CN109059876A - 空投式海气界面一体化探测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种空投式海气界面一体化探测装置及其方法，包括自上而下布置的伞舱、探空仪舱和XCTD舱，伞舱内放置有减速伞，顶部为敞口式结构；探空仪舱内配置有用于完成气象要素探测的探空仪，探空仪舱的侧壁具有一个或多个与外界连通的窗口；XCTD舱内配置有用于完成海洋水体要素探测的XCTD，底部为敞口式结构，XCTD通过锁定机构固定在XCTD舱内；还包括能飘浮于海面的通信浮体；通信浮体通过数据线与探空仪和XCTD连接通信，并接收传回的气象要素和X海洋水体要素数据，再通过卫星通信将数据转发至用户。本发明能实现进行空中大气和海洋水体一体化测量，可为无人机海上海气探测、海洋科考等提供创新探测手段，弥补我国在海‑气一体化探测领域仪器的空白。

Description

空投式海气界面一体化探测装置及其方法

技术领域

本发明涉及气象和海洋探测交叉领域，具体涉及一种气象和海洋要素的综合探测装置，主要针对空中2000米以下温压湿要素和1000米以浅海洋水体温盐深要素的探测，为一次性使用装置。

背景技术

目前国内外进行下投式空中气象要素及海洋水体要素剖面探测是分开的两个装备。获取空中气压、温度、湿度、风向风速的主要装备是下投式探空仪，只对大气进行探测，不涉及水体。下投式探空仪我国还处于研制阶段，主要是携带相应的传感器从有人机上高压弹射装置弹射，并通过机载通信设备接收探测数据，使用成本高，环境条件要求严。水体要素的测量主要通过船载发射抛弃式温盐深探头获取，通过船舷发射枪发射，在快速入水过程中通过有线传输海水的温、盐、深测量量，且必须通过船舶走行才能测量，费效比很高，测量区域受限。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能同时进行空中大气和海洋水体一体化测量的轻型抛弃式装置，以实现空中温\压\湿气象要素探测和海洋水体温\盐\深探测的高度集成设备。

本发明的技术方案如下：

一种空投式海气界面一体化探测装置，包括自上而下布置的伞舱、探空仪舱和XCTD舱，

伞舱内放置有减速伞，顶部为敞口式结构；空投式海气界面一体化探测装置在空中被投放时，减速伞从伞舱顶部被拉出并在空气的作用下展开，以携带空投式海气界面一体化探测装置从空中缓慢下降；

探空仪舱内配置有探空仪，探空仪舱的侧壁具有一个或多个与外界连通的窗口；在空投式海气界面一体化探测装置在下降过程中，探空仪通过窗口与外界大气直接接触，以完成气象要素探测；

XCTD舱内配置有XCTD，底部为敞口式结构，XCTD通过锁定机构固定在XCTD舱内；空投式海气界面一体化探测装置在入水后，锁定机构因冲击水压自然释放解锁，XCTD依靠自身重量下潜，以完成海洋水体要素探测；

还包括在空投式海气界面一体化探测装置入水时，能飘浮于海面的通信浮体；通信浮体通过第一数据线与探空仪连接通信，通过第二数据线与XCTD连接通信，且第二数据线在XCTD下潜到预设深度时自动断裂；通信浮体接收探空仪传回的气象要素和XCTD传回的海洋水体要素数据，并通过卫星通信将数据转发至用户。

作为一种优选方案，通信浮体为瓶塞式结构，并塞入XCTD舱的上部；或者通信浮体位于探空仪舱和XCTD舱之间，分别与探空仪舱和XCTD舱固定连接。

作为一种优选方案，通信浮体底部还具有一用于缠绕第二数据线的绕线柱。

作为一种优选方案，探空仪舱包括至少三根竖向布置的结构连接柱；结构连接柱的一端与伞舱的底部固定连接，另一端与XCTD舱或通信浮体的顶部固定连接，以形成至少三个的窗口。

作为一种优选方案，锁定机构包括至少上下两个XCTD支撑件；XCTD支撑件为近似十字架或近似风扇叶片结构，具有一支撑孔和至少三个以支撑孔为中心向处延展的支撑臂；支撑孔位于XCTD支撑件的中心位置，且形状大小与XCTD的头部或尾部相吻合；支撑臂的末端与XCTD舱的内壁相贴合；XCTD的头部和尾部穿设于XCTD支撑件的支撑孔，并通过支撑臂将其卡在XCTD舱中心位置内；在空投式海气界面一体化探测装置在入水后，因冲击水压使其脱离第三舱体内壁与XCTD之间的间隙以实现自然释放解锁。

