CN111498065B - 一种极区海底环境原位测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋观测技术领域，尤其涉及一种极区海底环境原位测量装置及方法。本发明包括主框架和主控舱，主框架上设置有原位观测传感器、摄像单元、通讯单元、输送单元和照明单元，原位观测传感器通过有线将所观测到的海底原位数据传递给主控舱，主控舱通过通讯单元将数据传递给输送单元；在照明单元的照射下，摄像单元对海底环境进行拍摄并将海底影像数据通过有线传递给主控舱，主控舱通过通讯单元将数据传递给输送单元。本发明的有益效果：以返回浮球为海底到海面的信息数据传输载体，数据量大、数据失真度小；返回浮球升至海面遇到冰封期，内部电源可以支撑度过冰封期，克服恶劣环境能力强；获取数据量全面。
Description
技术领域
本发明属于海洋观测技术领域，涉及一种原位测量装置，尤其涉及一种极区海底环境原位测量装置及方法。
背景技术
海洋研究自进入全海深时代以来，许多海底环境的探测设备应运而生，对于海洋生态环境的研究具有重要意义。海洋环境中，极区的海洋生态环境作为全球海洋环境的关键组成部分受到了越来越多的关注。
研究北极地区海底及垂直剖面的物理参数，建立相关理论模型，对全球气候变化预测至关重要，同时获取北极海底影像，对北极地区海洋生物、海洋地质等研究具有重要意义。目前，常见的海洋观测设备主要包括在海洋表面的科学考察船、浮标，在水下进行探测的各种潜水器、潜标以及海底探测网、海床基等，在空中进行监测的飞机、卫星等。现有技术中缺少针对北极地区特殊环境所制定的能够实现北极地区海底原位观测、定期剖面测量及获取海底影像的海洋观测设备。
发明内容
本发明针对上述的技术问题，提出了一种极区海底环境原位测量装置及方法。
为达到上述目的，本发明提出的技术方案：
一种极区海底环境原位测量装置，包括主框架和主控舱，主框架上设置有原位观测传感器、摄像单元、通讯单元、输送单元和照明单元，原位观测传感器通过有线将所观测到的海底原位数据传递给主控舱，主控舱通过通讯单元将数据传递给输送单元；在照明单元的照射下，摄像单元对海底环境进行拍摄并将海底影像数据通过有线传递给主控舱，主控舱通过通讯单元将数据传递给输送单元。
作为本发明的进一步优化，输送单元设置为返回浮球，返回浮球和主框架之间设置有熔断机构，熔断机构与主控舱信号连接；返回浮球上设置有浮球电源、控制系统、剖面传感器和浮球天线，浮球电源与控制系统、剖面传感器、浮球天线电性连接，控制系统与剖面传感器和浮球天线信号连接。
作为本发明的进一步优化，通讯单元设置为主控舱天线，主控舱天线与主控舱信号连接，主控舱通过主控舱天线与返回浮球进行信息通讯。
作为本发明的进一步优化，摄像单元包括摄像浮球，摄像浮球上设置有摄像机和摄像孔，摄像浮球将所拍摄的海底影像数据通过有线传输给主控舱。
作为本发明的进一步优化，主框架上还设置有试验返回浮球和备用返回浮球，试验返回浮球和备用返回浮球通过熔断机构与主框架连接且均与主控舱信号连接。
作为本发明的进一步优化，主框架上铺设有浮球固定板，浮球固定板上设置有孔状结构，浮球固定板通过熔断机构与返回浮球连接。
作为本发明的进一步优化，照明单元包括照明浮球，照明浮球上设置有照射灯和照明孔，照明浮球与主控舱信号连接。
作为本发明的进一步优化，还包括吊耳，吊耳设置在主框架中间位置。
一种极区海底环境原位测量方法，包括：
S1：将权1-8中的极区海底环境原位测量装置放置到指定区域的海底；
S2：主控舱按照内部程序设定释放试验返回浮球，测试熔断机构及试验返回浮球能否正常工作，从而对返回浮球工作状态进行预判；
S3：原位观测传感器、摄像单元根据主控舱内部程序设定分别对海底进行原位测量和拍摄，随后均将测得的数据传输给主控舱，主控舱再将内部存储的数据全部传输给返回浮球；
S4:主控舱控制熔断机构释放上述中接收原位测量数据和海底影像数据的返回浮球，该返回浮球在自身浮力的作用下开始上浮，上浮过程中，返回浮球自身携带的剖面传感器测量上浮过程中海洋剖面的数据；
