CN114771737A - 一种Argo浮标及基于Argo浮标的海洋声学及环境参数协同观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Argo浮标及基于Argo浮标的海洋声学及环境参数协同观测方法，属于海洋观测技术领域。本发明的Argo浮标包括液压蓄能器、声学接收器和声学发射器。在本发明中，Argo浮标集成了液压蓄能器、声学换能器，能够通过调节自身浮力控制所处水深位置，当两个及以上Argo浮标在不同位置悬停时，利用Argo浮标自身搭载的声学换能器进行相互之间的水声信号传输，实现不同海洋剖面水深位置的声学测量；利用两个Argo浮标的先探与跟随动作过程，规划海洋环境参数跃层区域内Argo浮标的运动轨迹，实现海洋环境参数跃层区域内的精细化观测，从而提高Argo浮标的数据测量质量和综合测量能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种Argo浮标及基于Argo浮标的海洋声学及环境参数协同观测方法，属于海洋观测技术领域。
背景技术
海洋中蕴含人类生存发展所需的各类资源，包括丰富的矿物、油气和海洋生物等。为满足探索不同深度海洋环境状况和动态监测海洋剖面参数的需求，海洋剖面浮标(即Argo浮标)应运而生。Argo浮标是一种可以自主实现上浮下潜运动并同时完成准实时数据监测与传输的海洋观测平台，它能够在预先设定深度的海洋水体之间进行上浮下潜运动，利用所携带的各类传感器监测并记录海洋剖面参数。当Argo浮标运行至海面时，通过卫星系统进行自身定位和海洋剖面数据传输。
目前，基于Argo浮标的海洋剖面参数观测技术主要聚焦于海洋剖面温度、盐度、深度等环境参数以及声速参数观测。中国专利文件CN109436208A公布了一种海洋剖面浮标，不仅具有浮力自适应调节、水下长时间工作的优点，而且还能够对海洋的环境参数和洋流流速进行测量，实现海水跃层参数和流速的准实时观测；中国专利文件CN109319052A公布了一种油囊式Argo浮标浮力精确控制方法及其实验装置，能够控制浮标在下潜和上浮的过程中保持匀速运动，从而保持相对稳定的垂直方向运动，使Argo浮标搭载的传感器有效捕捉海洋剖面参数，避免重要数据丢失。
声学换能器是能够将声能和电能进行相互转换的器件，是在海水中发射和接收声波的声学元件，其中，将声能转换为电能的换能器称为声学接收器或水听器，将电能转换为声能的换能器称为声学发射器。声学换能器是成熟的元件，如中国专利文件CN103400574A公布了一种收发共用型宽带拼镶圆环换能器及其制备方法，该种换能器具有电声转换效率高、收发性能优异等优点。
目前在位运行的Argo浮标大多采用独立观测模式，不具有水下交互式通信功能，且在现有公布的专利和文献中，尚未检索到针对两个及以上Argo浮标协同作业观测方法的研究，也少有关于水下声学探测Argo浮标的研究，使得Argo浮标的数据观测质量和应用领域受到限制，无法满足当前海洋声学及环境参数的观测需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种Argo浮标及基于Argo浮标的海洋声学及环境参数协同观测方法，Argo浮标中集成了液压蓄能器、声学换能器，能够通过调节自身浮力控制所处水深位置。当两个及以上Argo浮标在不同位置悬停时，利用Argo浮标自身搭载的声学换能器进行相互之间的水声信号传输，实现不同海洋剖面水深位置的声学测量；利用两个Argo浮标的先探与跟随动作过程，规划海洋环境参数跃层区域内Argo浮标的运动轨迹，实现海洋环境参数跃层区域内的精细化观测，从而提高Argo浮标的数据测量质量和综合测量能力。
本发明采用以下技术方案：
一种Argo浮标，包括耐压壳体，耐压壳体用于承受外部水压，保证Argo浮标内部零件与海水隔离，耐压壳体外部上方固定有通讯天线，用于与卫星传输数据，并通过卫星获得定位信息；耐压壳体外部还设置有浮力油囊和温盐深仪，温盐深仪用于采集海洋水体的温度、盐度和深度环境参数信息；所述耐压壳体内部设置有控制模块、储油油囊、液压浮力调节装置和电池，控制模块用于向液压浮力调节装置、声学发射器发送控制信号，并处理温盐深仪、声学接收器反馈的监测信息，液压浮力调节装置用于调节浮力油囊和储油油囊内部的液压油体积，从而改变Argo浮标的排水体积，调整Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标的上浮下潜，电池用于为Argo浮标供电；
