CN113562119A - 一种测量深海剖面流的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量深海剖面流的装置，包括：下端与海底固定，上端与浮体连接的缆绳；按照设定间距间隔地固定在所述缆绳上的多个水密盒；设于所述水密盒内的加速度仪、倾角仪，以及对所述加速度仪、倾角仪供电的电源。本发明在不使用ADCP剖面流装置的情况下，通过倾角仪收集到的阵列数据以及数据收集之后的配套算法来计算出深海洋流流速，并且采用自容式供电，能够极为有效的解决深海中的长时间供电难题。成本低廉，测量及计算结果可靠有效。

Description

一种测量深海剖面流的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种测量深海剖面流的装置和方法，属于深海洋流流速测量技术领域。

背景技术

深海中的洋流环境极为复杂，不同深度处的洋流流速也不同，从而形成一个速度剖面，然而目前有很多的科研项目与深海相关，在深海中布放相关的测量仪器也越来越普遍，然而仪器的性能、测试结果以及系统的布放难度势必会受到深海环境比如洋流流速的影响。

在现有技术的方法中，一般多采用ADCP(声学多普勒流速剖面仪)来测量，但是这种方法成本较高，并且难以在深海中进行持续性的供电，并且ADCP后续的数据处理分析也十分的困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量深海剖面流的装置和方法，可以根据倾角仪测量到的数据来计算出深海洋流流速。在深海洋流的作用下，锚系中的水密盒(里面包含倾角仪、加速度仪以及电源)会发生一定的水平位移，而整个绳缆上有若干个水密盒，在不同深度上水密盒会发生不同的水平位移，从而可以通过倾角仪收集到阵列数据，再建立一个坐标系从而将缆绳上各个水密盒的坐标表示出来，最后通过逆有限元法来计算出深海洋流的剖面流速。

本发明采取以下技术方案：

一种测量深海剖面流的装置，包括：下端与海底固定，上端与浮体连接的缆绳；按照设定间距间隔地固定在所述缆绳上的多个水密盒4；设于所述水密盒内的加速度仪7、倾角仪9，以及对所述加速度仪7、倾角仪9供电的电源8。

优选的，还包括锚系重块1，所述缆绳下端与所述锚系重块1固定连接。

优选的，还包括声学释放锁2，所述声学释放锁2为并联声学释放装置，上下两级分布在缆绳的顶部和底部。

优选的，所述浮体上设有铱星信标6，铱星信标内部有信号接收处理装置和执行装置。

进一步的，所述缆绳上位于所有水密盒下方的部位设有用于测量沉淀物的沉淀物捕获器3。

优选的，加速度仪7、电源8、倾角仪9按照下、中、上的顺序放置在一个完全密封的水密盒4里面。

一种测量深海剖面流的方法，布放结束之后，整个锚系在深海中的初始状态为垂直形态，随着海底洋流的持续作用，锚系上的水密盒在水平方向上发生一定的偏移量，并且在不同深度处的水密盒偏移量各有不同,这些偏移数据被水密盒中的倾角仪9所记录；将缆绳近似为若干个由弹簧连接的质量点，在缆绳属性已知的情况下，水密盒中的倾角仪获取该节点的倾角α，倾角α的正切函数tanα即为节点位移的斜率，根据受力平衡，其与该段缆绳顶端所受的浮力B和所受的总流力F有如下关系：

其中B为该缆绳分段顶端所受的浮力，根据缆绳的物理属性和阿基米德定理易得，属于已知量，F为该缆绳所受的流力合力，F＝C_Dv²L，其中C_D为拖曳力系数，若该分段与浮球或其他物体连接，则以同样方法计入其拖曳力系数；L为缆绳长度，根据倾角α得到各段缆绳处的流速v：

其中不同缆绳分段的α和B不同，α根据倾角仪测量得到，B根据物理属性得到；通过逆有限元分析得到缆绳节点流速v与倾角α的一一对应关系v＝f(α)。

优选的，测量结束之后，通过船上的声学设备发射特定的声束，该声束被声学释放锁2接收到，在进行验证之后，声学释放锁2打开其与底部锚定重块1的连接，在顶部浮球5的浮力作用下，整个锚系向水面漂浮；科考船通过锚系顶部的铱星信标6来锁定整个装置在水面的具体位置，然后进行回收，再进行吊放作业，依次回收锚系中的所有水密盒4。

本发明的有益效果在于：

1)结构简单，便于安装和后续的回收利用，且工作可靠性高，同时系统能够稳定的工作，具有良好的测量效果。

2)将倾角仪和加速度仪都防放置在一个密封的水密盒里，可以有效避免流网以及偶然的海上作业所造成的破坏。

3)利用水密盒，采用自容式供电，能够极大的节省电力，同时也可以确保长达一年的稳定供电，为长时间的数据采集提供支撑。

4)检测剖面范围足够大，为缆绳长度，同时可保证数据的准确可靠；

5)投入的资金少，获得的资料多，性价比以及经济效益都相对比较高。

附图说明

图1是本发明测量深海剖面流的装置的结构示意图。

图2是水密盒的结构透视图。

图3是本发明测量深海剖面流的装置的工作原理示意图。

图中，1.锚定重块，2.释放锁，3.沉淀物，4.水密盒，5.顶部浮球，5’.中部浮球，6.信标，7.加速度仪，8.电源，9.倾角仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