S5:返回浮球上浮至海面后，返回浮球在自身的控制系统的控制下通过自身的浮球天线将原位测量数据、影像数据和剖面数据上传至卫星，卫星将数据发送至用户；
S6:剩余的返回浮球按照上述测量方法依次上浮，完成观测任务。
作为本发明的进一步优化，S5中返回浮球上升至海面后，若冰面有冰，返回浮球在冰下等待冰封期结束，再将数据发送至卫星。
与现有技术相比，本发明提出的一种极地地区海洋环境原位测量装置及方法具有以下特点和优点：
1、一种极地地区海底环境原位测量装置，设置有摄像单元、原位观测传感器、主控舱天线和返回浮球，摄像单元和原位观测传感器将影像数据和原位测量数据通过有线传输给主控舱，主控舱再通过无线传输给返回浮球，通讯成本低，同时以返回浮球作为海底到海面的信息数据传输载体，数据量大、数据失真度小；
2、返回浮球上升过程中，返回浮球内置的剖面传感器对海底到海面的剖面数据进行观测；
3、返回浮球内置有浮球电源，返回浮球上升至海面时期为冰封期时，浮球电源能够支撑返回浮球工作，等待冰封期结束，克服恶劣环境能力强；
4、返回浮球上升至海面后，通过内部的浮球天线，将原位测量数据、影像数据和剖面测量数据发送至卫星，最终送至用户手中，获取的数据全面。
5、设置有八个正常工作的返回浮球，可以测量两年的海洋数据，可测周期长。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为极区海底原位测量装置的立体图；
图2为极区海底原位测量装置的侧视图一；
图3为极区海底原位测量装置的侧视图二；
图4为极区海底原位测量的系统拓扑图。
以上图中：
1主框架； 2第一副框架； 3第二副框架； 4压载铁；
5返回浮球； 6备用返回浮球； 7试验返回浮球； 8吊耳；
9浮球固定板； 10照明浮球； 11摄像浮球；
12摄像系统电源舱； 13主控舱； 14原位观测传感器；
15主控舱天线； 16照明孔； 17摄像孔；
18剖面传感器； 19熔断机构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1至3所示，本发明提出一种极区海底环境原位测量装置包括一个主框架1，主框架1设计为两层结构，顶层上铺设有八个浮球固定板9，浮球固定板9上设置有孔状结构，每个浮球固定板9上装配有一个返回浮球5，返回浮球5通过熔断机构19与对应的浮球固定板9相连，返回浮球5之间的间距大于200mm，有利于释放返回作业的顺利进行，返回浮球5自身装配有浮球电源、控制系统、剖面传感器18和浮球天线等；底层上放置主控舱13、主控舱天线15和原位观测传感器14，主控舱13内还装配有传感器系统电源，为原位观测传感器14的工作提供动力，利用原位观测传感器14进行原位测量得到原位测量数据，原位观测传感器14通过有线将原位测量数据传输给主控舱13，主控舱13再通过主控舱天线15将数据传输给返回浮球5；主框架1的两侧分别装配有副框架，其中第一副框架2上放置照明浮球10和摄像浮球11，分别用以照明和摄像，照明浮球10和摄像浮球11上分别设置有照明孔16和摄像孔17，摄像浮球11通过有线将原位测量数据传输给主控舱13，主控舱13通过主控舱天线15将数据传输给返回浮球5，主框架的底层上还装配有摄像系统电源舱12，摄像系统电源舱12用于给摄像浮球11提供能量；第二副框架3上铺设有两个浮球固定板，两个浮球固定板上装配了试验返回浮球7和备用返回浮球6，试验返回浮球7和备用返回浮球6均通过熔断机构与对应的浮球固定板相连，试验返回浮球7和备用返回浮球6内部结构与返回浮球5相同，试验返回浮球7用于在装置正式工作前的测试，备用返回浮球6用于当返回浮球5损坏无法完成测量及返回任务时的备用浮球；主框架的四个支撑腿下设置压载铁4，用于调整整个装置的重心；主框架1的顶层中央设置高于返回浮球5的吊耳8，便于装置的吊放作业。