本发明所述的通讯天线、控制模块、浮力油囊、储油油囊、耐压壳体、液压浮力调节装置、电池、温盐深仪等均为现有Argo浮标的常用零部件，可参照现有技术进行连接和安装，如中国专利文件CN109436208A，对Argo浮标的结构、功能和工作原理做了详细介绍。
所述Argo浮标还包括液压蓄能器、声学接收器、声学发射器和防护支撑架，液压蓄能器安装于耐压壳体内部，在Argo浮标的位置精确控制和速度精确控制过程中向液压浮力调节装置提供液压油，防护支撑架固定安装于耐压壳体底部，在调试、运输过程中作为底座支撑Argo浮标，声学接收器和声学发射器安装于防护支撑架内部，用于不同Argo浮标之间的水声通信。
优选的，所述液压浮力调节装置，包括直线位移传感器、阻尼器、单向阀A、单向阀B、双向齿轮泵、电动机、压力变送器、两位两通比例阀A、两位两通比例阀B、两位两通电磁阀A、两位两通电磁阀B和所述液压蓄能器，液压蓄能器包括液压蓄能器A和液压蓄能器B；
直线位移传感器安装于储油油囊内部，用于测量储油油囊的伸缩位移Δx；
储油油囊经阻尼器、单向阀A连接双向齿轮泵，阻尼器安装于储油油囊和单向阀A之间，防止双向齿轮泵进油口与出油口出现较大压力差，单向阀A安装于阻尼器和双向齿轮泵之间，防止液压油从储油油囊直接流入双向齿轮泵；双向齿轮泵与电动机连接；双向齿轮泵经单向阀B连接浮力油囊，单向阀B防止液压油直接从浮力油囊流入双向齿轮泵；
两位两通电磁阀A安装于浮力油囊和双向齿轮泵之间，控制浮力油囊与双向齿轮泵之间的油路通断；两位两通电磁阀B安装于储油油囊和双向齿轮泵之间，控制储油油囊与双向齿轮泵之间的油路通断；液压蓄能器A通过两位两通比例阀A与浮力油囊连接，液压蓄能器B通过两位两通比例阀B与浮力油囊连接，液压蓄能器A内部的液压油压力高，液压蓄能器B内部的液压油压力低；
所述压力变送器与浮力油囊连接，用于监测浮力油囊内的液压油压力，所述直线位移传感器、电动机、两位两通比例阀A、两位两通比例阀B、压力变送器、两位两通电磁阀A、两位两通电磁阀B均与控制模块信号连接。
优选的，当要求浮力油囊体积频繁变化时，液压蓄能器A向浮力油囊提供液压油，使浮力油囊膨胀；液压蓄能器B消纳浮力油囊中多余的液压油，使浮力油囊缩小；两位两通比例阀A和两位两通比例阀B用于控制浮力油囊体积的变化速度；压力变送器监测的浮力油囊内液压油压力，作为控制液压蓄能器开启或关闭的依据。
优选的，储油油囊的体积变化量ΔV为：
储油油囊为圆柱形，D为圆柱形储油油囊的直径。
优选的，Argo浮标的工作过程为：
Argo浮标接收到卫星发送来的下潜信号，控制模块使两位两通电磁阀A置于左位，并向电动机发送信号，使电动机驱动双向齿轮泵逆时针旋转，液压油从浮力油囊经过两位两通电磁阀A和双向齿轮泵进入储油油囊，浮力油囊体积缩小，Argo浮标排水体积减小，执行下潜动作；
通过温盐深仪监测到Argo浮标下潜到期望水深，两位两通比例阀A控制液压蓄能器A向浮力油囊充油，使浮力油囊膨胀，利用温盐深仪监测Argo浮标的上浮下潜情况，判断Argo浮标所受浮力与重力是否平衡(在Argo浮标布放前测量其质量、体积，通过质量可以计算出重力；通过体积和上文提到的体积变化量可以计算排水体积，即能够计算浮力)，若重力大于浮力，则液压蓄能器A继续向浮力油囊充油使浮力油囊膨胀，若浮力大于重力，则两位两通比例阀B控制液压蓄能器B从浮力油囊吸油，使浮力油囊缩小，当Argo浮标所受浮力与重力平衡时，Argo浮标在期望水深悬停；控制模块生成上浮信号，控制两位两通电磁阀B置于左位，并向电动机发送信号，使电动机驱动双向齿轮泵顺时针旋转，液压油从储油油囊经过两位两通电磁阀B和双向齿轮泵进入浮力油囊，浮力油囊体积膨胀，Argo浮标排水体积增大，执行上浮动作；上浮过程中，利用温盐深仪记录海洋环境参数；通过温盐深仪监测到Argo浮标上浮到水面，通过卫星传输监测到的海洋环境参数。
一种上述的Argo浮标的海洋声学协同观测方法，Argo浮标的数量为两个及以上，当Argo浮标的数量为两个时，分别为Argo浮标A和Argo浮标B，其作业过程如下：