本测量深海剖面流的装置是采用特殊材质绳索将各个组件连接在一根锚系上面，在通过母船下放到海底指定位置。下放之后，在底部锚块的重力作用下，整个锚系开始慢慢布放到深海里。具体结构说明如下：

参见图1-2，本测量深海剖面流的装置由锚定重块1、并联的声学释放锁2、沉积物捕获器3、水密盒4、顶部浮球5、中部浮球5’、信标6、加速度仪7、电源8、倾角仪9，其中加速度仪7、电源8和倾角仪9按照下、中、上的顺序放置在一个完全密封的水密盒4里面，该水密盒4通过缆绳分别与底部的锚定重块1和顶部的玻璃浮球5连接，水密盒4若干，每个接线盒间隔一定距离均匀的分布在缆绳上。其中铱星信标内部有信号接收处理装置和执行装置，同时在浮球的上方加设铱星信标和声学释放锁，其中声学释放锁为串联式声学释放装置，上下两级分布在整个锚系系统的顶部和底部。

整个装置具体布放过程如下：

1.首先将船艏调整为逆流方向，并随时使船舶处于上风、上流和船艏迎风的位置。行驶过程中将浮标起吊止荡绳栓到浮标系缆桩，随后将门架吊机钢缆栓至浮标系缆桩。

2.综合考虑风和流的作用，随时调整船舶风舷角，并注意观察船尾的缆绳情况，尽量让缆绳顺着船首尾的方向以避免相互缠绕，并随时根据其偏转方向使用舵进行纠正。

3.甲板同时指导起吊机及止荡绳动作，在顶部浮球起吊至足够高度后，吊臂逐渐缓慢向外摆，并逐渐降低浮球的高度，等到浮球摆到船左舷外侧的时候，再减小吊臂仰角使浮球尽可能远离船体，同时继续控制浮球向止荡以及下放直至入水；

4.顶部浮球5入水之后，利用木质撑杆尽量控制潜标与船体相互碰撞，作业人员通过起吊钢缆止荡绳将吊装浮标的钢缆取下，同时割断浮标起吊止荡绳。

5.再缓慢吊装其余水密盒4入水。

6.最后再吊装底部锚块1入水，母型船与整套潜标设备脱离，整个系统在重块的作用下自由落体沉底。

优选的注意事项：

1.注意2级海况及以下可正常进行作业，3级海况下限可正常作业，需要专业人员进行评估是否可以继续作业。

2.布放前将整个锚系按照布放顺序依次摆好，避免布放过程中锚系的绳子相互绞缠。

3.注意布放作业时间应该尽可能选择白天。

4.注意布放过程中线缆相互绞缠。

5.注意布放过程中尽量避免潜标与船体相互碰撞。

6.布放前注意仔细检查连接状态，并做好防松处理。

工作原理：当整个系统装置被顺利的布放至指定深海位置之后，在底部锚块的重力作用下，整个装置被固定在海底的某一个位置，锚系上不同的水密盒均匀的分布在不同的垂直深度上，所有的水密盒在开始时均处于同一条垂直直线上。之后由于深海洋流的作用，整个锚系装置会发生一定的水平位移，但不同深度上的洋流作用大小不一样，因此不同深度上的水密盒会发生不同程度上的偏移，而这些偏移数据都会被水密盒中的倾角仪所记录。在进行为期一年的测量之后，我们再对倾角仪中的数据进行处理，并建立一个坐标系，将这些水密盒的位置用更为具体直观的坐标表示出来，从而得到一系列的阵列数据，最后再通过逆有限元方法来计算出深海中的水流剖面流速。

算法原理：布放结束之后，整个锚系在深海中的初始状态为垂直形态，但随着海底洋流的持续作用，锚系上的水密盒在水平方向上会发生一定的偏移量，并且在不同深度处的水密盒偏移量各有不同。在缆绳属性已知的情况下，缆绳节点位移x与倾角α存在一一对应关系，该对应关系可通过逆有限元分析得到。逆有限元分析为有限元分析的逆过程，其为将缆绳近似为若干个由弹簧连接的质量点、在受力平衡的基础上建立数学模型、通过节点倾角α计算流速v的过程。本发明以逆有限元方法计算得到的α和v的一一对应关系v＝f(α)为基础，实现流剖面流速的测量。

具体如图3所示，以某一缆绳分段为例，水密盒中的倾角仪获取该节点的倾角α，倾角α的正切函数tanα即为节点位移的斜率，根据受力平衡，其与该段缆绳顶端所受的浮力B和所受的总流力F有如下关系：