主控舱13和返回浮球5、熔断机构19、原位观测传感器14、摄像浮球11、照明浮球10、试验返回浮球7、备用返回浮球6、主控舱天线15信号连接，其中主控舱13与原位观测传感器14、摄像浮球11、照明浮球为有线连接，主控舱与上述其他部件为无线连接，主控舱会定期和各个返回浮球进行校验，掌握各个返回浮球的状况。
主控舱首先释放试验返回浮球5工作，检测试验返回浮球是否工作正常，并在检测无问题后，控制原位观测传感器14、照明浮球10、摄像浮球11进行工作，原位观测传感器14进行原位测量得到原位测量数据，在照明浮球10提供照明的条件下摄像浮球11进行摄像得到影像数据，随后将原位测量数据和海底影像数据通过有线传输给主控舱13，主控舱再通过主控舱天线15传递给返回浮球5，并对返回浮球5进行最后校验，无问题后释放接收数据的返回浮球5，当返回浮球5检验出现问题时，开启备用返回浮球6的工作，从而控制整个装置的工作。
如图4系统拓扑图所示，一种极区海底环境原位测量方法的步骤为：
1、首先将该装置通过船舶运送到北极地区，船舶上的起重装置利用吊耳8将极区海底原位测量装置布放至指定区域的海底；
2、主控舱13根据内部设定的控制程序控制试验返回浮球7下的熔断机构，释放试验返回浮球7，由于返回浮球5、试验返回浮球7和备用返回浮球6的参数相同，通过测试试验返回浮球7下的熔断机构和试验返回浮球7是否可以正常工作，对返回浮球是否可以正常工作进行预判，以保证测量工作的顺利进行；
3、主控舱13中的传感器总控系统控制原位观测传感器14进行一个季度的原位测量，随后将测得的数据通过有线传输给主控舱13；
4、主控舱13中的总控系统根据内部控制程序在先设定的时间间隔，控制摄像浮球11对海底环境进行拍照，然后得到的影像数据通过有线传输给主控舱，主控舱13再通过无线的方式将内部存储的数据全部传输给八个返回浮球5中的一个。
5、一个季度后，主控舱控制上述返回浮球下方的熔断机构，释放返回浮球，返回浮球在自身浮力的作用下开始上浮，在上浮过程中通过自身携带的剖面传感器测量本次上升过程中海洋剖面的相关数据；
6、返回浮球上浮至海面后，通过自身的浮球天线将原位测量数据、影像数据和剖面数据发送至卫星，卫星再将数据发送至用户，完成一个季度的数据传送。若海面有冰，返回浮球自身携带浮球电源足够支撑至来年夏天海冰融化，然后再将数据发送至卫星；
7、剩余七个浮球按照以上工作模式依次上浮，完成两年的观测任务。
需要说明的是，主控舱具有存储功能，能够存储已测量的全部数据，所以每次主控舱通过无线传输数据时，均是将内部存储的全部数据传输给将要返回的返回浮球，即返回浮球携带的数据是之前所有的测量数据，例如第一个返回浮球上升携带的是第一个季度的数据，第二个返回浮球携带的是第一季度和第二季度两个季度的数据，以此类推，第八个返回浮球携带两年内的全部数据返回。防止遇到冰封期，测量数据的时间难以辨别的情况出现。
为保证装置使用的可靠性，本发明设置的试验返回浮球7和备用返回浮球6，在装置正常工作前释放试验返回浮球7，检测主控舱13和熔断机构是否正常工作、检测试验返回浮球7是否能够正常对海洋剖面数据进行测量以及利用浮球天线将海洋剖面数据传递给卫星的功能；另外，主控舱13会定期和各个返回浮球5进行通讯校验，返回浮球5被释放前会做最后的校验，确定其工作状态，若该返回浮球5校验失败，则启用备用返回浮球6，主控舱13控制将校验失败的返回浮球的数据传递给备用返回浮球6，备用返回浮球6被释放，完成检验失败的返回浮球的数据传递和海洋剖面测量任务，并将该季度完整数据传递给卫星，返回浮球5正常工作的状态下，备用返回浮球6处于休眠状态。