CN111323555A - 具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头，将大气观测和海洋观测结合在一起，通过机载输送到观测点后进行抛弃，在双阻尼旋翼的作用下，探头整体可以缓慢并垂直的下落，下落过程中可以采集大气中的气温、气压以及湿度等数据，当浮力外壳与水面接触时，尾翼分离器将尾翼分离，从而浮力外壳可以顺利沉入水中，此时可以采集水中的温度、压力以及电导率等数据，当下沉到预设深度后，释放抛载重块，浮力外壳可以上浮，当上浮到水面时，可以通过天线将采集的数据发送给观测人员，从而实现大气和海洋的同步观测。

Description

具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头

技术领域

本发明涉及环境观测技术领域，特别涉及一种具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头。

背景技术

大气和海洋是一个相互依赖的共存体系，海气间相互作用的研究对全球气候变化、大洋环流以及生态循环具有重要的科学意义，目前大气观测的传统手段多使用机载下投式探空仪设备进行观测，尤其是在台风过境期间，可通过该方法获取现场大量宝贵数据，并分析大气与海洋间的能量传递过程，机载下投式探空仪为一次性使用设备，测量的数据通过无线通信模块实时回传至机载接收系统，当其到达海面后设备失效，完成整个测量过程，并且现有的大气参数测量仪器多采用气囊和降落伞结构，适合在风力相对较小的天气下测量，在恶劣天气下，气囊和降落伞极易损坏；而海洋现场观测多使用抛弃式温盐深探头快速获取现场水文环境数据，目前使用抛弃式温盐深探头都需电缆连接，探头测量的数据通过电缆实时回传至母船，当探头触底后切断电缆完成整个水文剖面测量。

上述两种测量方式可分别获取大气与海洋的现场观测数据，但是无法同时完成，且市场上没有可同步测量大气与海洋的现场观测设备，这无疑增加了观测成本与时间，影响作业效率。

发明内容

鉴以此，本发明提出一种具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头，可以同时完成大气和海洋观测，为海气相互作用研究尤其是台风过程中海气之间能量传递过程观测提供有效的技术手段。

本发明的技术方案是这样实现的：

具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头，包括尾翼组件、尾翼分离器、浮力外壳、抛载机构以及数据采集与控制系统，所述尾翼组件通过尾翼分离器与浮力外壳一端连接；所述抛载机构包括抛载重块和释放器，所述抛载重块通过释放器连接在浮力外壳的端部；所述数据采集与控制系统包括天线、大气传感器组、水文传感器组以及控制电路板，所述天线从浮力外壳内部伸出到浮力外壳外部，所述大气传感器组、水文传感器组设置在抛载重块内部，并与抛载重块外部接触，所述控制电路板设置在浮力外壳内部，并分别与天线、大气传感器组、水文传感器组以及释放器电连接。

优选的，所述尾翼分离器包括上套筒、下套筒以及分离机构，所述上套筒的开口和下套筒的开口相对设置，且所述上套筒的下端嵌入到下套筒内部，所述分离机构设置在上套筒和下套筒内部，使得所述上套筒和下套筒可拆卸连接；所述上套筒与尾翼组件连接，所述下套筒与浮力外壳连接。

优选的，所述分离机构包括滑动活塞、活塞预紧弹簧、钢珠以及压紧螺栓，所述滑动活塞滑动设置在上套筒内部，并通过活塞预紧弹簧与下套筒内部底面连接，所述钢珠设置在上套筒位于下套筒内部的侧壁上，所述压紧螺栓从下套筒外壁穿过与钢珠接触，并使钢珠抵接在滑动活塞表面上；所述滑动活塞表面设置有凹槽，所述上套筒与下套筒未分离时，所述凹槽位于钢珠下方。

优选的，所述尾翼组件包括第一旋翼、第二旋翼以及同轴反转组件，所述第一旋翼和第二旋翼分别与同轴反转组件连接，所述第二旋翼与尾翼分离器连接。

优选的，所述同轴反转组件包括外壳、上圆锥齿轮、下圆锥齿轮以及侧圆锥齿轮，所述上圆锥齿轮和下圆锥齿轮对称设置在外壳内部上下侧，所述侧圆锥齿轮对称设置在外壳内部两侧，且所述侧圆锥齿轮分别与上圆锥齿轮以及下圆锥齿轮啮合连接；所述第一旋翼与上圆锥齿轮连接，所述第二旋翼与下圆锥齿轮连接。

