CN114236174A - 上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪及测量方法，该剖面仪包括仪器仓，仪器仓的上下两端分别安装有传感器组和释放机构，传感器组的外围设置有保护罩，仪器仓的周侧安装有环形的阻尼刷，仪器仓通过释放机构与沉耦架固定连接，仪器仓的下部设置有支架，支架可分离地固定在沉耦架的上端面。本发明的有益效果是：通过设置释放机构以及可抛弃的沉耦架，能够在无缆绳干扰的前提下进行可追踪的上浮式全水深湍流剖面观测。

Description

上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪及测量方法

技术领域

本发明涉及海洋观测技术领域，尤其涉及一种上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪及测量方法。

背景技术

海洋湍流混合是维持海洋环流，调控海洋中物质与能量输运的基本物理过程，同时影响营养盐、溶解氧和泥沙等要素分布，改变渔业、生态和沉积物环境。海洋湍流混合的特征量，如湍动能耗散率和湍流热耗散率等，主要是通过自由下落或上浮式的微结构剖面仪现场观测来实现。

传统的海洋湍流混合观测仪器多数带缆式自由下落的剖面观测仪，下放时缆绳保持松弛，如湍流海洋微结构观测仪(TurboMap)，湍流微结构剖面仪(MSS)，垂向微结构剖面仪(VMP)等。其主要缺陷是：(1)需要通过通讯脐带缆与母船甲板单元相连，仪器无法实现真正的自由下落，缆绳在水中的运动对湍流信号的测量带来较大影响，且带缆作业难以实现深海观测；(2)由于海表母船的影响，无法开展近海表自然状态下水体的湍流观测。

还有一类无缆下放式的海洋湍流混合观测仪器，如消耗型微结构剖面仪(XMP)，可抛弃式湍流混合观测仪(如ZL201610888759.7)等。此类仪器解决了缆绳影响问题，使仪器实现真正的自由下落观测，可实现深海及近海底观测。但存在的缺陷是：(1)无法控制或知道它何时上浮，水下状态不可知，存在极大的盲目性，回收风险大，消耗船时长；(2)若开展海底边界层观测，仪器触底损坏传感器，且需要抛载掉整个传感器模块以减少重量使其上浮，观测成本昂贵；(3)由于海表母船的影响，无法开展近海表自然状态下水体的湍流观测。

爱尔兰国立大学最近研制一类新型的无缆上浮式的海洋湍流混合观测仪——海气相互作用观测剖面仪(ASIP)。此仪器由底部电动马达驱动下沉后再自由上浮观测，可实现近海表水体的湍流观测。此仪器存在的缺陷是：(1)观测深度浅(<100m)，无法开展深海观测；(2)为自动工作模式，无法控制其下沉与上浮时间，回收风险大。

综上，现有的剖面仪均无法在摆脱缆绳的前提下进行可追踪的能够覆盖全水深不同层位的湍流剖面观测。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪及测量方法，主要解决现有的剖面仪均无法在摆脱缆绳的前提下进行可追踪的全水深湍流剖面观测的问题。

为解决上述技术问题，本发明第一方面提出一种上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪，包括仪器仓，所述仪器仓的上下两端分别安装有传感器组和释放机构，所述传感器组的外围设置有保护罩，所述仪器仓的周侧安装有环形的阻尼刷，所述仪器仓通过所述释放机构与沉耦架固定连接，所述仪器仓的下部设置有支架，所述支架可分离地固定在所述沉耦架的上端面。

在一些实施方式中，所述释放机构包括安装在所述仪器仓下端的固定件，所述固定件上分别安装有固定臂以及活动臂，所述活动臂上安装有用于与所述沉耦架进行可分离固定的挂钩，所述固定臂和所述活动臂之间通过熔断丝进行固定。

在一些实施方式中，所述沉耦架包括两个交叉设置的沉耦臂，所述沉耦臂的交叉点上表面设置有用于与所述挂钩配合的挂环。

在一些实施方式中，两个所述沉耦臂的端部均设置有呈空心圆柱结构的导流筒，且所述导流筒的轴心垂直于所述沉耦臂所处于的平面。

在一些实施方式中，所述沉耦臂上还设置有用于固定所述支架的凹槽。

在一些实施方式中，所述传感器组和所述仪器仓通过柔性减震耦合架连接。

在一些实施方式中，所述传感器组包括剪切测量模块、快速温度测量模块、CTD测量模块、姿态测量模块、加速度测量模块、声学换能器和GPS信标模块，其中，所述声学换能器用于接收母船发送的声学释放命令并给予声学信号应答反馈。

