CN108007505A - 水下锚泊立体观测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下锚泊立体观测系统，包括依次设置的海面浮台、水下仪器包和锚系底座，所述海面浮台的机械保护支架和锚系底座的机械保护支架上均设有万向节，所述水下仪器包通过水下动态线缆连接海面浮台的万向节，所述水下仪器包还通过水下动态线缆连接锚系底座的万向节，所述水下动态线缆为光电复合缆。本发明的水下锚泊立体观测系统，实现大量数据的实时连续监测、收集和分析，实现垂直水体以及海底物化环境、微生物群落的智能化观测分析；提供了电能和通信传输备份链路，增强了恶劣环境下系统运行的稳定性和可靠性；同时，结构上的改进保证系统在恶劣海况条件下的使用寿命。

Description

水下锚泊立体观测系统
技术领域
本发明涉及海洋装备技术领域，具体涉及一种水下锚泊立体观测系统。
背景技术
海洋监测是研究海洋、开发海洋和利用海洋的基础。海洋发达国家的海洋环境监测历史长达百年以上，美国20世纪80年代就建立了全国永久性的海洋立体监测系统，英国、德国、日本、加拿大等国家也都在其邻近有利害关系的海区及大洋布设了以岸基监测站和浮标为主的海洋监测系统。当前世界各国正不断采用最先进的海洋监测仪器，利用岸基站、船舶、卫星、浮标、雷达等多种监测手段对海洋环境进行高效率、全方位、立体化、全覆盖、网络化的海洋监测。海洋浮标作为一种新兴的现代化海洋监测技术，逐步受到各海洋国家的重视和利用，相比其他监测手段，海洋浮标可在恶劣的海洋环境条件下和浮标工作寿命时间内，对海洋环境进行自动、连续、长期的同步监测。
现有观测锚系主要以传统式浮标为主，其关键系统结构为：表层简易采样平台，浮标底端采用配重锚块(无搭载任何传感器)，采样平台和配重锚块采用全金属锚链连接。由于该系统的各部分采用全金属锚链连接在一起，不能搭载垂直水体观测传感器，无法实现水体的分层观测功能，不能抵抗海流所带来的动态应力对于浮标系统的疲劳损伤。浮标底部采用配重锚块，无搭载任何观测仪器，无法实现海底生态环境以及物化参数的观测及分析。
发明内容
本发明提供一种水下锚泊立体观测系统，实现大量数据的实时连续监测、收集和分析，实现垂直水体以及海底物化环境、微生物群落的智能化观测分析；提供了电能和通信传输备份链路，增强了恶劣环境下系统运行的稳定性和可靠性；同时，结构上的改进保证系统在恶劣海况条件下的使用寿命。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水下锚泊立体观测系统，包括依次设置的海面浮台、水下仪器包和锚系底座，所述海面浮台的机械保护支架和锚系底座的机械保护支架上均设有万向节，所述水下仪器包通过水下动态线缆连接海面浮台的万向节，所述水下仪器包还通过水下动态线缆连接锚系底座的万向节，所述水下动态线缆为光电复合缆。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述锚系底座的功能单元还通过所述水下动态线缆连接至海底观测网节点。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述海面浮台的功能单元水密安装在海面浮台机械保护支架内，所述海面浮台的功能单元包括气象站模块、太阳能发电模块或/和风力发电模块、GPS模块、传感器模块和接驳盒腔体。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述接驳盒腔体内设有电力转换存储和分配模块、通信模块、电能监控模块、内部环境监测模块、故障诊断隔离模块、授时模块；
所述电力转换和分配模块将传输来的或者发电的电能进行转换，并通过主控电路分配电能供给接驳盒腔体内其它功能模块；
所述传感器模块采集信息后经所述通信模块传输；
所述电能监控模块实时监测接驳盒腔体内各功能模块的供电状态；
所述内部环境监测模块用于监控接驳盒腔体内部环境；
所述故障诊断隔离模块用于实时诊断接驳盒腔体内各功能模块，出现接地故障时通过所述故障诊断隔离模块切断故障的功能模块；
