CN111521160A - 坐底式湍流微结构观测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种坐底式湍流微结构观测系统，其包括传感器组、主舱体、控制主板、电池组、导向尾翼以及基座；其中，主舱体包括主板耐压仓和电池耐压仓，控制主板设置在主板耐压仓内，电池组设置在电池耐压仓内，电池组与控制主板供电连接，传感器组与控制主板电信号连接；传感器组设置在主舱体的头部；导向尾翼设置在主舱体的尾部上，且导向尾翼沿着与主舱体的虚拟中心轴线平行的方向延伸；主舱体枢转地设置在基座上。只需要将本装置投放在预定水域即可实现近底层水体湍流数据测量，无需停船进行测量作业，具有操作耗时短、节约成本、连续长期观测的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种坐底式湍流微结构观测系统。
背景技术
根据全球海洋能量平衡理论评估，海洋平均垂向扩散率至少为10-4m2s-1才足以维持现今大洋径向翻转环流的强度(Munk,1998)，而海洋现场观测发现，开阔大洋的平均垂向扩散率仅为10-5m2s-1(Gregg,1989；Ledwell,1993)，不足以维持全球大洋环流，因此推测大洋中存在强混合区。人们通过不同的观测方法发现了一些强混合区域：如海山(Nabatov,1988；Kunze,1997；Lueck,1997)、海脊(Polzin,1995,1997；Ledwell,2000；Klymak,2002；Althaus,2003)、峡谷(Laurent,2001；Carter,2002)和一些海盆之间的水道处(Roemmich,1996；Polzin,1996；Ferron,1998)，其混合强度约为开放大洋的100-1000倍。这些重要的发现表明，海洋中的湍流混合强度与海底地形直接相关，并存在明显的时空差异，大量受海底粗糙地形影响的强混合区，可能对维持大洋环流起到重要作用。为了证明这种可能性，研究海底湍流混合已成为当前物理海洋的热点和关键科学问题。
研究近底层水体湍流混合的基础是现场观测，依赖于先进的湍流观测仪器。现有的观测方式主要有垂向剖面观测、搭载水下自主运载器观测和锚系定点观测三种形式，这类设备在平台自由下落过程中进行湍流混合与耗散的观测，主要覆盖海洋上层水体，深海观测尤其是近海底的观测很难实现，且需要停船进行作业，耗费大量船时，无法实现高密度长周期观测；以VMP-X(Vertical Microstructure Profiler-Expendable)为代表的抛弃式湍流微结构剖面仪采用牺牲传感器的方式实现了海底强混合区的直接观测(Shang,2016)，但成本极其高昂，难以大量应用。可见现有的海洋底层湍流观测设备存在着操作耗时长、成本高昂以及无法实现长周期观测的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种坐底式湍流微结构观测系统，解决上述现有技术问题中的一个或多个。
本发明提供一种坐底式湍流微结构观测系统，其包括传感器组、主舱体、控制主板、电池组、导向尾翼以及基座；其中，主舱体包括主板耐压仓和电池耐压仓，控制主板设置在主板耐压仓内，电池组设置在电池耐压仓内，电池组与控制主板供电连接，传感器组与控制主板电信号连接；传感器组设置在主舱体的头部；导向尾翼设置在主舱体的尾部上，且导向尾翼沿着与主舱体的虚拟中心轴线平行的方向延伸；主舱体枢转地设置在基座上。