在一些实施方式中，所述仪器仓内设置有主控模块，以及与所述主控模块进行电连接的数据采集模块、电源模块、无线信标模块、氙气频闪灯模块、存储模块、时钟模块和抛载控制模块，所述抛载控制模块的输出端与所述熔断丝进行连接；其中，所述数据采集模块用于接收所述剪切测量模块、所述快速温度测量模块、所述CTD测量模块、所述姿态测量模块和所述加速度测量模块发送的数据；所述主控模块用于接收所述数据采集模块发送的所述数据，并将所述数据传输至所述存储模块，还用于接收所述声学换能器传输的声学释放命令，并将所述声学释放命令发送至所述抛载控制模块；所述抛载控制模块用于根据所述声学释放命令输出匹配所述熔断丝的过载电流。

在一些实施方式中，所述仪器仓的内部还安装有可拆卸的耐压空心玻璃球，所述主控模块、数据采集模块、电源模块、无线信标模块、氙气频闪灯模块、存储模块、时钟模块和抛载控制模块安装在所述耐压空心玻璃球内。

本发明第二方面提出一种测量方法，用于上述的上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪，包括以下步骤：

步骤一，将剖面仪垂直投入海水中；

步骤二，剖面仪在所述导流筒的作用下平稳下落直至接触海底；

步骤三，母船的声学甲板单元发送所述声学释放命令，所述声学换能器接收所述声学释放命令，并将所述声学释放命令传输至所述主控模块，所述主控模块将所述声学释放命令传输至所述抛载控制模块，所述抛载控制模块向所述熔断丝输出过载电流，通过海水形成团合回路将所述熔断丝熔断；

步骤四，所述活动臂失去所述熔断丝的限制进行回弹，所述挂钩与所述挂环分离，剖面仪在所述阻尼刷的作用下均速平稳上浮观测，所述传感器组持续获取物理量。

本发明的有益效果为：通过设置释放机构以及可抛弃的沉耦架，能够在无缆绳干扰的前提下进行可追踪的上浮式全水深湍流剖面观测。

附图说明

图1为本发明实施例一公开的上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪的结构示意图；

图2为本发明实施例一公开的释放机构的结构示意图；

图3为本发明实施例一公开的沉耦架的结构示意图；

图4为本发明实施例一公开的上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪的电路原理图；

图5为本发明实施例二公开的测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

本实施例提出了一种上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪，可以实现(1)无缆自由上浮观测，避免缆绳对湍流信号观测的影响；(2)克服传统微结构仪难以开展近海表、近海底和深海观测的难题，可开展近海底、深海、浅海和近海表的全水深湍流剖面观测；(3)由水面发射声信号控制仪器抛载沉耦架上浮观测，避免抛载观测探头组付出的昂贵代价，同时在释放信号发出后在海面等待回收且能时时测量相对距离大大降低了观测等待的盲目性，因此大大降低了仪器耗材成本和观测成本。综上，本发明能够在无缆绳干扰的前提下进行可追踪的上浮式全水深湍流剖面观测。

如图1-4所示,该剖面仪包括仪器仓3，仪器仓3的上下两端分别安装有传感器组2和释放机构6，传感器组2的外围设置有保护罩1，保护罩1为不锈钢材质可同时作为剖面仪的吊装环。仪器仓3的周侧安装有环形的阻尼刷4，用于剖面仪上浮观测时保持姿态的竖直运动及控制升速，仪器仓3通过释放机构6与沉耦架7固定连接，仪器仓3的下部设置有支架5，支架5可分离地固定在沉耦架7的上端面，保持仪器仓3整体结构的稳定性。

释放机构6包括安装在仪器仓3下端的固定件601，固定件601上分别安装有固定臂602以及活动臂603，活动臂603上安装有用于与沉耦架7进行可分离固定的挂钩604，固定臂602和活动臂603之间通过熔断丝605进行固定。释放机制也不局限于电熔断方式，可以采用旋转释放机械传动方式、化学腐蚀溶断方式或同时集成多种释放方式。

沉耦架7包括两个交叉设置的沉耦臂701，沉耦臂701的交叉点上表面设置有用于与挂钩604配合的挂环702。两个沉耦臂701的端部均设置有呈空心圆柱结构的导流筒703，且导流筒703的轴心垂直于沉耦臂701所处于的平面。沉耦臂701上还设置有用于固定支架5的凹槽704。凹槽704用于与仪器仓3的支架5连接压紧，沉耦臂701提供足够的重量使仪器从水面投放时可以下沉至海底，导流筒701用于仪器投放下沉过程中导流，使仪器保持竖直的平稳姿态下落而不发生侧翻。沉耦架7也增大了仪器与海底接触的面积，从而防止仪器接触海底后下陷。