所述授时模块用于导航定位、通讯、系统的管理和协调、电力传输中的故障检测。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述水下仪器包的功能单元水密封安装在水下仪器包的机械保护支架内，所述水下仪器包的机械保护支架上设有配重浮体，所述水下仪器包的功能单元包括集成式传感器和数据采集腔体。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述数据采集腔体内设有电能转换模块、数据采集转化及存储模块、内部环境监测模块、故障诊断隔离模块、授时模块；
所述电能转换模块将传输来的或者发电的电能进行转换，供给数据采集腔体内各功能模块；
所述数据采集转化及存储模块均将集成式传感器采集到的信号转换为以太网数据信号，并存储在缓存中进行传输收发；
所述内部环境监测模块用于监控数据采集腔体内部环境；
所述故障诊断隔离模块用于实时诊断接驳盒腔体内各功能模块，出现接地故障时通过所述故障诊断隔离模块切断故障的功能模块；
所述授时模块用于导航定位、通讯、系统的管理和协调、电力传输中的故障检测。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括数据采集腔体内的各功能模块均集成在集成电路板上。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述锚系底座的功能单元水密封安装在锚系底座机械保护支架内，所述锚系底座功能单元包括主功能腔体、水下不间断电源、光电分离器和多功能参数传感器，所述光电分离器通过密封腔体进行物理分离，分离后通过水密接插件与锚系底座的主功能腔体连接。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述主功能腔体内设有主控制模块、电源转换模块、环境监测模块、负载监控模块、数据采集模块、故障检测模块和授时模块；
所述电源转换模块将输入的高压电源转换为所需要的低压电源，进行内部功能模块供电和输出负载；
所述环境监测模块通过温湿度传感器和压力传感器对物化数据进行采集和分析，实时监控主功能腔体的内部环境；
所述负载监控模块采集负载电压电流、接地电流和各个继电器的开关状态，反馈至主控制模块，通过主控制模块判断负载的异常状况；
所述数据采集模块通过采集板电路采集并存储环境数据，通过A/D转换后传输至主控制模块；
所述故障检测隔离模块采集故障点的电压电流信号，经过A/D转换后送到主控制模块，经主控制模块处理分析，判断过压、过流、过温和接地故障，再通过功能元器件切断并隔离故障模块；
所述授时模块用于导航定位、通讯、系统的管理和协调、电力传输中的故障检测。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述多功能参数传感器包括声学多普勒单点/剖面流速仪、多参数温盐深仪、溶解氧传感器、叶绿素传感器、水下摄像机中的一种或者多种。
其一、本发明的水下锚泊立体观测系统，能够实现大量数据的实时连续监测、收集和分析，实现垂直水体以及海底物化环境、微生物群落的智能化观测分析。
其二、海面浮台和锚系底座的结构连接部分均安装万向节，为水下动态线缆连接到海面浮台和锚系底座上提供过渡连接点，同时让水下动态线缆与海面浮台隔离式连接、水下动态线缆与锚系底座隔离式连接，减小水下动态线缆和锚系底座受到的海流扰动，保证系统在恶劣海况条件下的使用寿命和稳定性。
其三、由水下动态线缆连接的海面浮台、水下仪器包和锚系底座，并配合万向节，使得水下仪器包上能够搭载垂直水体观测传感器，实现水体的分层观测，足以抵抗海流所带来的动态应力对浮标系统的疲劳损伤。
附图说明
图1是本发明优选实施例中观测系统的结构示意图；
图2是图1观测系统中海面浮台的结构示意图；
图3是图1观测系统中水下仪器包的结构示意图；
图4是图1观测系统锚系底座的结构示意图；
图5是隐去盖板后锚系底座的结构示意图。