优选的，所述同轴反转组件还包括连接杆，所述连接杆两端分别与侧圆锥齿轮连接。

优选的，所述释放器包括加热丝以及熔断丝，所述熔断丝两端分别与加热丝以及抛载重块连接，所述控制电路板与加热丝电连接。

优选的，所述抛载重块侧面设置有连接外部的孔洞，所述大气传感器组以及水文传感器组设置在孔洞处。

优选的，还包括入水检测电路以及两个金属电极，所述入水检测电路设置在浮力外壳内部，两个所述金属电极设置在浮力外壳外表面，所述入水检测电路分别与控制电路板以及两个金属电极电连接。

优选的，所述控制电路板包括主控模块、存储模块、无线模块以及GPS模块，所述主控模块分别与存储模块、无线模块、GPS模块、大气传感器组、水文传感器组以及释放器电连接，所述无线模块与天线电连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头，通过无人机将机载抛弃式探头从空中抛下后，在尾翼组件的作用下，可以保持浮力外壳处于垂直状态，在下降的过程中，大气传感器组可以采集大气信息，例如气温、气压以及湿度等信息，当浮力外壳垂直到达海面时，在尾翼分离器的作用下，可以将尾翼进行分离，从而可以保证浮力外壳可以顺利的进入水中，在进入水中后，水文传感器可以采集海洋内的水文信息，包括温度、压力以及电导率等，当下降到预设的高度后，控制电路板控制抛载重块分离开，在浮力的作用下，浮力外壳浮出到水面后，通过天线可以将采集的大气信息和水文信息发送出去，实现信息的传输，可以实现现场高时效的海气一体化参数测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头的结构示意图；

图2为本发明的具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头的尾翼分离器的截面图；

图3为本发明的具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头的同轴反转组件的爆炸图；

图4为本发明的具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头的电路原理图；

图5为本发明的具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头的工作示意图；

图中，1为尾翼组件，2为尾翼分离器，3为浮力外壳，4为抛载重块，5为天线，6为大气传感器组，7为水文传感器组，8为上套筒，9为下套筒，10为滑动活塞，11为活塞预紧弹簧，12为钢珠，13为压紧螺栓，14为凹槽，15为第一旋翼，16为第二旋翼，17为外壳，18为上圆锥齿轮，19为下圆锥齿轮，20为侧圆锥齿轮，21为连接杆，22为加热丝，23为熔断丝，24为孔洞，25为入水检测电路，26为金属电极，27为主控模块，28为无线模块，29为GPS模块，30为电源模块，31为存储模块，32为同轴反转组件。

具体实施方式

为了更好理解本发明技术内容，下面提供一具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。

参见图1至图5，本发明提供的具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头，包括尾翼组件1、尾翼分离器2、浮力外壳3、抛载机构以及数据采集与控制系统，所述尾翼组件1通过尾翼分离器2与浮力外壳3一端连接；所述抛载机构包括抛载重块4和释放器，所述抛载重块4通过释放器连接在浮力外壳3的端部；所述数据采集与控制系统包括天线5、大气传感器组6、水文传感器组7以及控制电路板，所述天线5从浮力外壳3内部伸出到浮力外壳3外部，所述大气传感器组6、水文传感器组7设置在抛载重块4内部，并与抛载重块4外部接触，所述控制电路板设置在浮力外壳3内部，并分别与天线5、大气传感器组6、水文传感器组7以及释放器电连接。

本发明具备大气观测和海洋水文观测两个功能，通过机载的方式将本发明运输到待测点后抛下，在尾翼组件1的作用下，浮力外壳3会呈垂直姿态下降，尾翼组件1可以保证浮力外壳3的缓慢下落，从而设置在抛载重块4内的大气传感器组6可以采集大气信息，大气传感器组6包括气温传感器、气压传感器以及湿度传感器，可以采集大气中的气温、气压以及湿度等信息，所采集的信息发送到控制电路板中进行存储，存储的信息可以发送到观测人员的智能终端上，实现信息的传输，采用尾翼进行下落的方式，相比于传统的采用气囊和降落伞结构而言，对于恶劣天气的适应性较强，可以保证浮力外壳3在空中缓慢并垂直的下落，达到平稳测量参数的目的。