当仪器收到声学释放命令后，熔断丝605通电，电流通过海水形成闭合回路，产生高温熔断，活动臂603在扭簧的作用力下弹开，从而打开了挂钩604的咬合连接卡扣，沉耦架7的挂环702与挂钩604脱开，剖面仪在仪器仓3的浮力作用下上浮观测直至海面。

传感器组2和仪器仓3通过柔性减震耦合架(图中未示)连接。

传感器组2包括剪切测量模块201、快速温度测量模块202、CTD测量模块203、姿态测量模块204、加速度测量模块205、声学换能器206和GPS信标模块207，其中，声学换能器206用于接收母船发送的声学释放命令并给予声学信号应答反馈。

仪器仓3内设置有主控模块301，以及与主控模块301进行电连接的数据采集模块302、电源模块303、无线信标模块304、氙气频闪灯模块305、存储模块306、时钟模块307和抛载控制模块308，抛载控制模块308的输出端与熔断丝605进行连接；

其中，数据采集模块302用于接收剪切测量模块201、快速温度测量模块202、CTD测量模块203、姿态测量模块204和加速度测量模块205发送的数据；

主控模块301用于接收数据采集模块302发送的数据，并将数据传输至存储模块306，还用于接收声学换能器206传输的声学释放命令，并将声学释放命令发送至抛载控制模块308；

抛载控制模块308用于根据声学释放命令输出匹配所述熔断丝605的过载电流。

仪器仓3的内部还安装有可拆卸的耐压空心玻璃球(图中未示)，主控模块301、数据采集模块302、电源模块303、无线信标模块304、氙气频闪灯模块305、存储模块306、时钟模块307和抛载控制模块308安装在耐压空心玻璃球内。

实施例二

本实施例公开了一种测量方法，用于上述的上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪，如图5所示，包括以下步骤：

步骤一，将剖面仪垂直投入海水中。

在步骤一中，剖面仪整体组装后，剖面仪由保护罩1从海面母船绞车吊钩吊至水面投放。

步骤二，剖面仪在导流筒703的作用下平稳下落直至接触海底。

在步骤二中，剖面仪从海面入水后，在沉耦架7的重力作用下沉，在导流筒703的作用下竖直平稳下落直至海底。

步骤三，母船的声学甲板单元发送声学释放命令，声学换能器206接收声学释放命令，并将声学释放命令传输至主控模块301，主控模块301将声学释放命令传输至抛载控制模块308，抛载控制模块308向熔断丝605输出过载电流，通过海水形成团合回路将熔断丝605熔断。

在步骤三中，当需要剖面仪上浮观测时，母船利用声学甲板单元向水中发射声学释放命令，剖面仪的声学换能器206接收到声学释放命令后，抛载控制模块308向熔断丝605通电，电流通过海水形成回路，熔断丝605熔断。

步骤四，活动臂603失去熔断丝605的限制进行回弹，挂钩604与挂环702分离，剖面仪在阻尼刷4的作用下均速平稳上浮观测，传感器组2持续获取物理量，从而实现近海底、深海、浅海与近海表的全水深湍流混合观测。

在步骤四中，活动臂603由于失去熔断丝605的限位，其在扭簧的作用力下弹开，从而打开了挂钩604的咬合连接卡扣，沉耦架7的挂环702与挂钩604脱开，剖面仪在仪器仓3的浮力作用下上浮观测。

剖面仪上浮过程中，在阻尼刷4的作用下，保持竖直姿态和平稳升速上升，同时母船可以通过声学甲板单元实时测量与剖面仪之间的距离，降低等待的盲目性。剖面仪从海底向海表上浮过程中，依次完成近海底、深海、浅海和近海表的湍流观测，直至露出水面。剖面仪露出水面后，通过GPS信标模块207和无线信标模块304发射位置信息，若光线不足时激活氙气频闪灯模块305，母船发现目标后打捞回收。

本发明传感器组2位于仪器仓3顶部，剖面仪自由上浮观测时，传感器组2最先接触自然水体，保证数据真实可靠、未被污染。传感器组2采用双剪切探头垂直架装的剪切测量模块201、双快速温度探头的快速温度测量模块202同步观测的方式，实现相互校验，提高海水湍流混合观测准确度。观测参量还有CTD测量模块203获取的常规温度、盐度和深度，结合时钟模块307可以获得剖面仪的上浮速度，实现剪切和温度谱从频率谱向波数波的转化。传感器组2内部安装了具有高灵敏度、高精度的姿态测量模块204和加速度测量模块205，以用于测量系统自身振动信号，利用此信号通过交插谱分析方法可以将剪切谱与温度谱中由自身振动影响的部分滤除。最后根据过滤后的真实剪切谱与温度谱积分计算湍动能耗散率和湍流热耗散率，实现海水的湍流混合观测。