使用时，采用工作船搭载本装置到预定水域后，然后将本装置投放落下，由于主板耐压仓和电池耐压仓为密封容器体，为主舱体提供了浮力，所以整个装置下落过程中保持主舱体在上、基座在下的状态，基座拖着主舱体下沉，直至基座落在海底上，这样避免了主舱体上的传感器组撞击海底而损坏；然后，由于洋底层湍流具有流向变化快、无规律可依循的特点，本发明通过将主舱体枢转地设置在基座上，且导向尾翼设置在主舱体的尾部上，导向尾翼沿着与主舱体的虚拟中心轴线平行的方向延伸；在海洋底层湍流的流向变化时，海洋底层湍流可以通过导向尾翼可以推动主舱体根据海洋底层湍流的流向来转动方位，使得导向尾翼与海洋底层湍流保持平行，即使得主舱体的虚拟中心轴线与海洋底层湍流保持平行，让位于主舱体的头部的传感器组始终正面迎着海洋底层湍流的来向，测得海洋底层湍流的最初始、未经过干扰的水文信息，以使得传感器组测得更加精准的水文数据，然后将获取的水文数据传递给控制主板进行计算和储存。这样，只需要将本装置投放在预定水域即可实现近底层水体湍流数据测量，无需停船进行测量作业，具有操作耗时短、节约成本的特点。需要说明的是，本发明还可运用在河流、湖泊等水域中。
在一些实施方式中，还包括主支杆，主支杆的一端与主舱体的中间部位枢转设置，主支杆的另一端与基座连接。
这样，通过主支杆与主舱体中间部位的枢转设置，实现了主舱体与基座的枢转连接。
在一些实施方式中，还包括轴承和磁致涡流阻尼器；主支杆通过轴承枢转设置在主舱体的中间部位上，且主支杆和主舱体之间设有磁致涡流阻尼器。
这样，当乱流冲击主舱体和导向尾翼时，磁致涡流阻尼器可以产生阻尼效果，避免了乱流扰动传感器组偏离海洋底层湍流的来向。
在一些实施方式中，基座包括主浮体、配重锚定块、释放器以及声学通信控制模块；主浮体与主支杆连接，主浮体与配重锚定块之间通过释放器连接，声学通信控制模块与释放器之间电控连接。
这样，需要将本装置上浮回收时，通过工作船上的声学信号发生装置发出声波指令给声学通信控制模块，让声学通信控制模块指令释放器脱开，使得配重锚定块与主浮体脱开，主浮体带着其余结构一同上浮到海面。进而，实现了可以循环利用，相比于现有的抛弃式装备，本发明具有多次循环利用的特点，降低了使用成本。
在一些实施方式中，还包括声学模块供电电池和声学模块耐压电池仓；声学模块供电电池安装在声学模块耐压电池仓内，声学模块供电电池与声学通信控制模块供电连接；声学模块耐压电池仓设置在主浮体上。
这样，使得声学模块耐压电池仓内的声学模块供电电池为声学通信控制模块供电。
在一些实施方式中，还包括吊装环；吊装环设置在主支杆上。
这样，机械吊臂可以通过吊装环来吊装本装置。
在一些实施方式中，还包括卫星定位信标；卫星定位信标设置在主支杆上。
这样，当本装置上浮到海面后，可以通过卫星定位信标来定位寻获本装置。
在一些实施方式中，传感器组包括快速温度传感器、流速剪切传感器、压力传感器、诊断与调试接口以及常规温度电导率传感器。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的坐底式湍流微结构观测系统的结构示意图；
图2为图1中A所指向的局部放大图；
图3为图1所示的一种实施方式的坐底式湍流微结构观测系统的局部剖视图；
图4为图1所示的一种实施方式的坐底式湍流微结构观测系统中基座的局部剖视图；
图5为图4中的主浮体与配重锚定块脱开后整个坐底式湍流微结构观测系统上浮动作示意图。
附图标号：1-传感器组、2-主舱体、21-主板耐压仓、3-导向尾翼、4-基座、22-电池耐压仓、31-主支杆、32-磁致涡流阻尼器、41-主浮体、42-配重锚定块、43-释放器、5-声学通信控制模块、311-吊装环、312-卫星定位信标、11-快速温度传感器、12-流速剪切传感器、13-压力传感器、14-诊断与调试接口、15-常规温度电导率传感器
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1至图5示意性的显示了本发明一种实施方式的坐底式湍流微结构观测系统的结构。