而当浮力外壳3以及抛载重块4达到水面时，在水面的冲击下，尾翼分离器2可以将尾翼组件1分离，从而可以防止尾翼组件1影响到浮力外壳3的下沉，当浮力外壳3进入到水中后，设置在抛载重块4处的水文传感器组7可以采集水文信息，水文传感器组7包括温度传感器、压力传感器以及电导率传感器，可以采集水中的温度、压力以及电导率信息，并将采集的信息传输给控制电路板进行存储，当浮力外壳3下降到预设的深度后，控制电路板控制释放器动作，使得抛载重块4与浮力外壳3分离，从而浮力外壳3在浮力的作用下上浮，当浮力外壳3浮出到水面后，控制电路板可以将存储的大气信息和水文信息通过天线5发射出去，从而观测人员可以接收到采集的大气信息和水文信息。

优选的，所述尾翼分离器2包括上套筒8、下套筒9以及分离机构，所述上套筒8的开口和下套筒9的开口相对设置，且所述上套筒8的下端嵌入到下套筒9内部，所述分离机构设置在上套筒8和下套筒9内部，使得所述上套筒8和下套筒9可拆卸连接；所述上套筒8与尾翼组件1连接，所述下套筒9与浮力外壳3连接。

当浮力外壳3与水面接触时，分离机构可以使得上套筒8和下套筒9分离，从而使得与上套筒8连接的尾翼组件1一起分离，可以减少浮力外壳3下沉到水中的阻力。

优选的，所述分离机构包括滑动活塞10、活塞预紧弹簧11、钢珠12以及压紧螺栓13，所述滑动活塞10滑动设置在上套筒8内部，并通过活塞预紧弹簧11与下套筒9内部底面连接，所述钢珠12设置在上套筒8位于下套筒9内部的侧壁上，所述压紧螺栓13从下套筒9外壁穿过与钢珠12接触，并使钢珠12抵接在滑动活塞10表面上；所述滑动活塞10表面设置有凹槽14，所述上套筒8与下套筒9未分离时，所述凹槽14位于钢珠12下方。

上套筒8伸入到下套筒9内的侧壁的厚度要小于钢珠12的直径，钢珠12可以穿过上套筒8的侧壁并与滑动活塞10外表面接触，通过设置的压紧螺栓13，可以推动钢珠12与滑动活塞10的接触，当浮力外壳3与水面接触时，在水面的冲击下，滑动活塞10在上套筒8内向上移动，使得位于其表面的凹槽14移动到钢珠12所在的位置处，钢珠12掉入到凹槽14中，使得滑动活塞10不受到钢珠12和压紧螺栓13的挤压，从而在活塞预紧弹簧11的作用下，将滑动活塞10和上套筒8与下套筒9分离，下套筒9可以跟随浮力外壳3沉入水中，而由于尾翼组件1与上套筒8连接，在上套筒8与下套筒9分离后，尾翼组件1和上套筒8不会跟随浮力外壳3下沉，从而不会阻碍到浮力外壳3的下沉。

优选的，所述尾翼组件1包括第一旋翼15、第二旋翼16以及同轴反转组件32，所述第一旋翼15和第二旋翼16分别与同轴反转组件32连接，所述第二旋翼16与尾翼分离器2连接。

第一旋翼15和第二旋翼16组成双阻尼平衡旋翼，均由五个扇形叶片和旋转轴组成，第一旋翼15的旋转轴与同轴反转组件32的上表面连接，第二旋翼16的旋转轴与同轴反转组件32的下表面连接，从而在同轴反转组件32的作用下，第一旋翼15和第二旋翼16的旋转方向相反，在探头下降过程中，可以提高增加空气阻力的能力，双阻尼平衡旋翼体积小，坚固耐用，适用于大气与海洋水文同步观测的机载抛弃式探头，可以提供较多的附加阻尼，在探头下落过程中，当速度增加时，双阻尼平衡旋翼转速增加，阻力增大，可减小探头下落速度，达到减速的目的，实现对探头下落的速度控制，增加探头在空气中的滞留时间，使探头在空中被投放后缓慢下落并长时间精确测量大气参数。