本发明采用传感器组2与仪器仓3分体设计，减小了主体震动的影响并降低了检修成本(探头易损坏)。仪器外形采用流线型设计以减少流动分离及尾涡的流体震荡，优化浮心和重心的间距，配有阻尼刷4保持平衡，最大限度地提高仪器上浮运动的稳定性。仪器仓3内部耐压空心玻璃球中集成全组电路与电池组，与外部浮体材料保护壳可拆卸式设计，方便拆卸与搬运。海洋观测中常用的耐压空心玻璃球耐压一般可超过6000m，可实现深海观测。

本发明采用抛载式的沉耦架7并非如传统的无缆下放式湍流观测仪(例如XMP)需要抛弃传感器组实现从海底上浮，大大降低了观测耗材成本。通过发射声学命令可控仪器的上浮时间，并可实时测量与母船之间的相对距离，降低回收风险及母船等待的盲目性，可与其它作业协同工作，增大了观测的自由度并降低了观测成本。

本发明克服了传统湍流混合剖面仪不能开展近海底与近海表观测的难题，同时实现了近海底、深海、浅海和近海表完整全水深剖面的一次性观测能力。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪，包括仪器仓，其特征在于，所述仪器仓的上下两端分别安装有传感器组和释放机构，所述传感器组的外围设置有保护罩，所述仪器仓的周侧安装有环形的阻尼刷，所述仪器仓通过所述释放机构与沉耦架固定连接，所述仪器仓的下部设置有支架，所述支架可分离地固定在所述沉耦架的上端面。

2.如权利要求1所述的上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪，其特征在于，所述释放机构包括安装在所述仪器仓下端的固定件，所述固定件上分别安装有固定臂以及活动臂，所述活动臂上安装有用于与所述沉耦架进行可分离固定的挂钩，所述固定臂和所述活动臂之间通过熔断丝进行固定。

3.如权利要求2所述的上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪，其特征在于，所述沉耦架包括两个交叉设置的沉耦臂，所述沉耦臂的交叉点上表面设置有用于与所述挂钩配合的挂环。

4.如权利要求3所述的上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪，其特征在于，两个所述沉耦臂的端部均设置有呈空心圆柱结构的导流筒，且所述导流筒的轴心垂直于所述沉耦臂所处于的平面。

5.如权利要求4所述的上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪，其特征在于，所述沉耦臂上还设置有用于固定所述支架的凹槽。

6.如权利要求5所述的上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪，其特征在于，所述传感器组和所述仪器仓通过柔性减震耦合架连接。

7.如权利要求6所述的上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪，其特征在于，所述传感器组包括剪切测量模块、快速温度测量模块、CTD测量模块、姿态测量模块、加速度测量模块、声学换能器和GPS信标模块，

其中，所述声学换能器用于接收母船发送的声学释放命令并给予声学信号应答反馈。

8.如权利要求7所述的上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪，其特征在于，所述仪器仓内设置有主控模块，以及与所述主控模块进行电连接的数据采集模块、电源模块、无线信标模块、氙气频闪灯模块、存储模块、时钟模块和抛载控制模块，所述抛载控制模块的输出端与所述熔断丝进行连接；

其中，所述数据采集模块用于接收所述剪切测量模块、所述快速温度测量模块、所述CTD测量模块、所述姿态测量模块和所述加速度测量模块发送的数据；

所述主控模块用于接收所述数据采集模块发送的所述数据，并将所述数据传输至所述存储模块，还用于接收所述声学换能器传输的声学释放命令，并将所述声学释放命令发送至所述抛载控制模块；

所述抛载控制模块用于根据所述声学释放命令输出匹配所述熔断丝的过载电流。

9.如权利要求8所述的上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪，其特征在于，所述仪器仓的内部还安装有可拆卸的耐压空心玻璃球，所述主控模块、数据采集模块、电源模块、无线信标模块、氙气频闪灯模块、存储模块、时钟模块和抛载控制模块安装在所述耐压空心玻璃球内。

10.一种测量方法，用于权利要求9所述的上浮式无缆湍流混合微结构测量剖面仪，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将剖面仪垂直投入海水中；

步骤二，剖面仪在所述导流筒的作用下平稳下落直至接触海底；

步骤三，母船的声学甲板单元发送所述声学释放命令，所述声学换能器接收所述声学释放命令，并将所述声学释放命令传输至所述主控模块，所述主控模块将所述声学释放命令传输至所述抛载控制模块，所述抛载控制模块向所述熔断丝输出过载电流，通过海水形成团合回路将所述熔断丝熔断；

步骤四，所述活动臂失去所述熔断丝的限制进行回弹，所述挂钩与所述挂环分离，剖面仪在所述阻尼刷的作用下均速平稳上浮观测，所述传感器组持续获取物理量。

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