其中：2-海面浮台，4-水下仪器包，6-锚系底座，14-万向节，16-水下动态线缆，18-配重块，20-上表面支架，22-浮筒，24-下底面支架，26-仪器搭载舱架，28-支撑隔板，30-配重浮体，32-光电分离器，34-固定槽支架，36-主功能腔体，38-不间断电源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例
如图1-4所示，本实施例公开了一种水下锚泊立体观测系统，包括依次设置的海面浮台2、水下仪器包4和锚系底座6，上述海面浮台2的机械保护支架和锚系底座6的机械保护支架上均设有万向节14，上述水下仪器4包通过水下动态线缆16接在海面浮台2的万向节14上，上述水下仪器包4还通过水下动态线缆16连接在锚系底座6的万向节14上，上述锚系底座6通过水下动态线缆16连接至海底观测网节点，上述水下动态线缆16为光电复合缆。
水下动态线缆16本身具有可随意弯曲、伸缩的特性，由水下动态线缆16连接的海面浮台2、水下仪器包4和锚系底座6，并配合万向节14，使得水下仪器包4上能够搭载垂直水体观测传感器，实现水体的分层观测，足以抵抗海流所带来的动态应力对浮标系统的疲劳损伤。
根据实际使用环境，水下仪器包4可以是一个或者多个，多个水下仪器包4之间也通过水下动态线缆16连接，实现垂直水体的多层分层观测。
以上，海面浮台2、水下仪器包4和锚系底座6三者均包括结构单元和功能单元，各功能单元安装在对应的结构单元内，并根据各自所在的位置做相应的水密处理。
具体的，如图2所述，上述海面浮台的结构单元包括浮筒22、上表面支架20、下底面支架24和万向节14，上述海面浮台2的功能单元水密安装在海面浮台机械保护支架内；上述海面浮台的功能单元包括气象站模块、太阳能发电模块或/和风力发电模块、GPS模块、传感器模块和接驳盒腔体。气象站模块、太阳能板发电模块、风力发电模块、GPS模块等固定在上表面支架20上，各类传感器模块固定在下底面支架24上并且可根据观测需求调节种类，各类仪器设备通过内部水密连接缆线与接驳盒腔体互相连接，通过接驳盒腔体统一控制采集数据，最后通过水下动态线缆16与水下仪器包4和锚系底座6进行通信。
上述接驳盒腔体内设有电力转换存储和分配模块、通信模块、电能监控模块、内部环境监测模块、故障诊断隔离模块、授时模块。
上述电力转换和分配模块将传输来的或者发电的电能进行转换，并通过主控电路分配电能供给接驳盒腔体内其它功能模块；
上述传感器模块采集信息后经上述通信模块传输；
上述电能监控模块实时监测接驳盒腔体内各功能模块的供电状态，确保所有功能正常运行；
上述内部环境监测模块用于监控接驳盒腔体内部环境，确保所有功能模块工作在适宜的物化环境范围内。
上述故障诊断隔离模块用于实时诊断接驳盒腔体内各功能模块，出现接地故障时通过上述故障诊断隔离模块切断故障的功能模块，保护其他功能模块接口正常工作，并及时定位，便于后续维修。
上述授时模块通过对时间和频率标准器之间进行准确比对及量值传递，用于导航定位、通讯、系统的管理和协调、电力传输中的故障检测。
如图3所示，上述水下仪器包4的结构单元包括配重浮体30、仪器搭载舱架26和支撑隔板28；上述水下仪器包2的功能单元水密封安装在水下仪器包的机械保护支架内，同时利用配重浮体30以及浮力块形成倒S的结构，能够很好的适应海面大风浪对整体悬浮式结构造成的影响，提高系统可靠性；并且该水下仪器包4可根据观测需求，进行多层布放，定深观测的设定。
上述水下仪器包2的功能单元包括集成式传感器和数据采集腔体，上述数据采集腔体内设有电能转换模块、数据采集转化及存储模块、内部环境监测模块、故障诊断隔离模块、授时模块，数据采集腔体内的各功能模块均集成在集成电路板上，集成电路板固定在数据采集腔体内的散热支架上。
上述电能转换模块将传输来的或者发电的电能进行转换，供给数据采集腔体内各功能模块；
上述数据采集转化及存储模块均将集成式传感器采集到的信号转换为以太网数据信号，并存储在缓存中进行传输收发；
上述内部环境监测模块用于监控数据采集腔体内部环境，确保所有功能模块工作在适宜的物化环境范围内；
