CN109974669A - 一种抛载式海洋边界层立体观测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种抛载式海洋边界层立体观测装置，包括传感器组、传感器平台、浮体、载体和抛载机构；所述载体包括耐压舱，耐压舱呈流线型，在耐压舱上设置有压力传感器，在耐压舱的内部设置有主控单元和电池单元；所述传感器平台设置在耐压舱的顶部，在传感器平台上布置有若干个圆孔通道，所有圆孔通道呈矩阵式排布；所述传感器组固定于传感器平台上，构成矩阵式，以进行立体化观测。所述探测传感器、抛载机构、定位及通讯装置和压力传感器均与主控单元连接，主控单元与电池单元连接。本发明对边界层采用由下至上的观测模式，保证测量数据的准确性、可靠性。测量采用传感器矩阵的形式，可以实现立体化观测。

Description

一种抛载式海洋边界层立体观测装置及方法

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抛载式海洋边界层立体观测装置及方法。

背景技术

海洋与大气之间的能量、物质交换影响着全球水循环、生物地球化学循环和能量循环，对全球环境、气候及生态平衡有着重要作用。海气界面近水体边界层是海气相互作用研究的重要组成部分，这其中包含很多复杂的物理过程，化学过程，同时也是众多海洋生物聚集的区层。

目前，对海气界面近水体边界层的观测主要是靠浮标和船载走航观测。其中，浮标主要有锚定标、漂流浮标等；走航主要是船载，特别是走航方式，观测时间十分有限，极易受天气影响，且完成远海观测十分不易，观测机动性存在局限，难以研究海洋在不同尺度上的时空变化，且观测数据容易受到船体等干扰。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种抛载式海洋边界层立体观测装置及方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种抛载式海洋边界层立体观测装置，包括传感器组、传感器平台、浮体、载体和抛载机构；

所述载体包括耐压舱，耐压舱呈流线型，在耐压舱上设置有压力传感器，在耐压舱的内部设置有主控单元和电池单元；

所述浮体设置在耐压舱的上部外侧，抛载机构设置在耐压舱的底部；

所述传感器平台设置在耐压舱的顶部，耐压舱的伸展方向与传感器平台所处于的平面相垂直，在传感器平台上布置有若干个圆孔通道，所有圆孔通道呈矩阵式排布；

所述传感器组固定于传感器平台上，所述传感器组包括若干个探测传感器，每一个探测传感器对应固定在其中一圆孔通道中，构成矩阵式，以进行立体化观测；

在传感器平台上还设置有定位及通讯装置；

所述探测传感器、抛载机构、定位及通讯装置和压力传感器均与主控单元连接，主控单元与电池单元连接。

优选的，所述探测传感器包括用于测量湍流的剪切传感器、快温传感器、MEMS传感器，用于测量加速度及姿态角的传感器，用于测量生化数据的二氧化碳传感器、溶解氧传感器和叶绿素传感器。

优选的，所述抛载机构采用电磁方式控制抛载重块或采用熔断式方式控制抛载重块。

一种抛载式海洋边界层立体观测方法，采用如上所述的观测装置，包括以下步骤：

(1)在待观测海域投放观测装置，观测装置整体重力大于浮力，投放后受重力作用进行无缆自由下放，下放阶段不采集海洋环境数据；

(2)当观测装置下放穿过海域边界层且达到预定深度后，压力传感器给主控单元信号，主控单元控制抛载机构抛载，将重块释放，此时观测装置所受浮力大于自身重力，观测装置受浮力作用自由稳定上浮；

(3)当观测装置稳定上浮至海洋边界层时，压力传感器再给主控单元信号，主控单元控制传感器组进行海洋边界层区域相关数据采集，并且传感器组将采集数据存储至主控单元；传感器组在水平传感器平台上呈阵列式排布，能够对边界层进行立体化观测；

(4)当观测装置采集完边界层数据并继续上浮至海面后，定位及通讯装置向岸站发送定位回收信号，工作人员接收到定位回收信号后前往回收观测装置。

上述方法中，通过调整传感器组中各传感器在传感器平台上的不同圆孔通道中固定，以调整传感器间的相对距离，满足不同的测量需求，实现海洋立体化观测。

上述方法中，抛载机构采用电磁方式控制抛载重块或采用熔断式方式控制抛载重块；当采用电磁方式控制抛载重块时，深度达到抛载要求，位于耐压舱内控制单元控制电磁开关电路工作，将抛载重块与载体进行分离；当采用熔断式方式控制抛载重块时，深度达到抛载要求，可产生瞬间大电流熔断电路熔丝，实现抛载。

本发明的有益技术效果是：

本发明对边界层采用由下至上的观测模式，保证测量数据的准确性、可靠性。测量采用传感器矩阵的形式，可以实现立体化观测。传感器平台上预留N*N维(N>＝2)个圆孔通道，各圆孔通道间相互独立，传感器固定在通道上，通过调整传感器固定于通道上的位置可以动态调整传感器矩阵间的位置、形状从而满足不同的观测需求，进行时间、空间上的立体化观测。

