CN109737925B - 一种分体抛载式海洋边界层观测设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种分体抛载式海洋边界层观测设备，包括母体、子体和重块，母体和子体之间以及母体和重块之间均采用可分离式连接；所述母体包括母体天线、母体GPS模块、主电池包、压力传感器和主控单元；所述子体包括子体天线、子体GPS模块、测量传感器组、数据采集存储模块和副电池包；所述母体和子体之间通过可分离单元连接，母体和重块之间通过抛载单元连接，可分离单元和抛载单元均与主控单元控制连接。本发明可自下而上测量海洋边界层环境数据，实现了海气界面的稳定运行观测，同时分体式结构缩小了传感器载体体积，降低了仪器本身对海洋环境数据的影响，提高观测数据的可信度，另外母体抛载后可上浮回收，降低了海洋环境观测成本。

Description

一种分体抛载式海洋边界层观测设备及方法

技术领域

本发明涉及海洋边界层观测领域，具体地说是涉及一种分体抛载式海洋边界层观测设备及方法。

背景技术

海气边界层为海面至海面以下十几米至几十米不等，海气边界层的海洋环境数据测取难度大，有以下三个原因：

1)海气边界层海洋环境复杂，传感器载体受海面波浪影响大，难以测得真实海洋环境数据；

2)传统剖面仪采取自上而下的测取方案，即将载有传感器的仪器从海面以上放入水中，传感器载体开始运行，测取海洋环境数据，在此过程中，载体初始运行状态不稳定，造成测量数据误差；

3)往复式剖面仪结构复杂，体积庞大，较容易影响周围海洋环境数据，造成测量误差；尤其是仪器入水时，海气边界层原始环境数据被破坏，难以测得海气边界层海洋环境数据真值。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种分体抛载式海洋边界层观测设备及方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种分体抛载式海洋边界层观测设备，包括母体、子体和重块，母体和子体之间以及母体和重块之间均采用可分离式连接；

所述母体包括母体天线、母体GPS模块、主电池包、压力传感器和主控单元，所述母体GPS模块、主电池包和主控单元密封于母体耐压舱内，母体天线布置在母体耐压舱的顶部，母体天线与GPS模块连接，压力传感器设置在母体耐压舱上，且与主控单元连接；

所述子体包括子体天线、子体GPS模块、测量传感器组、数据采集存储模块和副电池包，子体GPS模块、数据采集存储模块和副电池包密封于子体耐压舱内，子体天线和测量传感器组均布置在子体耐压舱的顶部，测量传感器组与数据采集存储模块连接，测量传感器组和数据采集存储模块均与副电池包连接；

所述母体和子体之间通过可分离单元连接，母体和重块之间通过抛载单元连接，可分离单元和抛载单元均与主控单元控制连接。

优选的，该观测设备整体呈流线型，在母体耐压舱的外侧设置有凹槽，所述凹槽沿母体耐压舱的长度方向布设，所述子体嵌入凹槽内，子体呈细长流线型。

优选的，所述重块布置在母体的底部，重块呈倒锥形，与母体同轴心。

优选的，所述子体设置多个，多个子体沿母体的轴向均匀分布。

优选的，所述可分离单元和抛载单元采用电磁控制方式进行分离和抛载，或采用低强度脆性空心材料连接进行分离和抛载。

一种分体抛载式海洋边界层观测方法，采用上述的观测设备，具体步骤如下：

1)下潜：观测设备整体重力大于浮力，投放后受重力自然下潜，下潜阶段不采集海洋环境数据；

2)分体：母体的主控单元将压力传感器测得的压力值转换为深度值，当下潜至目标深度后，可分离单元释放子体，子体浮力大于重力，受浮力自由上浮，经过短暂上浮运动，子体进入稳定运行状态，当子体进入海气边界层，传感器组采集海洋环境数据，最终子体天线浮出水面传出数据并发出回收信号；

3)抛载：在释放子体后，抛载单元抛弃重块，此时母体浮力大于重力，自由上浮，最终母体天线浮出水面，发出回收信号；

4)回收：工作人员接收到子体和母体的定位信号，回收设备。

上述方法中，可分离单元和抛载单元采用电磁控制方式进行分离和抛载，过程如下：实时通过压力传感器测得压力信号并转换为深度值，当达到设定深度后，触发电磁铁断电信号，电磁铁断电，分别实现分离功能和抛载功能；采用低强度脆性空心材料连接进行分离和抛载，过程如下：采用低强度脆性空心材料，随着仪器的下潜，压力不断升高，当压力达到脆性材料的耐压极限时，材料崩坏，实现分体和抛载功能。

本发明的有益技术效果是：

1、本发明采用自下而上的观测方法，母体携带传感器子体受重力作用自由下潜，待达到目的观测深度后，释放携带传感器的子体，子体浮力大于重力，自由上浮，同时观测海洋环境数据，上浮至海气边界层时，必定达到稳定运行状态，可测得海气边界层的海洋环境数据，数据测量真实，误差小；