作为一种优选方案，XCTD的中部为圆柱状结构，头部为子弹头状，尾部具有直径沿头部至尾部方向变大的一段；XCTD支撑件的支撑孔为圆形，其中一个XCTD支撑件卡在XCTD头部，另一个XCTD支撑件卡在尾部直径变化处，以横向支撑并将其固定于XCTD舱内。

作为一种优选方案，XCTD支撑件选用泡沫材料。

作为一种优选方案，探空仪包括第一数据采集处理单元，以及与第一数据采集处理单元电连接的用于气象要素探测的多个传感器；XCTD包括第二数据采集处理单元，以及与第二数据采集处理单元电连接的用于海洋水体要素探测的多个传感器；通信浮体包括存储模块和与存储模块电连接的通信模块；存储模块通过第一数据线与探空仪连接通信，通过第二数据线与第二数据采集处理单元连接通信。

作为一种优选方案，伞舱、探空仪舱和XCTD舱采用增强型硬纸或工程轻型可降解材料制作。

作为一种优选方案，通信浮体的材料为橡木或泡沫。

作为一种优选方案，第二数据线为漆包线。

本发明还公开一种空投式海气界面一体化探测方法，基于具有上述特征的空投式海气界面一体化探测装置；

当空投式海气界面一体化探测装置到达探测海区上空被投放装置投抛时，伞舱内的减速伞从顶部被拉出并在空气的作用下展开，以携带一体化探测装置从空中缓慢下降；

在下降过程中，探空仪舱内的探空仪通过与外界连通的窗口实时采集气象要素并传输给通信浮体存储；

当空投式海气界面一体化探测装置整体落入海水时，通信浮体露出并浮于海面，XCTD舱内的锁定机构因冲击水压自然释放解锁，XCTD脱离XCTD舱并依靠自身重量下潜；XCTD在下潜过程中，实时采集海洋水体要素并传输至通信浮体存储，在下潜到预设深度时第二数据线自动断裂；

数据采集完毕后，通信浮体将存储的气象要素数据和海洋水体要素数据通过卫星通信转发至用户。

本发明具有以下有益效果是：

(1)本发明巧妙的将探空仪和XCTD(温盐深剖面仪)相结合，利用可降解的整圆柱结构，将减速伞、探空仪、通信浮体、XCTD等构成一个整体，一次施放可同时实现空中气象要素与海洋水文信息的测量采集。

(2)该装置是一种能快速获取空中气压、温度、湿度和海洋水体温度、盐度、深度垂直廓线的一体化可抛弃探测装置，可为无人机海上海气探测、海洋科考、科学研究等提供创新探测手段，弥补我国在海-气一体化探测领域仪器的空白，特别是这种一体化装置的设计在国内、国际均为空白。

(3)该装置结构简单轻便、容易加工、便于使用，集成度高，可适用于无人机载投放，实用性强，具有较好的应用前景。

附图说明

图1为实施例中无人机载小型空投式海气界面仪的结构示意图；

图2为实施例中无人机载小型空投式海气界面仪的另一种结构示意图；

图3(a)为图1中aa'截面示意图1；图3(b)为图1中aa'截面示意图2；

图4为具有四个支撑臂的XCTD支撑件的立体结构示意图；

图5为通信浮体的结构示意图；

图6为无人机载小型空投式海气界面仪的电路连接框图；

附图标注：1-伞舱、10-舱体、11-减速伞、12-活动顶盖(图中未示出)、13-底盘，2-探空仪舱、20-舱体、21-探空仪、22-底盘、23-结构连接柱，3-XCTD舱、30-舱体、31-XCTD、32-XCTD支撑件、33-支撑孔、34、支撑臂，4-通信浮体、实心本体41、绕线柱42。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清晰易懂，下面结合具体实施方式，并参阅附图，对本发明所述的无人机载小型空投式海气界面仪(以下简称海气界面仪)进一步解释说明。