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为本发明抛载式海洋边界层立体观测装置的整体结构示意图；

图2为图1的俯视图，主要示出立体观测矩阵；

图3为本发明观测装置中抛载机构一种实施方式的结构原理示意图。

图中：1-传感器组，2-传感器平台，3-浮体，4-载体，5-抛载机构，201-圆孔通道，501-圆环，502-磁铁块，503-连接杆，504-圆柱体，505-电磁铁。

具体实施方式

结合附图，一种抛载式海洋边界层立体观测装置，包括传感器组1、传感器平台2、浮体3、载体4和抛载机构5。所述载体4包括耐压舱，耐压舱呈流线型，在耐压舱上设置有压力传感器，在耐压舱的内部设置有主控单元和电池单元。所述浮体3设置在耐压舱的上部外侧，抛载机构5设置在耐压舱的底部。所述传感器平台2设置在耐压舱的顶部，耐压舱的伸展方向与传感器平台所处于的平面相垂直，在传感器平台上布置有若干个圆孔通道201，所有圆孔通道呈矩阵式排布。所述传感器组1固定于传感器平台2上，所述传感器组1包括若干个探测传感器，每一个探测传感器对应固定在其中一圆孔通道中，构成矩阵式，以进行立体化观测。在传感器平台2上还设置有定位及通讯装置。所述探测传感器、抛载机构、定位及通讯装置和压力传感器均与主控单元连接，主控单元与电池单元连接。

作为对本发明的进一步设计，所述探测传感器包括用于测量湍流的剪切传感器、快温传感器、MEMS传感器，用于测量加速度及姿态角的传感器，用于测量生化数据的二氧化碳传感器、溶解氧传感器和叶绿素传感器等等。

更进一步的，所述抛载机构5采用电磁方式控制抛载重块或采用熔断式方式控制抛载重块。采用电磁方式控制抛载重块，下面给出一具体的设计实施例：

如图1、3所示，重块为一圆环501，其设置在载体4的底部，在圆环501的周圈间隔布置有4个磁铁块502，当然圆环也可直接采用铁质材料。载体4的底端还通过一连接杆503与一圆柱体504连接，在圆柱体504的外壁上设置有电磁铁505，电磁铁505与磁铁块502对应设置，在连接杆503的内部设置有导线，所述圆柱体504也设置4个，分布在圆环501的外侧。下放过程中，电磁铁505处于导电状态，电磁铁505与磁铁块502相吸引，此时圆环501被夹持在4个圆柱体504之间。当下放到预定深度，需要抛载时，控制电磁铁505断电，此时电磁铁505与磁铁块502不再吸引，圆环501在自身重力作用下与圆柱体脱离，完成抛载。

一种抛载式海洋边界层立体观测方法，采用如上所述的观测装置，包括以下步骤：

(1)在待观测海域投放观测装置，观测装置整体重力大于浮力，投放后受重力作用进行无缆自由下放，下放阶段不采集海洋环境数据。

(2)当观测装置下放穿过海域边界层且达到预定深度后，压力传感器给主控单元信号，主控单元控制抛载机构抛载，将重块释放，此时观测装置所受浮力大于自身重力，观测装置受浮力作用自由稳定上浮。

(3)当观测装置稳定上浮至海洋边界层时，压力传感器再给主控单元信号，主控单元控制传感器组进行海洋边界层区域相关数据采集，并且传感器组将采集数据存储至主控单元；传感器组在水平传感器平台上呈阵列式排布，能够对边界层进行立体化观测。

(4)当观测装置采集完边界层数据并继续上浮至海面后，定位及通讯装置向岸站发送定位回收信号，工作人员接收到定位回收信号后前往回收观测装置。

上述方法中，通过调整传感器组中各传感器在传感器平台上的不同圆孔通道中固定，以调整传感器间的相对距离，满足不同的测量需求，实现海洋立体化观测。

上述方法中，抛载机构采用电磁方式控制抛载重块或采用熔断式方式控制抛载重块；当采用电磁方式控制抛载重块时，深度达到抛载要求，位于耐压舱内控制单元控制电磁开关电路工作，将抛载重块与载体进行分离；当采用熔断式方式控制抛载重块时，深度达到抛载要求，可产生瞬间大电流熔断电路熔丝，实现抛载。

下面通过各部件对本发明作进一步补充说明：

传感器组1为可进行多组用于海洋观测的设备，主要包括用于测量湍流的剪切传感器、快温传感器、MEMS传感器，用于测量加速度及姿态角的传感器，用于测量生化数据的二氧化碳传感器、溶解氧传感器、叶绿素传感器等等。传感器组固定于传感器平台上，可根据测量需求改变相对位置构成矩阵式传感器进行立体化观测。

传感器平台2为圆盘形，结构设计为无棱角结构，可以大大减少阻力，有利于进行快速观测。其预留N*N维(N>＝2)传感器通道用于固定传感器组，通过调整传感器间的相对距离等满足不同的测量需求，实现海洋立体化观测。传感器平台上端固定有定位装置以及通讯装置，方便进行系统定位以及与岸站进行通信。传感器平台下端与载体进行连接为机械连接，连接方式可为螺柱连接，便于进行电子线路的排布。