2、本发明采用分体式设计，子体仅搭载所需传感器组、GPS模块、天线及为提供能源的小块电池，总体体积小，在受浮力上升观测过程中，对海洋环境数据影响小，提高观测数据的可信度。

3、母体释放子体后，抛载上浮，可实现回收，降低观测成本。

4、根据观测需要，可自由配备传感器组种类，子体数量，方便灵活。

5、仪器整体呈流线型，水阻小，分体后，母体和子体各自呈流线型，各自运行水阻小。

总结来说，本发明可以实现自下而上的海气边界层的观测，进入海气边界层时子体运行平稳，而且子体的体积小，对海洋环境数据的影响小，整体上提高了海气界面层观测数据的可信度。

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为本发明海洋边界层观测设备的结构示意图；

图2为图1的局部放大图；

图3为本发明海洋边界层观测设备的母体结构原理示意图；

图4为本发明海洋边界层观测设备的子体结构原理示意图；

图5为本发明分离过程示意图。

具体实施方式

结合附图，一种分体抛载式海洋边界层观测设备，包括母体1、子体2和重块3，母体1和子体2之间以及母体1和重块3之间均采用可分离式连接。所述母体1包括母体天线11、母体GPS模块12、主电池包13、压力传感器14和主控单元15，所述母体GPS模块12、主电池包13和主控单元15密封于母体耐压舱16内，母体GPS模块、压力传感器和主控单元均与主电池包连接。母体天线11布置在母体耐压舱16的顶部，母体天线11与GPS模块12连接，压力传感器14设置在母体耐压舱上，且与主控单元15连接。所述子体2包括子体天线21、子体GPS模块22、测量传感器组23、数据采集存储模块24和副电池包25，子体GPS模块22、数据采集存储模块24和副电池包25密封于子体耐压舱26内，子体天线21和测量传感器组23均布置在子体耐压舱26的顶部。测量传感器组23(在附图中示出包含4个传感器，如可包含必要的温度传感器、压力传感器、湍流传感器等)与数据采集存储模块24连接，测量传感器组23和数据采集存储模块24均与副电池包25连接。所述母体和子体之间通过可分离单元连接，母体和重块之间通过抛载单元连接，可分离单元和抛载单元均与主控单元控制连接。

压力传感器14测得压力值传递给主控单元15，主控单元15将压力值换算为深度值，当深度值达到设定值时，主控单元先后给分离单元和抛载单元(此处为电磁铁方案)发送断电信号，实现分离和抛载功能。抛载上浮后，母体GPS模块通过母体天线发送定位信号。

子体顶端的测量传感器组23由副电池包25供电，传感器组的测量数据由数据采集存储模块24中的采集卡测取后存储在TF卡中。子体浮出水面后，子体GPS模块22通过子体天线21发出定位信号。其中，副电池包25及数据采集存储模块24安置于子体耐压舱26的底部，尽量拉低子体重心，保证子体上浮阶段传感器组朝向正上方。

本发明可自下而上测量海洋边界层环境数据，实现了海气界面的稳定运行观测，同时分体式结构缩小了传感器载体体积，降低了仪器本身对海洋环境数据的影响，提高观测数据的可信度，另外母体抛载后可上浮回收，降低了海洋环境观测成本。

该观测设备整体呈流线型，在母体耐压舱的外侧设置有凹槽17，所述凹槽沿母体耐压舱的长度方向布设，所述子体嵌入母体侧方凹槽内，子体呈细长流线型。所述子体可设置多个，多个子体沿母体的轴向均匀分布。所述重块3布置在母体的底部，重块呈倒锥形，与母体同轴心。仪器整体呈流线型，水阻小，分体后，母体和子体各自呈流线型，各自运行水阻小。

上述可分离单元和抛载单元采用电磁控制方式进行分离和抛载，以母体和子体的分离为例，可分离单元包括安装在母体上的电磁铁41和安装在子体上的磁铁块42，电磁铁41的通断电由母体内部的主控单元15进行控制。抛载时，电磁铁41持续通电并与磁铁块42相吸引，母体携带子体，下潜过程中实时通过压力传感器测得压力信号并经主控单元15转换为深度值，当达到设定深度后，触发电磁铁断电信号，电磁铁41断电，母体和子体分离。

相应的，母体和重块之间的抛载单元也可选用电磁控制方式，抛载单元包括电磁铁43，电磁铁43通过导线和开关与电源形成回路，开关由主控单元15控制，重块采用铁质材料制成，下潜过程中实时通过压力传感器测得压力信号并经主控单元15转换为深度值，当达到设定深度后，触发电磁铁断电信号，电磁铁43断电，母体抛载重块，随后在自身浮力作用下上浮至海面。

当然，上述可分离单元和抛载单元也可采用纯机械式方式控制，如母体和子体之间，以及母体和重块之间均通过低强度脆性空心材料连接，如不同厚度的玻璃管可承受不同的水深压力，随着仪器的下潜，压力不断升高，当压力达到脆性材料的耐压极限时，材料崩坏，实现分体和抛载功能。