上述故障诊断隔离模块用于实时诊断接驳盒腔体内各功能模块，出现接地故障时通过上述故障诊断隔离模块切断故障的功能模块，保护其他功能模块接口正常工作，并及时定位，便于后续维修；
上述授时模块通过对时间和频率标准器之间进行准确比对及量值传递，用于导航定位、通讯、系统的管理和协调、电力传输中的故障检测。
如图4、5所示，上述锚系底座6的结构单元包括固定槽支架34、基座框架和万向节14；上述锚系底座4的功能单元水密封安装在锚系底座机械保护支架内，上述锚系底座功能单元包括主功能腔体、水下不间断电源、光电分离器和多功能参数传感器，主功能腔体、水下不间断电源、光电分离器、多功能参数传感器通过机械固定方式集成在一起，并相互之间通过水密接插件互联，实现系统的数据采集以及统一控制。上述光电分离器通过密封腔体进行物理分离，分离后通过水密接插件与锚系底座的主功能腔体连接。
述主功能腔体内设有主控制模块、电源转换模块、环境监测模块、负载监控模块、数据采集模块、故障检测模块和授时模块；
上述电源转换模块将输入的高压电源转换为所需要的低压电源，进行内部功能模块供电和输出负载；
上述环境监测模块通过温湿度传感器和压力传感器对物化数据进行采集和分析，实时监控主功能腔体的内部环境；
上述负载监控模块采集负载电压电流、接地电流和各个继电器的开关状态，反馈至主控制模块，通过主控制模块判断负载的异常状况；
上述数据采集模块通过采集板电路采集并存储环境数据，通过A/D转换后传输至主控制模块；
上述故障检测隔离模块采集故障点的电压电流信号，经过A/D转换后送到主控制模块，经主控制模块处理分析，判断过压、过流、过温和接地故障，再通过功能元器件切断并隔离故障模块；
上述授时模块用于导航定位、通讯、系统的管理和协调、电力传输中的故障检测。
上述多功能参数传感器包括声学多普勒单点/剖面流速仪、多参数温盐深仪、溶解氧传感器、叶绿素传感器、水下摄像机中的一种或者多种。
本发明的系统整体通过水下动态线缆进行电能供应和信息传输，观测网节点形成系统运行的主要电能来；当就近的观测网节点宕机时，整个系统利用自带的UPS(不间断电源)以及海绵浮台的风力发电、太阳能发电设备维持系统低功率模式的正常运行(维持重要传感器设备的工作状况)，通过卫星维持基本的通信状态，发回故障信息和重要传感器数据，以此来提供电能和通信传输备份链路，增强了恶劣环境下系统运行的稳定性和可靠性。
本发明的海绵浮台、水下仪器包和锚系底座都能用于监测水体的物化参数。其中，海面浮台主要功能是监测海面上以及水体表层的物化参数，同时兼具电能和通信备份的能力；水下仪器包可以布防在不同水层，监测不同水层水体的物化参数；锚系底座则是整个系统的核心，不仅监测海底附近的物化参数，同时负责整个系统的电能分配以及通信处理以及系统的故障监测处理等功能，此外接入附近的观测网节点，通过其供给电能以及与岸端进行通信；通过动态的光电复合缆链接海面浮台、不同水层之间的水下仪器包以及锚系底座，对每个部分的传感器进行供电，同时将传感器采集的信号进行传输。
另，传统式浮标，仅仅通过风力和太阳能加上电池储能进行能源供应，抗天气干扰能力较差，有时还需要经常更换电池组。此外由于浮标体积限制等诸多原因，这种供电模式所提供的功率大小有限，搭载的传感器数量受限，而且通信只能依赖卫星通信。卫星通信带宽昂贵，因此不可能进行大量高速的数据通信，这种通信模式也同样受制于气象环境。
现有的先进的立体观测系统，将锚系底座接入附近观测网节点，可以将观测网节点所提供的稳定电能用于整个立体观测系统中，利用水下动态光电复合缆对整个立体观测系统进行能源供应和通信传输；相比传统的带宽小通信速率低的卫星通信，所采用的光电复合缆中的光纤通信方式则能够大大提高系统的通信容量和通信速率；而通过有缆传输的方式所提供的功率也比海面浮台发电所取得的功率远远大得多。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种水下锚泊立体观测系统，其特征在于：包括依次设置的海面浮台、水下仪器包和锚系底座，所述海面浮台的机械保护支架和锚系底座的机械保护支架上均设有万向节，所述水下仪器包通过水下动态线缆连接海面浮台的万向节，所述水下仪器包还通过水下动态线缆连接锚系底座的万向节，所述水下动态线缆为光电复合缆。