如图1所示，实施例中公开一种海气界面仪，其主要包括自上而下依次布置的伞舱1、探空仪舱2和XCTD舱3，以及塞入XCTD舱3上部的通信浮体4。

伞舱1用于放置空投式海气界面仪专用减速伞，其主要由舱体10、活动顶盖12和底盘13构成。舱体10为圆柱体结构，舱体10的底部与底盘13固定连接或一体成形，顶部通过活动顶盖12罩住，为减轻整体重量，底盘13可设计成网格状结构。减速伞11放置于在底盘13上，其包括主伞和伞扣，活动顶盖12上具有一通孔，伞扣部分穿过通孔卡在活动顶盖12内侧，另一部分卡在活动顶盖12外侧。减速伞11折叠后放置于伞舱1内，与通常的降落伞包类似，伞顶的伞扣与无人机或其它投放装置特制的挂钩连接。当海气界面仪被无人机抛弃投放时，伞顶的伞扣连带活动顶盖12被拉开，主伞被拉出伞舱，并在空气作用下自然展开，以保持海气界面仪整体慢速下降。

探空仪舱2用于完成气象要素探测。本实施例中，探空仪舱2的舱体20主要由底盘22和五根结构连接柱23构成，结构连接柱的一端与底盘22固定连接，另一端与伞舱1的底部固定连接，沿底盘22等距离周向排布，从而形一用于放置探空仪21的空间。通过这种柱状支撑结构的设计，一方面形成用于放置探空仪21的舱体20，另一方面又能使探空仪21自带的传感器直接与大气接触，保证了测量的准确性。底盘22上还穿设有用于连接探空仪21和通信浮体4的数据线。

需要说明的是，相邻两根结构连接柱23之间形成一个窗口，这种结构不仅能使内置的探空仪21与外界充分接触，还能准确测量风速，并能减小探空仪舱2的整体重量。当然，结构连接柱23的数量并不限于五根，三根亦可以，只要其一方面保证探空仪21不会从相邻结构连接柱23间的间隙(窗口)飞出，另一方面，结构连接柱23的强度足矣支撑上下所连接物即可。除这种优选的结构外，舱体20也可以直接设计成与伞舱1的舱体10相连接或一体成型的圆柱体结构，只要在舱体20的侧壁上开设可供传感器与外界大气接触的窗口即可，例如，采用均匀排布的格栅结构，或者其它形式的镂空结构，只要满足探空仪21能与外界空气充分接触即可。

XCTD舱3用于完成海洋水体要素探测，主要包括一圆柱形舱体30，舱体30的底部为敞口式结构。舱体30内设有锁定机构32，用于将XCTD 31锁定在舱体30内。

结合图1和图2所示，XCTD的中部为圆柱状结构，头部为子弹头状，尾部具有直径沿头部至尾部方向变大的一段。结合图3和图4所示，锁定机构可以是采用橡木或泡沫等轻质材料制成的具有一定厚度的XCTD支撑件32，并将其作为海气界面仪的附件配置。XCTD支撑件32为近似十字架或近似风扇叶片结构，其具有一圆形支撑孔33和多个以支撑孔33为中心向处延展的支撑臂34；支撑孔33位于XCTD支撑件32的中心，内壁为与XCTD 31的头部或尾部的外壁相贴合；支撑臂34的末端与圆柱形舱体30的内壁相贴合。XCTD支撑件32至少需要两个，一个用于卡住XCTD 31的头部，另一个用于卡住XCTD 31的尾部，并借助与舱体30内壁以及XCTD 31外壁的摩擦力以横向支撑XCTD 31，并将其固定在舱体30内的中心位置。

海气界面仪触水时，由于整体具有一定的落水速度，水从底部冲入舱体30，将XCTD支撑件32冲掉，即锁定机构自然释放解锁，XCTD 31自然滑入水中并依靠自身重量下潜。XCTD 31在下潜过程中，实时测量海水温度、盐度，深度等数据。

需要说明的是，XCTD支撑件32也可以设计成其它类似结构，其主要作用是将XCTD31卡在XCTD舱3内，不让其随意晃动，并在海气界面仪入水后，能通过海水的冲击力将其冲走，从而释放XCTD 31，使其落入水中即可。

通信浮体4主要用于完成有线通信和卫星通信任务，采集和转发获取的气象要素和海洋水体要素。如图5所示，通信浮体4具有分别与探空仪21和XCTD 31有线连接的第一和第二两个信号输入端，以及与通讯卫星无线连接的信号输出端。海气界面仪随减速伞下降过程中，通过第一信号输入端将探空仪21采集到的实时温压湿数据传输至通信浮体4并储存；在到达水面后，通过第二信号输入端将XCTD 31采集到的实时海水温盐深数据传输至通信浮体4并储存；然后由再信号输出端将存储的实时数据统一发送出去，并通过卫星转发至用户。其中，通信浮体4的第一信号输入端与探空仪舱2内的探空仪21采用数据线有线通信；第二信号输入端和XCTD舱3内的XCTD 31之间可采用CTD通信常用的漆包线进行有线通信，该漆包线具有一定强度，在XCTD 31到达水下一定深度时(例如，水下1000米)，自动断裂，此时，XCTD 31完全脱离海气界面仪。

