动后，向连接的电机驱动发送第一驱动指令。电机驱动接收第一驱动指令，控制设置于第一伸缩支架、第二伸缩支架以及分别连接二者的伸缩杆上的电机开始工作。具体的，设置四个电机分别连接第一伸缩支架、第二伸缩支架以及分别连接二者的伸缩杆，通过电机驱动控制，开始控制相应的支架伸长。结合前一技术方案中的浮标100，通过电机驱动2控制连接于第一伸缩支架12和伸缩杆15的电机4和5，通过电机4和5，分别驱动第一伸缩支架12和伸缩杆15进行伸长。通过电机驱动3控制连接于伸缩杆14的电机7，通过电机7，驱动伸缩杆14进行伸长。同时在第一伸缩支架12由初始长度伸长到200cm、伸缩杆15和14均伸长到最大长度时，控制器1发出指令，使电机4-7停止工作。

S120：通过小型气象站采集所在位置的风速风向、气温气压，通过水上声纳传感器采集冰面降雪高度，通过水下叶绿素和溶解氧传感器采集海水的叶绿素和溶解氧含量，及通过水下声纳传感器采集距冰水下界面的距离，将采集到的各类环境数据传输到控制器。

电机4-7停止工作后，控制的伸缩支架或伸缩杆停止继续伸长，使伸缩杆14、15及第二伸缩支架18上设置的各类传感器到达第一指定位置。然后控制器发送控制指令到每一传感器，使传感器开始采集当前位置的环境数据。具体的，通过小型气象站8采集所在位置的风速风向、气温气压，通过水上声纳传感器10采集冰面降雪高度，通过水下叶绿素和溶解氧传感器17采集海水的叶绿素和溶解氧含量，及通过水下声纳传感器13采集距冰水下界面的距离。同时读取控制器自带的铱星模块中的GPS位置信息，采集完成后，保存数据。

控制器1再次向电机驱动2和3发送第三驱动指令，第三驱动指令是使电机驱动2和3控制连接第一伸缩支架12及第二伸缩支架18的电机4和6工作，使第一伸缩支架12及第二伸缩支架18继续伸长，如分别伸长到300cm和400cm，使伸缩杆15和14到达第二指定位置，控制器1控制传感器再次采集数据。采集完成后，可控制第一伸缩支架12和第二伸缩支架18继续伸长，继续控制传感器采集环境数据。

在本发明中，当电机4控制第一伸缩支架12伸长至2米，电机5控制第一伸缩支架12的伸缩杆15伸长至60cm，电机7驱动第二伸缩杆支架的伸缩杆14伸长至60cm时，水上声纳传感器10测量到的距离冰面的距离(第一伸缩支架12伸长到2米时)和初始值相减，即为冰面增长值，水下声纳传感器13测量到的距离冰下冰水界面的距离值(第二伸缩支架18伸长到6米时)减去初始值即为冰下冰厚增长值，冰面冰厚增长值和冰水下界面增长值之和即为冰厚增长值，得到冰厚增长值和初始冰厚值，即可获得采集数据时刻的海冰厚度值。同时通过小型气象站8可直接获取风速风向、气温气压，通过水下叶绿素和溶解氧传感器17获取的冰下叶绿素溶解氧等实时测量值即代表采集时刻的数值。

S130：控制器整理接收到的环境数据，并将环境数据发送到铱星模块，并通过铱星模块将环境数据发送到网络端，以供实验人员分析。

当采集完成全部指定位置的环境数据后，控制器1接收全部环境数据并进行整理，打包通过铱星模块9发送到网络端，通过国内服务器接收数据。铱星模块9可集成于控制器1内部，或者与控制器1分离设置，二者通过无线通信的方式进行信号传输。

S140：控制器向电机驱动发送第二驱动指令，以驱动第一伸缩支架、第二伸缩支架及第一伸缩支架和第二伸缩支架上的伸缩杆收缩到初始长度。

环境数据发送成功后，控制器1向电机驱动2和3发送第二驱动指令。第二驱动指令是控制电机4-7分别驱动第一伸缩支架12、第二伸缩支架18及伸缩杆15和14收缩的指令。电机4-7驱动各个伸缩杆收缩到初始长度后，停止工作，同时控制器1休眠，到下一整点时，继续执行上述步骤。