其中B为该缆绳分段顶端所受的浮力，根据缆绳的物理属性和阿基米德定理易得，属于已知量，F为该缆绳所受的流力合力，由下式计算：

F＝C_Dv²L，

其中C_D为拖曳力系数，对圆柱形的缆绳可取C_D＝1.2，若该分段与浮球或其他物体连接，则以同样方法计入其拖曳力系数；L为缆绳长度，为已知量。因此可根据倾角α得到各段缆绳处的流速v：

其中不同缆绳分段的α和B不同，α根据传感器测量得到，B根据物理属性得到，从而得到各节点处的流速，从而测量流剖面流速。该算法不受水深、缆绳长度和水中颗粒物等因素的影响，因此适用于任意水深、任意剖面长度和任意水质的流剖面流速测量。

回收利用过程：测量结束之后，通过科考船上的声学设备发射特定的声束，之后该声束被锚系装置中的声学释放锁接收到，在进行验证之后，声学释放锁会打开其与底部锚定重块的连接，在顶部浮球的的浮力作用下，整个锚系装置开始脱离锚块向水面漂浮，到达水面之后，科考船通过锚系顶部的铱星信标来锁定整个装置在水面的具体位置，然后进行再进行回收，再利用科考船的尾部折吊臂进行吊放作业，采用人工搭载工作艇，到水面进行绑扎起吊绳的方式，依次回收锚系装置中的浮球以及所有水密盒。

综上可见，本发明在不使用ADCP剖面流装置的情况下，通过倾角仪收集到的阵列数据以及数据收集之后的配套算法来计算出深海洋流流速，并且采用自容式供电，能够极为有效的解决深海中的长时间供电难题。成本低廉，测量及计算结果可靠有效。

Claims (8)

1.一种测量深海剖面流的装置，其特征在于，包括：

下端与海底固定，上端与浮体连接的缆绳；

按照设定间距间隔地固定在所述缆绳上的多个水密盒(4)；

设于所述水密盒内的加速度仪(7)、倾角仪(9)，以及对所述加速度仪(7)、倾角仪(9)供电的电源(8)。

2.如权利要求1所述的测量深海剖面流的装置，其特征在于：还包括锚系重块(1)，所述缆绳下端与所述锚系重块(1)固定连接。

3.如权利要求1所述的测量深海剖面流的装置，其特征在于：还包括声学释放锁(2)，所述声学释放锁(2)为并联声学释放装置，上下两级分布在缆绳的顶部和底部。

4.如权利要求1所述的测量深海剖面流的装置，其特征在于：所述浮体上设有铱星信标(6)，铱星信标内部有信号接收处理装置和执行装置。

5.如权利要求4所述的测量深海剖面流的装置，其特征在于：所述缆绳上位于所有水密盒下方的部位设有用于测量沉淀物的沉淀物捕获器(3)。

6.如权利要求1所述的测量深海剖面流的装置，其特征在于：加速度仪(7)、电源(8)、倾角仪(9)按照下、中、上的顺序放置在一个完全密封的水密盒(4)里面。

7.一种测量深海剖面流的方法，其特征在于：

采用权利要求1-6中任意一项所述的测量深海剖面流的装置；

布放结束之后，整个锚系在深海中的初始状态为垂直形态，随着海底洋流的持续作用，锚系上的水密盒在水平方向上发生一定的偏移量，并且在不同深度处的水密盒偏移量各有不同,这些偏移数据被水密盒中的倾角仪(9)所记录；

将缆绳近似为若干个由弹簧连接的质量点，在缆绳属性已知的情况下，水密盒中的倾角仪获取该节点的倾角α，倾角α的正切函数tanα即为节点位移的斜率，根据受力平衡，其与该段缆绳顶端所受的浮力B和所受的总流力F有如下关系：

其中B为该缆绳分段顶端所受的浮力，根据缆绳的物理属性和阿基米德定理易得，属于已知量，F为该缆绳所受的流力合力，F＝C_Dv²L，其中C_D为拖曳力系数，若该分段与浮球或其他物体连接，则以同样方法计入其拖曳力系数；L为缆绳长度，根据倾角α得到各段缆绳处的流速v：

其中不同缆绳分段的α和B不同，α根据倾角仪测量得到，B根据物理属性得到；

通过逆有限元分析得到缆绳节点流速v与倾角α的一一对应关系v＝f(α)。

8.如权利要求7所述的测量深海剖面流的方法，其特征在于：测量结束之后，通过船上的声学设备发射特定的声束，该声束被声学释放锁(2)接收到，在进行验证之后，声学释放锁(2)打开其与底部锚定重块(1)的连接，在顶部浮球(5)的浮力作用下，整个锚系向水面漂浮；科考船通过锚系顶部的铱星信标(6)来锁定整个装置在水面的具体位置，然后进行回收，再进行吊放作业，依次回收锚系中的所有水密盒(4)。

Images