浮体3附着于舱体外壳表面，提供正浮力，设计目的是在抛载后系统稳定上浮。

载体4设计为圆柱体筒状结构，舱内为电子电路，完成电源管理、运动控制、信号采集、信号处理、信号存储等功能。另外其外部搭载深度传感器，通过抱箍与其连接，进行深度数据的监测，数据实时发送给控制模块进行是否抛载的决策。

抛载机构5的上端与载体进行机械连接，连接位置于载体舱上，在深度满足抛载的情况下，载体舱的控制模块控制抛载重块与载体进行分离完成抛载。抛载机构优选的方案是电磁方式控制抛载，即深度达到抛载的情况时，位于载体舱内控制模块控制电磁开关电路工作，将抛载重块与载体进行分离，备选方案是熔断式抛载方案，即当达到抛载条件时产生瞬间大电流熔断电路熔丝，实现抛载。

整个系统工作流程是：系统整体从海面进行无缆自由下放，下放过程不进行数据观测，载体舱内的控制模块实时获取深度传感器采集到的深度值，当达到一定深度时，控制载体与抛载重块进行分离，由于系统剩余部分为正浮力，因此系统稳定上浮。当上浮至海洋边界层时，开启传感器，控制传感器进行数据采集。系统最终上浮到海面后，在海面向岸站发送位置信息，工作人员接收定位信号进行设备的回收完成一次测量。由于系统是在稳定的上浮过程进行立体化数据的观测，数据相较于由上至下的方式可靠性比较高而且具有时空性。

本发明对边界层进行观测，主要有由下至上、立体化、无缆绳、可抛载上浮等综合优势，上浮过程采集系统稳定，测量数据真实可靠。本发明立体化测量能够获取海洋不同测量尺度、不同结构下的时间、空间数据，对于进行海洋边界层的时空演化的研究至关重要。

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)

1.一种抛载式海洋边界层立体观测装置，其特征在于：包括传感器组、传感器平台、浮体、载体和抛载机构；

所述载体包括耐压舱，耐压舱呈流线型，在耐压舱上设置有压力传感器，在耐压舱的内部设置有主控单元和电池单元；

所述浮体设置在耐压舱的上部外侧，抛载机构设置在耐压舱的底部；

所述传感器平台设置在耐压舱的顶部，耐压舱的伸展方向与传感器平台所处于的平面相垂直，在传感器平台上布置有若干个圆孔通道，所有圆孔通道呈矩阵式排布；

所述传感器组固定于传感器平台上，所述传感器组包括若干个探测传感器，每一个探测传感器对应固定在其中一圆孔通道中，构成矩阵式，以进行立体化观测；

在传感器平台上还设置有定位及通讯装置；

所述探测传感器、抛载机构、定位及通讯装置和压力传感器均与主控单元连接，主控单元与电池单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种抛载式海洋边界层立体观测装置，其特征在于：所述探测传感器包括用于测量湍流的剪切传感器、快温传感器、MEMS传感器，用于测量加速度及姿态角的传感器，用于测量生化数据的二氧化碳传感器、溶解氧传感器和叶绿素传感器。

3.根据权利要求1所述的一种抛载式海洋边界层立体观测装置，其特征在于：所述抛载机构采用电磁方式控制抛载重块或采用熔断式方式控制抛载重块。

4.一种抛载式海洋边界层立体观测方法，采用如权利要求1-3所述的观测装置，其特征在于包括以下步骤：

(1)在待观测海域投放观测装置，观测装置整体重力大于浮力，投放后受重力作用进行无缆自由下放，下放阶段不采集海洋环境数据；

(2)当观测装置下放穿过海域边界层且达到预定深度后，压力传感器给主控单元信号，主控单元控制抛载机构抛载，将重块释放，此时观测装置所受浮力大于自身重力，观测装置受浮力作用自由稳定上浮；

(3)当观测装置稳定上浮至海洋边界层时，压力传感器再给主控单元信号，主控单元控制传感器组进行海洋边界层区域相关数据采集，并且传感器组将采集数据存储至主控单元；传感器组在水平传感器平台上呈阵列式排布，能够对边界层进行立体化观测；

(4)当观测装置采集完边界层数据并继续上浮至海面后，定位及通讯装置向岸站发送定位回收信号，工作人员接收到定位回收信号后前往回收观测装置。

5.根据权利要求4所述的一种抛载式海洋边界层立体观测方法，其特征在于：通过调整传感器组中各传感器在传感器平台上的不同圆孔通道中固定，以调整传感器间的相对距离，满足不同的测量需求，实现海洋立体化观测。

6.根据权利要求4所述的一种抛载式海洋边界层立体观测方法，其特征在于：抛载机构采用电磁方式控制抛载重块或采用熔断式方式控制抛载重块；当采用电磁方式控制抛载重块时，深度达到抛载要求，位于耐压舱内控制单元控制电磁开关电路工作，将抛载重块与载体进行分离；当采用熔断式方式控制抛载重块时，深度达到抛载要求，可产生瞬间大电流熔断电路熔丝，实现抛载。