区别于现有技术，本发明的极地海冰环境数据监测浮标及其测量方法，可以测量冰面以上4米内不同高度的大气参数，包括不同高度的风速风向、气温气压、湿度；也可采集冰面下不同深度的海水溶解氧与叶绿素的含量；水上声纳和水下声纳测量冰上降雪量和冰水界面的距离，可获取冰层总厚度的变化；数据通过铱星模块传输，实现自动化远程实时监测，为海冰生长过程中的热力学变化过程提供分析依据；本发明相比其他浮标装置具有结构新颖，测量数据多样化的特点；可应用于南北极极地海冰的自动化无人监测。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种极地海冰环境数据监测浮标，其特征在于，包括：控制仓、第一伸缩支架和第二伸缩支架；

其中，控制仓包括仓体，及设置于所述仓体中的控制器、电机驱动及供电装置；所述第一伸缩支架和所述第二伸缩支架分别固定设置于所述控制仓仓体外侧的对立面上；所述第一伸缩支架和所述第二伸缩支架呈伸缩杆状，所述电机驱动分别连接所述第一伸缩支架和所述第二伸缩支架，用以控制所述第一伸缩支架和所述第二伸缩支架沿延伸方向伸缩；所述第一伸缩支架和所述第二伸缩支架上设置多个与支架延伸方向呈指定角度设定的伸缩杆，所述伸缩杆为伸缩型支架，连接所述电机驱动并通过所述电机驱动驱动以进行伸缩；所述第一伸缩支架及其伸缩杆上固定设置小型气象站、水上声纳传感器及铱星模块；所述第二伸缩支架及其伸缩杆上固定设置水下叶绿素和溶解氧传感器及水下声纳传感器。

2.根据权利要求1所述的极地海冰环境数据监测浮标，其特征在于，所述电机驱动分别连接用于驱动所述第一伸缩支架、第二伸缩支架、第一伸缩支架的伸缩杆及第二伸缩支架的伸缩杆进行伸缩的直流电机。

3.根据权利要求2所述的极地海冰环境数据监测浮标，其特征在于，所述控制器向电机驱动发送驱动指令，以驱动直流电机使对应的伸缩支架或伸缩杆进行伸缩。

4.根据权利要求2所述的极地海冰环境数据监测浮标，其特征在于，所述伸缩杆分别与所述第一伸缩支架及第二伸缩支架连接的连接方式是铰接，以改变所述伸缩杆与所述第一伸缩支架或第二伸缩支架之间的角度。

5.根据权利要求1所述的极地海冰环境数据监测浮标，其特征在于，所述控制仓的仓体为圆柱体型，所述控制器、电机驱动及供电装置设置于所述圆柱体结构内部，所述第一伸缩支架和所述第二伸缩支架分别垂直所述仓体的圆柱面设置。

6.一种极地海冰环境数据监测方法，其特征在于，使用如权利要求2-4所述的极地海冰环境数据监测浮标进行监测，所述监测方法的步骤包括：

设置于控制仓中的控制器定时启动，向电机驱动发送第一驱动指令，以驱动直流电机使第一伸缩支架、第二伸缩支架及第一伸缩支架和第二伸缩支架上的伸缩杆伸长到第一指定位置；

通过小型气象站采集所在位置的风速风向、气温气压，通过水上声纳传感器采集冰面降雪高度，通过水下叶绿素和溶解氧传感器采集海水的叶绿素和溶解氧含量，及通过水下声纳传感器采集距冰水下界面的距离，将采集到的各类环境数据传输到所述控制器；

所述控制器整理接收到的环境数据，并将环境数据发送到铱星模块，通过铱星模块将环境数据发送到网络端，以供实验人员分析；

控制器向电机驱动发送第二驱动指令，以驱动第一伸缩支架、第二伸缩支架及第一伸缩支架和第二伸缩支架上的伸缩杆收缩到初始长度。

7.根据权利要求6所述的极地海冰环境数据监测方法，其特征在于，在将各类环境数据传输到所述控制器的步骤之后，包括步骤：

所述控制器控制所述电机驱动驱动直流电机，使第一伸缩支架、第二伸缩支架及设置于第一伸缩支架和第二伸缩支架上的伸缩杆伸长到第二指定位置，采集环境数据，采集完成后发送到所述控制器。

8.根据权利要求6所述的极地海冰环境数据监测方法，其特征在于，在通过铱星模块将环境数据发送到网络端的步骤中，包括步骤：

控制器接收采集的环境数据；

控制器读取铱星模块中的GPS信息，获取浮标的当前所在位置信息，添加到所述环境数据，并将添加了位置信息的环境数据发送到铱星模块；

控制器控制铱星模块将添加了位置信息的环境数据发送到网络端。