在物理结构设计上，可将通信浮体4设计为与XCTD舱3的舱体30大小相适应的瓶塞式结构，将其塞入XCTD舱3的舱体30的上部，为进一步减轻装置的重量，还可省去探空仪舱2的底盘，将探空仪舱2的的舱体20直接固定在XCTD舱3的顶部或通信浮体4的顶部，将通信浮体4的顶面作为探空仪舱2内放置探空仪21的底盘。

瓶塞式结构的通信浮体4包括实心本体41和固定在实心本体41底部的绕线柱42，实心本体41顶部固定有具有存储和通信功能的电气元件，并用一次性防水胶电气元件密封住。实心本体41采用橡木等轻质材料制作，塞入XCTD舱3的上部，使得通信浮体4和XCTD舱3能漂浮在水面。绕线柱42固定在实心本体41的底部，主要用于缠绕与XCTD 31连接的漆包线，漆包线一端穿设于实心本体41并与顶部的电气元件连接，另一端连接与XCTD 31。在实际应用时，也可以将通信浮体4和XCTD舱3设计成可遇水可分离式连接，只要不影响通信浮体4工作即可。

如图2所示，实施例中示出了一种海气界面仪的另一种结构，该海气界面仪与上述实施例所述的海气界面仪仅在于通信浮体的区别。该结构中，通信浮体4的实心本体41为圆柱形结构，位于探空仪舱2和XCTD舱3中间，上下两端分别与探空仪舱2的底部和XCTD舱3的顶部固定连接。

以上各舱体均可设计成直径相等(10cm)的圆柱状结构，各部分的长度比例如图所示。通过各舱体的连接，使整个装置形成一个整体。舱体一方面可作为一种轻型可承载支撑物连接或固定相关组成部件，同时也是对各组成部件的保护。舱体的材料可选择增强型硬纸或工程轻型可降解材料。

如图6所示，探空仪21主要包括根据测量需求配置的温度、湿度、气压、风向、风速等多个传感器，以及与通信浮体4通信连接的第一数据采集处理单元。XCTD 31主要包括温度、深度、电导等多个传感器，以及与通信浮体4通信连接的第二数据采集处理单元。其中，数据采集处理单元主要用于采集处理各种探测要素进行预处理，形成预设格式数据后，再由通信模块发送。通信浮体4的电气元件主要包括存储器和通信模块(例如，北斗发送)，存储器通过数据线接收由XCTD 31和探空仪21的数据采集处理单元发送的预设格式的探测要素数据，存储后经通信模块发送至用户。

基于上述描述，下面简要说明无人机载小型空投式海气界面仪的工作原理：

当无人机携带小型空投式海气界面仪到达探测海区上空(例如，海拔1000米)时，释放海气界面仪，无人机上的拉钩通过装置自身重力将减速伞11拉开，减速伞11携带整个装置缓缓从空中落下。海气界面仪在空中下落阶段，探空仪21连续采集大气温、压、湿、风要素，有线传输给通信浮体4进行存储；当整体落入海水时，借助通信浮体4所具有的浮力，空投式海气界面仪飘浮于海面，XCTD舱3位于海面以下，海水自XCTD舱3的底部进入，冲击水压使舱内的锁定机构自然释放解锁，XCTD 31逐渐脱离XCTD舱3并依靠自身重量下潜，连续采集水体温、盐、深要素，并通过数据线实时将采集到的水体要素数据传至通信浮体4；当下潜到一定深度时(可根据漆包线的长度确定，例如，深度1000米)，光纤自动断裂，完成水体要素数据采集，最后通信浮体4通过通讯卫星发送所有数据到用户，从而完成整个过程。

综上可见，本发明充分利用系统集成技术、传感器OEM板化技术、各部件模块化设计，把空中要素探测与水体要素探测综合考虑，并利用已具备的无人机技术实现快速、任意区域、低成本的海-气一体化测量，具有十分广阔的应用前景。

以上描述了本发明的主要特征和实施方式。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰都落入本发明的保护范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物。

Claims (10)