如图1至图5所示，该坐底式湍流微结构观测系统包括传感器组1、主舱体2、控制主板、电池组、导向尾翼3以及基座4；其中，主舱体2包括主板耐压仓21和电池耐压仓22，控制主板设置在主板耐压仓21内，电池组设置在电池耐压仓22内，电池组与控制主板供电连接，传感器组1与控制主板电信号连接；传感器组1设置在主舱体2的头部；导向尾翼3设置在主舱体2的尾部上，且导向尾翼3沿着与主舱体2的虚拟中心轴线平行的方向延伸；主舱体2枢转地设置在基座4上。
使用时，采用工作船搭载本装置到预定水域后，然后将本装置投放落下，由于主板耐压仓21和电池耐压仓22为密封容器体，为主舱体2提供了浮力，所以整个装置下落过程中保持主舱体2在上、基座4在下的状态，基座4拖着主舱体2下沉，直至基座4落在海底上，这样避免了主舱体2上的传感器组1撞击海底而损坏；然后，由于洋底层湍流具有流向变化快、无规律可依循的特点，本发明通过将主舱体2枢转地设置在基座4上，且导向尾翼3设置在主舱体2的尾部上，导向尾翼3沿着与主舱体2的虚拟中心轴线平行的方向延伸；在海洋底层湍流的流向变化时，海洋底层湍流可以通过导向尾翼3可以推动主舱体2根据海洋底层湍流的流向来转动方位，使得导向尾翼3与海洋底层湍流保持平行，即使得主舱体2的虚拟中心轴线与海洋底层湍流保持平行，让位于主舱体2的头部的传感器组1始终正面迎着海洋底层湍流的来向，测得海洋底层湍流的最初始、未经过干扰的水文信息，以使得传感器组1测得更加精准的水文数据，然后将获取的水文数据传递给控制主板进行计算和储存。这样，只需要将本装置投放在预定水域即可实现近底层水体湍流数据测量，无需停船进行测量作业，具有操作耗时短、节约成本的特点。在本实施例中，还可以将多个本装置分别投放在某一水域的不同位置以达到高密度测量的目的。
在本实施例中，还包括主支杆31，主支杆31的一端与主舱体2的中间部位枢转设置，主支杆31的另一端与基座4连接。这样，通过主支杆31与主舱体2中间部位的枢转设置，实现了主舱体2与基座4的枢转连接。
如图3所示，在本实施例中，还包括轴承和磁致涡流阻尼器32；主支杆31通过轴承枢转设置在主舱体2的中间部位上，且主支杆31和主舱体2之间设有磁致涡流阻尼器32。详细地，轴承保持平面止推轴承和旋转轴承，主支杆31和主舱体2的顶面之间设有平面止推轴承，以保证主支杆31和主舱体2之间能够承受一定的轴向载荷；主支杆31和主舱体2之间还设有旋转轴承，以保证主支杆31和主舱体2之间能够实现自由转动。此外，磁致涡流阻尼器32为现有的阻尼元件，其特点是当主支杆31和主舱体2之间的相对转动速度不超过预定的阀值时，主舱体2不受到阻尼作用，当主支杆31和主舱体2之间的相对转动速度超过预定的阀值时，主舱体2会受到阻尼作用，且转动速度越快收到的阻力越大；由于海底礁石等障碍物较多，洋底层湍流冲击到这些障碍物时会产生流速快的乱流，这样，当乱流冲击主舱体2和导向尾翼3时，磁致涡流阻尼器32可以产生阻尼效果，避免了乱流扰动传感器组1偏离海洋底层湍流的来向，避免共振，保证测量主体稳定，并始终迎向来流方向。
如图4和图5所示，在本实施例中，基座4包括主浮体41、配重锚定块42、释放器43以及声学通信控制模块5；主浮体41与主支杆31连接，主浮体41与配重锚定块42之间通过释放器43连接，声学通信控制模块5与释放器43之间电控连接。详细地，在本实施例中，释放器43包括熔断链和阳极供电线路，常态下声学通信控制模块5指令阳极供电线路与熔断链断开，当需要将本装置上浮回收时，通过工作船上的声学信号发生装置发出声波指令给声学通信控制模块5，让声学通信控制模块5指令阳极供电线路为熔断链供电，使得熔断链形成阳极加速防腐效果，在海水的腐蚀下断裂，最终使得配重锚定块42与主浮体41脱开，主浮体41带着其余结构一同上浮到海面。这样，需要将本装置上浮回收时，通过工作船上的声学信号发生装置发出声波指令给声学通信控制模块5，让声学通信控制模块5指令释放器43脱开，使得配重锚定块42与主浮体41脱开，主浮体41带着其余结构一同上浮到海面。进而，实现了可以循环利用，相比于现有的抛弃式装备，本发明具有多次循环利用的特点，降低了使用成本。