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种极区海底环境原位测量方法，其特征在于，采用极区海底环境原位测量装置进行测量；所述极区海底环境原位测量装置包括主框架和主控舱，主框架上设置有原位观测传感器、摄像单元、通讯单元、输送单元和照明单元，原位观测传感器通过有线将所观测到的海底原位数据传递给主控舱，主控舱通过通讯单元将数据传递给输送单元；在照明单元的照射下，摄像单元对海底环境进行拍摄并将海底影像数据通过有线传递给主控舱，主控舱通过通讯单元将数据传递给输送单元；输送单元设置为返回浮球，返回浮球和主框架之间设置有熔断机构，熔断机构与主控舱信号连接；返回浮球上设置有浮球电源、控制系统、剖面传感器和浮球天线，浮球电源与控制系统、剖面传感器、浮球天线电性连接，控制系统与剖面传感器和浮球天线信号连接；主框架上还设置有试验返回浮球和备用返回浮球，试验返回浮球和备用返回浮球通过熔断机构与主框架连接且均与主控舱信号连接；
所述极区海底环境原位测量方法包括：
S1：将极区海底环境原位测量装置放置到指定区域的海底；
S2：主控舱按照内部程序设定释放试验返回浮球，测试熔断机构及试验返回浮球能否正常工作，从而对返回浮球工作状态进行预判；
S3：原位观测传感器、摄像单元根据主控舱内部程序设定分别对海底进行原位测量和拍摄，随后均将测得的数据传输给主控舱，主控舱再将内部存储的数据全部传输给返回浮球；
S4:主控舱控制熔断机构释放上述接收原位测量数据和海底影像数据的返回浮球，该返回浮球在自身浮力的作用下开始上浮，上浮过程中，返回浮球自身携带的剖面传感器测量上浮过程中海洋剖面的数据；
S5:返回浮球上浮至海面后，返回浮球在自身的控制系统的控制下通过自身的浮球天线将原位测量数据、影像数据和剖面数据上传至卫星，卫星将数据发送至用户；
S6:剩余的返回浮球按照上述测量方法依次上浮，完成观测任务。
2.根据权利要求1所述的一种极区海底环境原位测量方法，其特征在于，通讯单元设置为主控舱天线，主控舱天线与主控舱信号连接，主控舱通过主控舱天线与返回浮球进行信息通讯。
3.根据权利要求1所述的一种极区海底环境原位测量方法，其特征在于，摄像单元包括摄像浮球，摄像浮球上设置有摄像机和摄像孔，摄像浮球将所拍摄的海底影像数据通过有线传输给主控舱。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种极区海底环境原位测量方法，其特征在于，主框架上铺设有浮球固定板，浮球固定板上设置有孔状结构，浮球固定板通过熔断机构与返回浮球连接。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的一种极区海底环境原位测量方法，其特征在于，照明单元包括照明浮球，照明浮球上设置有照射灯和照明孔，照明浮球与主控舱信号连接。
6.根据权利要求1所述的一种极区海底环境原位测量方法，其特征在于，还包括吊耳，吊耳设置在主框架中间位置。
7.根据权利要求1所述的一种极区海底环境原位测量方法，其特征在于，S5中返回浮球上升至海面后，若冰面有冰，返回浮球在冰下等待冰封期结束，再将数据发送至卫星。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No.168, Wenhai Middle Road, Jimo District, Qingdao City, Shandong Province 266237 Applicant after: Qingdao Marine Science and Technology Center Address before: No.1, Wenhai Road, aoshanwei Town, Jimo City, Qingdao City, Shandong Province 266200 Applicant before: QINGDAO NATIONAL LABORATORY FOR MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT CENTER |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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