1.一种空投式海气界面一体化探测装置，其特征在于：包括自上而下布置的伞舱、探空仪舱和XCTD舱，

所述伞舱内放置有减速伞，顶部为敞口式结构；空投式海气界面一体化探测装置在空中被投放时，减速伞从伞舱顶部被拉出并在空气的作用下展开，以携带空投式海气界面一体化探测装置从空中缓慢下降；

所述探空仪舱内配置有探空仪，探空仪舱的侧壁具有一个或多个与外界连通的窗口；在空投式海气界面一体化探测装置在下降过程中，探空仪通过窗口与外界大气直接接触，以完成气象要素探测；

所述XCTD舱内配置有XCTD，底部为敞口式结构，XCTD通过锁定机构固定在XCTD舱内；空投式海气界面一体化探测装置在入水后，锁定机构因冲击水压自然释放解锁，XCTD依靠自身重量下潜，以完成海洋水体要素探测；

还包括在空投式海气界面一体化探测装置入水时，能飘浮于海面的通信浮体；所述通信浮体通过第一数据线与探空仪连接通信，通过第二数据线与XCTD连接通信，且第二数据线在XCTD下潜到预设深度时自动断裂；通信浮体接收探空仪传回的气象要素和XCTD传回的海洋水体要素数据，并通过卫星通信将数据转发至用户。

2.如权利要求1所述的一体化探测装置，其特征在于：所述通信浮体为瓶塞式结构，并塞入XCTD舱的上部；或者，所述通信浮体位于探空仪舱和XCTD舱之间，分别与探空仪舱和XCTD舱固定连接。

3.如权利要求1所述的一体化探测装置，其特征在于：所述探空仪舱包括至少三根竖向布置的结构连接柱；所述结构连接柱的一端与伞舱的底部固定连接，另一端与XCTD舱或通信浮体的顶部固定连接，以形成至少三个的窗口。

4.如权利要求1所述的一体化探测装置，其特征在于：所述锁定机构包括至少上下两个XCTD支撑件；所述XCTD支撑件具有一支撑孔和至少三个以支撑孔为中心向处延展的支撑臂；所述支撑孔位于XCTD支撑件的中心位置，且形状大小与XCTD的头部或尾部相吻合；所述支撑臂的末端与XCTD舱的内壁相贴合；XCTD的头部和尾部穿设于XCTD支撑件的支撑孔，并通过支撑臂将其卡在XCTD舱中心位置内；在空投式海气界面一体化探测装置在入水后，因冲击水压使其脱离第三舱体内壁与XCTD之间的间隙以实现自然释放解锁。

5.如权利要求4所述的一体化探测装置，其特征在于：所述XCTD支撑件选用泡沫材料。

6.如权利要求1所述的一体化探测装置，其特征在于：所述探空仪包括第一数据采集处理单元，以及与第一数据采集处理单元电连接的用于气象要素探测的多个传感器；所述XCTD包括第二数据采集处理单元，以及与第二数据采集处理单元电连接的用于海洋水体要素探测的多个传感器；所述通信浮体包括存储模块和与存储模块电连接的通信模块；存储模块通过第一数据线与探空仪连接通信，通过第二数据线与第二数据采集处理单元连接通信。

7.如权利要求1所述的一体化探测装置，其特征在于：所述伞舱、探空仪舱和XCTD

舱采用增强型硬纸或工程轻型可降解材料制作。

8.如权利要求1所述的一体化探测装置，其特征在于：所述通信浮体的材料为橡木或泡沫。

9.如权利要求1所述的一体化探测装置，其特征在于：所述第二数据线为漆包线。

10.一种空投式海气界面一体化探测方法，其特征在于：采用如权利要求1至9任意一项所述的空投式海气界面一体化探测装置；

当空投式海气界面一体化探测装置到达探测海区上空被投放装置投抛时，伞舱内的减速伞从顶部被拉出并在空气的作用下展开，以携带一体化探测装置从空中缓慢下降；

在下降过程中，探空仪舱内的探空仪通过与外界连通的窗口实时采集气象要素并传输给通信浮体存储；

当空投式海气界面一体化探测装置整体落入海水时，通信浮体露出并浮于海面，XCTD舱内的锁定机构因冲击水压自然释放解锁，XCTD脱离XCTD舱并依靠自身重量下潜；

XCTD在下潜过程中，实时采集海洋水体要素并传输至通信浮体存储，在下潜到预设深度时第二数据线自动断裂；

数据采集完毕后，通信浮体将存储的气象要素数据和海洋水体要素数据通过卫星通信转发至用户。