优选的，所述同轴反转组件32包括外壳17、上圆锥齿轮18、下圆锥齿轮19以及侧圆锥齿轮20，所述上圆锥齿轮18和下圆锥齿轮19对称设置在外壳17内部上下侧，所述侧圆锥齿轮20对称设置在外壳17内部两侧，且所述侧圆锥齿轮20分别与上圆锥齿轮18以及下圆锥齿轮19啮合连接；所述第一旋翼15与上圆锥齿轮18连接，所述第二旋翼16与下圆锥齿轮19连接。

通过在上圆锥齿轮18和下圆锥齿轮19之间设置侧圆锥齿轮20，来实现上圆锥齿轮18和下圆锥齿轮19的反向转动。

优选的，所述同轴反转组件32还包括连接杆21，所述连接杆21两端分别与侧圆锥齿轮20连接。

由于侧圆锥齿轮20需要同步转动以保证上圆锥齿轮18和下圆锥齿轮19的同步转动，因此设置一个连接杆21来连接两侧的侧圆锥齿轮20。

优选的，所述释放器包括加热丝22以及熔断丝23，所述熔断丝23两端分别与加热丝22以及抛载重块4连接，所述控制电路板与加热丝22电连接。

控制电路板通过控制加热丝22的加热来实现熔断丝23的熔断，熔断丝23与抛载重块4连接，当熔断丝23熔断后，可以实现抛载重块4的抛弃，从而浮力外壳3可以上浮。

优选的，所述抛载重块4侧面设置有连接外部的孔洞24，所述大气传感器组6以及水文传感器组7设置在孔洞24处。

所设置的孔洞24连接抛载重块4的内外部，将大气传感器组6和水文传感器组7设置在孔洞24处后，大气传感器组6和水文传感器组7可以与外界大气以及水体直接接触，便于测量大气与水文参数。

优选的，还包括入水检测电路25以及两个金属电极26，所述入水检测电路25设置在浮力外壳3内部，两个所述金属电极26设置在浮力外壳3外表面，所述入水检测电路25分别与控制电路板以及两个金属电极26电连接。

金属电极26之间没有电连接关系，当浮力外壳3下沉到水中时，金属电极26通过海水接通，从而使得入水检测电路25接收到信号，并发送相应的信息给控制电路板，从而控制电路板可以控制水文传感器组7采集水文信息。

优选的，所述控制电路板包括主控模块27、存储模块31、无线模块28以及GPS模块29，所述主控模块27分别与存储模块31、无线模块28、GPS模块29、大气传感器组6、水文传感器组7以及释放器电连接，所述无线模块28与天线5电连接。

主控模块27用于处理信息，包括大气信息、水文信息、定位信息等，通过存储模块31存储相应的信息后，主控模块27可以调取存储模块31中的内容，并同时将数据通过无线模块28和天线5传输出去，本发明的主控模块27包括一种16位低功耗微处理器，以及相应的时钟电路、复位电路等，此处理器工作电压为1.8V～3.6V，适用于小型化锂电池供电方案的设备，其支持多种通信方式，包括UART、I²C和SPI通信，并且其集成了高精度的12位模数转换模块(ADC)，在数据采集过程中可省去外部A/D转换电路，极大的精简了外围电路的设计，减小了整体电路的复杂度与尺寸。

存储模块31采用大容量的flash芯片，其价格较低，具有SPI通信功能，通信速率快且操作简单，通过计算得到本系统的总数据量不超过1M，所以采用此种芯片，既能满足当前应用需求也留有足够余量便于将来的扩展使用。

无线模块28采用具有Lora扩频技术的230MHz无线模块28，通过UART通信与主控模块27进行数据传输，其传输距离远，速度快，功耗低，体积小，抗干扰能力强，并且可以设置通信密钥，提高了数据的安全性，天线5采用钢丝天线5，其质量轻，成本低，通过天线5的选材以及匹配设计，提高其增益和传输距离。

GPS模块29采用一体化的小型GPS模块29，上电后其通过串口将定位信息发送至主控模块27，操作简单，定位准确，其天线5为陶瓷天线5，可直接焊接至系统PCB板上进行集成。