2.如权利要求1所述的水下锚泊立体观测系统，其特征在于：所述锚系底座的功能单元还通过所述水下动态线缆连接至海底观测网节点。
3.如权利要求1所述的水下锚泊立体观测系统，其特征在于：所述海面浮台的功能单元水密安装在海面浮台机械保护支架内，所述海面浮台的功能单元包括气象站模块、太阳能发电模块或/和风力发电模块、GPS模块、传感器模块和接驳盒腔体。
4.如权利要求3所述的水下锚泊立体观测系统，其特征在于：所述接驳盒腔体内设有电力转换存储和分配模块、通信模块、电能监控模块、内部环境监测模块、故障诊断隔离模块、授时模块；
所述电力转换和分配模块将传输来的或者发电的电能进行转换，并通过主控电路分配电能供给接驳盒腔体内其它功能模块；
所述传感器模块采集信息后经所述通信模块传输；
所述电能监控模块实时监测接驳盒腔体内各功能模块的供电状态；
所述内部环境监测模块用于监控接驳盒腔体内部环境；
所述故障诊断隔离模块用于实时诊断接驳盒腔体内各功能模块，出现接地故障时通过所述故障诊断隔离模块切断故障的功能模块；
所述授时模块用于导航定位、通讯、系统的管理和协调、电力传输中的故障检测。
5.如权利要求1所述的水下锚泊立体观测系统，其特征在于：所述水下仪器包的功能单元水密封安装在水下仪器包的机械保护支架内，所述水下仪器包的机械保护支架上设有配重浮体，所述水下仪器包的功能单元包括集成式传感器和数据采集腔体。
6.如权利要求5所述的水下锚泊立体观测系统，其特征在于：所述数据采集腔体内设有电能转换模块、数据采集转化及存储模块、内部环境监测模块、故障诊断隔离模块、授时模块；
所述电能转换模块将传输来的或者发电的电能进行转换，供给数据采集腔体内各功能模块；
所述数据采集转化及存储模块均将集成式传感器采集到的信号转换为以太网数据信号，并存储在缓存中进行传输收发；
所述内部环境监测模块用于监控数据采集腔体内部环境；
所述故障诊断隔离模块用于实时诊断接驳盒腔体内各功能模块，出现接地故障时通过所述故障诊断隔离模块切断故障的功能模块；
所述授时模块用于导航定位、通讯、系统的管理和协调、电力传输中的故障检测。
7.如权利要求6所述的水下锚泊立体观测系统，其特征在于：数据采集腔体内的各功能模块均集成在集成电路板上。
8.如权利要求1所述的水下锚泊立体观测系统，其特征在于：所述锚系底座的功能单元水密封安装在锚系底座机械保护支架内，所述锚系底座功能单元包括主功能腔体、水下不间断电源、光电分离器和多功能参数传感器，所述光电分离器通过密封腔体进行物理分离，分离后通过水密接插件与锚系底座的主功能腔体连接。
9.如权利要求8所述的水下锚泊立体观测系统，其特征在于：所述主功能腔体内设有主控制模块、电源转换模块、环境监测模块、负载监控模块、数据采集模块、故障检测模块和授时模块；
所述电源转换模块将输入的高压电源转换为所需要的低压电源，进行内部功能模块供电和输出负载；
所述环境监测模块通过温湿度传感器和压力传感器对物化数据进行采集和分析，实时监控主功能腔体的内部环境；
所述负载监控模块采集负载电压电流、接地电流和各个继电器的开关状态，反馈至主控制模块，通过主控制模块判断负载的异常状况；
所述数据采集模块通过采集板电路采集并存储环境数据，通过A/D转换后传输至主控制模块；
所述故障检测隔离模块采集故障点的电压电流信号，经过A/D转换后送到主控制模块，经主控制模块处理分析，判断过压、过流、过温和接地故障，再通过功能元器件切断并隔离故障模块；
所述授时模块用于导航定位、通讯、系统的管理和协调、电力传输中的故障检测。
10.如权利要求8所述的水下锚泊立体观测系统，其特征在于：所述多功能参数传感器包括声学多普勒单点/剖面流速仪、多参数温盐深仪、溶解氧传感器、叶绿素传感器、水下摄像机中的一种或者多种。
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