一种分体抛载式海洋边界层观测方法，采用上述的观测设备，具体步骤如下：

1)下潜：观测设备(母体1、子体2和重块3)整体重力大于浮力，投放后受重力自然下潜，下潜阶段不采集海洋环境数据。

2)分体：母体的主控单元将压力传感器测得的压力值转换为深度值，当下潜至目标深度后，可分离单元释放子体，子体浮力大于重力，受浮力自由上浮，经过短暂上浮运动，子体进入稳定运行状态，当子体进入海气边界层，传感器组采集海洋环境数据，并通过数据采集存储模块24进行存储，最终子体天线浮出水面传出数据并发出回收信号。

3)抛载：在释放子体后，抛载单元抛弃重块，此时母体浮力大于重力，自由上浮，最终母体天线浮出水面，发出回收信号。

4)回收：工作人员接收到子体和母体的定位信号，回收设备。

上述步骤中，可分离单元和抛载单元采用电磁控制方式进行分离和抛载，过程如下：实时通过压力传感器测得压力信号并转换为深度值，当达到设定深度后，触发电磁铁断电信号，电磁铁断电，分别实现分离功能和抛载功能。采用低强度脆性空心材料连接进行分离和抛载，过程如下：采用低强度脆性空心材料，随着仪器的下潜，压力不断升高，当压力达到脆性材料的耐压极限时，材料崩坏，实现分体和抛载功能。

本发明通过重力下放，到达目标观测深度后分体上浮，并在此稳定运行阶段进行海气边阶层海洋环境数据的观测，该方法有效解决了由于传感器搭载平台在海气边界层运行不稳定及体积较大影响海洋环境数据等导致的传感器测量海洋环境数据不真的问题。

上述方式中未述及的部分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，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种分体抛载式海洋边界层观测方法，其特征在于，所述观测方法采用分体抛载式海洋边界层观测设备，所述观测设备包括母体、子体和重块，母体和子体之间以及母体和重块之间均采用可分离式连接；所述母体包括母体天线、母体GPS模块、主电池包、压力传感器和主控单元，所述母体GPS模块、主电池包和主控单元密封于母体耐压舱内，母体天线布置在母体耐压舱的顶部，母体天线与GPS模块连接，压力传感器设置在母体耐压舱上，且与主控单元连接；所述子体包括子体天线、子体GPS模块、测量传感器组、数据采集存储模块和副电池包，子体GPS模块、数据采集存储模块和副电池包密封于子体耐压舱内，子体天线和测量传感器组均布置在子体耐压舱的顶部，测量传感器组与数据采集存储模块连接，测量传感器组和数据采集存储模块均与副电池包连接；所述母体和子体之间通过可分离单元连接，母体和重块之间通过抛载单元连接，可分离单元和抛载单元均与主控单元控制连接；所述观测方法步骤如下：

1)下潜：观测设备整体重力大于浮力，投放后受重力自然下潜，下潜阶段不采集海洋环境数据；

2)分体：母体的主控单元将压力传感器测得的压力值转换为深度值，当下潜至目标深度后，可分离单元释放子体，子体浮力大于重力，受浮力自由上浮，经过短暂上浮运动，子体进入稳定运行状态，当子体进入海气边界层，传感器组采集海洋环境数据，最终子体天线浮出水面传出数据并发出回收信号；

3)抛载：在释放子体后，抛载单元抛弃重块，此时母体浮力大于重力，自由上浮，最终母体天线浮出水面，发出回收信号；

4)回收：工作人员接收到子体和母体的定位信号，回收设备。

2.根据权利要求1所述的一种分体抛载式海洋边界层观测方法，其特征在于：可分离单元和抛载单元采用电磁控制方式进行分离和抛载，过程如下：实时通过压力传感器测得压力信号并转换为深度值，当达到设定深度后，触发电磁铁断电信号，电磁铁断电，分别实现分离功能和抛载功能；

采用低强度脆性空心材料连接进行分离和抛载，过程如下：采用低强度脆性空心材料，随着仪器的下潜，压力不断升高，当压力达到脆性材料的耐压极限时，材料崩坏，实现分体和抛载功能。

3.根据权利要求1所述的一种分体抛载式海洋边界层观测方法，其特征在于：该观测设备整体呈流线型，在母体耐压舱的外侧设置有凹槽，所述凹槽沿母体耐压舱的长度方向布设，所述子体嵌入凹槽内，子体呈细长流线型。

4.根据权利要求1所述的一种分体抛载式海洋边界层观测方法，其特征在于：所述重块布置在母体的底部，重块呈倒锥形，与母体同轴心。

5.根据权利要求1所述的一种分体抛载式海洋边界层观测方法，其特征在于：所述子体设置多个，多个子体沿母体的轴向均匀分布。

6.根据权利要求1所述的一种分体抛载式海洋边界层观测方法，其特征在于：所述可分离单元和抛载单元采用电磁控制方式进行分离和抛载，或采用低强度脆性空心材料连接进行分离和抛载。

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