还包括电源模块30，电源模块30主要分为降压电路和稳压电路，采用锂电池组进行供电，供电范围为5～12V，由于系统使用的主控模块27、存储模块31以及GPS模块29等模块工作电压(典型值)为3.3V，无线模块28工作电压(典型值)为5V，所以电源模块30在供电入口先采用DC-DC电路将电压降低至5V，然后再稳压至3.3V，并分路供给各模块，通过主控模块27控制各个外设模块上下电，做到即用即开，实现低功耗工作目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头，其特征在于，包括尾翼组件、尾翼分离器、浮力外壳、抛载机构以及数据采集与控制系统，所述尾翼组件通过尾翼分离器与浮力外壳一端连接；所述抛载机构包括抛载重块和释放器，所述抛载重块通过释放器连接在浮力外壳的端部；所述数据采集与控制系统包括天线、大气传感器组、水文传感器组以及控制电路板，所述天线从浮力外壳内部伸出到浮力外壳外部，所述大气传感器组、水文传感器组设置在抛载重块内部，并与抛载重块外部接触，所述控制电路板设置在浮力外壳内部，并分别与天线、大气传感器组、水文传感器组以及释放器电连接。

2.根据权利要求1所述的具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头，其特征在于，所述尾翼分离器包括上套筒、下套筒以及分离机构，所述上套筒的开口和下套筒的开口相对设置，且所述上套筒的下端嵌入到下套筒内部，所述分离机构设置在上套筒和下套筒内部，使得所述上套筒和下套筒可拆卸连接；所述上套筒与尾翼组件连接，所述下套筒与浮力外壳连接。

3.根据权利要求2所述的具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头，其特征在于，所述分离机构包括滑动活塞、活塞预紧弹簧、钢珠以及压紧螺栓，所述滑动活塞滑动设置在上套筒内部，并通过活塞预紧弹簧与下套筒内部底面连接，所述钢珠设置在上套筒位于下套筒内部的侧壁上，所述压紧螺栓从下套筒外壁穿过与钢珠接触，并使钢珠抵接在滑动活塞表面上；所述滑动活塞表面设置有凹槽，所述上套筒与下套筒未分离时，所述凹槽位于钢珠下方。

4.根据权利要求1所述的具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头，其特征在于，所述尾翼组件包括第一旋翼、第二旋翼以及同轴反转组件，所述第一旋翼和第二旋翼分别与同轴反转组件连接，所述第二旋翼与尾翼分离器连接。

5.根据权利要求4所述的具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头，其特征在于，所述同轴反转组件包括外壳、上圆锥齿轮、下圆锥齿轮以及侧圆锥齿轮，所述上圆锥齿轮和下圆锥齿轮对称设置在外壳内部上下侧，所述侧圆锥齿轮对称设置在外壳内部两侧，且所述侧圆锥齿轮分别与上圆锥齿轮以及下圆锥齿轮啮合连接；所述第一旋翼与上圆锥齿轮连接，所述第二旋翼与下圆锥齿轮连接。

6.根据权利要求5所述的具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头，其特征在于，所述同轴反转组件还包括连接杆，所述连接杆两端分别与侧圆锥齿轮连接。

7.根据权利要求1所述的具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头，其特征在于，所述释放器包括加热丝以及熔断丝，所述熔断丝两端分别与加热丝以及抛载重块连接，所述控制电路板与加热丝电连接。

8.根据权利要求1所述的具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头，其特征在于，所述抛载重块侧面设置有连接外部的孔洞，所述大气传感器组以及水文传感器组设置在孔洞处。

9.根据权利要求1所述的具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头，其特征在于，还包括入水检测电路以及两个金属电极，所述入水检测电路设置在浮力外壳内部，两个所述金属电极设置在浮力外壳外表面，所述入水检测电路分别与控制电路板以及两个金属电极电连接。

10.根据权利要求1所述的具有大气与海洋水文同步观测功能的机载抛弃式探头，其特征在于，所述控制电路板包括主控模块、存储模块、无线模块以及GPS模块，所述主控模块分别与存储模块、无线模块、GPS模块、大气传感器组、水文传感器组以及释放器电连接，所述无线模块与天线电连接。

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