在本实施例中，还包括配重底板，配重底板附设在主浮体41的底面上，当主浮体41上浮时，配重底板的重量可以调整主浮体41的姿态，使得整个装置保持主舱体2在上，主浮体41在下的状态，避免出现倾覆状态。
在本实施例中，还包括声学模块供电电池和声学模块耐压电池仓；声学模块供电电池安装在声学模块耐压电池仓内，声学模块供电电池与声学通信控制模块5供电连接；声学模块耐压电池仓设置在主浮体41上。这样，使得声学模块耐压电池仓内的声学模块供电电池为声学通信控制模块5供电。
在本实施例中，还包括吊装环311；吊装环311设置在主支杆31上。
这样，机械吊臂可以通过吊装环311来吊装本装置。
在本实施例中，还包括卫星定位信标312；卫星定位信标312设置在主支杆31上。
这样，当本装置上浮到海面后，可以通过卫星定位信标312来定位寻获本装置。
如图2所示，在本实施例中，传感器组1包括快速温度传感器11、流速剪切传感器12、压力传感器13、诊断与调试接口14以及常规温度电导率传感器15。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.坐底式湍流微结构观测系统，其特征在于，包括传感器组、主舱体、控制主板、电池组、导向尾翼以及基座；
其中，所述主舱体包括主板耐压仓和电池耐压仓，所述控制主板设置在所述主板耐压仓内，所述电池组设置在所述电池耐压仓内，所述电池组与所述控制主板供电连接，所述传感器组与所述控制主板电信号连接；
所述传感器组设置在所述主舱体的头部；
所述导向尾翼设置在所述主舱体的尾部上，且导向尾翼沿着与所述主舱体的虚拟中心轴线平行的方向延伸；
所述主舱体枢转地设置在所述基座上。
2.根据权利要求1所述的坐底式湍流微结构观测系统，其特征在于，还包括主支杆，所述主支杆的一端与所述主舱体的中间部位枢转设置，所述主支杆的另一端与所述基座连接。
3.根据权利要求2所述的坐底式湍流微结构观测系统，其特征在于，还包括轴承和磁致涡流阻尼器；
所述主支杆通过所述轴承枢转设置在所述主舱体的中间部位上，且所述主支杆和所述主舱体之间设有磁致涡流阻尼器。
4.根据权利要求2所述的坐底式湍流微结构观测系统，其特征在于，所述基座包括主浮体、配重锚定块、释放器以及声学通信控制模块；
所述主浮体与所述主支杆连接，所述主浮体与所述配重锚定块之间通过所述释放器连接，所述声学通信控制模块与所述释放器之间电控连接。
5.根据权利要求4所述的坐底式湍流微结构观测系统，其特征在于，还包括声学模块供电电池和声学模块耐压电池仓；
所述声学模块供电电池安装在所述声学模块耐压电池仓内，所述声学模块供电电池与所述声学通信控制模块供电连接；
所述声学模块耐压电池仓设置在所述主浮体上。
6.根据权利要求2所述的坐底式湍流微结构观测系统，其特征在于，还包括吊装环；所述吊装环设置在所述主支杆上。
7.根据权利要求4所述的坐底式湍流微结构观测系统，其特征在于，还包括卫星定位信标；
所述卫星定位信标设置在所述主支杆上。
8.根据权利要求1所述的坐底式湍流微结构观测系统，其特征在于，所述传感器组包括快速温度传感器、流速剪切传感器、压力传感器、诊断与调试接口以及常规温度电导率传感器。
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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 | ||
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