(1.1)在选定海域间隔一定水平距离L1分别投放Argo浮标A和Argo浮标B，Argo浮标A和Argo浮标B接收到卫星传来的控制信号，记录并通过卫星发送下潜位置信息后，同时执行下潜动作，利用控制模块控制Argo浮标的液压浮力调节装置，减小Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A和Argo浮标B以相同速度同步下潜；
(1.2)利用Argo浮标所携带的温盐深仪感知水深数据，当到达所设定的最大水深后，控制模块控制液压浮力调节装置，增大Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A和Argo浮标B在相同水深的同步悬停；
(1.3)利用Argo浮标所携带的声学发射器和声学接收器实现Argo浮标A和Argo浮标B之间的水声信号发送与接收，记录信号发送与接收的时间间隔t1，即Argo浮标A的声学发射器发送信号给Argo浮标B的声学接收器，同时Argo浮标B的声学发射器发送信号给Argo浮标A的声学接收器，声学信号在不同的频段，不会出现交叉混乱值得注意的是，两个时间间隔应该是一致的，如果不一致，可在数据传回地面基站后，人为取平均数进行时间校正；
(1.4)再次利用控制模块控制Argo浮标的液压浮力调节装置，增大Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A和Argo浮标B以相同速度同步上浮与悬停，重复步骤(1.3)中的测量过程，逐层记录不同水深处声学信号发送与接收的时间间隔ti；
(1.5)Argo浮标A和Argo浮标B上浮至水面后，再次记录并通过卫星发送上浮位置信息，此时Argo浮标A和Argo浮标B之间间隔的水平距离记为L2；
其中，vi为不同水深处的声学信号的传播速度vi，即获得所观测的海洋剖面声学参数。
优选的，当Argo浮标的数量为三个时，分别为Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C，其作业过程如下：
(2.1)在选定海域分别投放Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C，投放时Argo浮标A和Argo浮标B间隔水平距离LAB1，Argo浮标A和Argo浮标C间隔水平距离LAC1，Argo浮标B和Argo浮标C间隔水平距离LBC1，Argo浮标A、Argo浮标B、Argo浮标C接收到卫星传来的控制信号，记录并通过卫星发送下潜位置信息后，同时执行下潜动作，利用控制模块控制Argo浮标的液压浮力调节装置，减小Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C以相同速度同步下潜；
(2.2)利用Argo浮标所携带的温盐深仪感知水深数据，当到达所设定的最大水深后，控制模块控制液压浮力调节装置，增大Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C在相同水深的同步悬停；
(2.3)利用Argo浮标所携带的声学发射器和声学接收器实现Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C之间的水声信号发送与接收，即Argo浮标A与Argo浮标B之间，Argo浮标A与Argo浮标C之间，以及Argo浮标B与Argo浮标C之间，均进行水声信号发送与接收，记录相互之间信号发送与接收的时间间隔，可分别记为tAB1、tAC1、tBC1；
(2.4)再次利用控制模块控制Argo浮标的液压浮力调节装置，增大Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A、Argo浮标B、Argo浮标C以相同速度同步上浮与悬停，重复步骤(2.3)中的测量过程，逐层记录不同水深处声学信号发送与接收的时间间隔tABi、tACi、tBCi
(2.5)Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C上浮至水面后，再次记录并通过卫星发送上浮位置信息，此时Argo浮标A、Argo浮标B、Argo浮标C之间间隔的水平距离可分别记为LAB2、LAC2、LBC2；
其中，vABi、vACi、vBCi分别为Argo浮标A与Argo浮标B之间，Argo浮标A与Argo浮标C之间，Argo浮标B与Argo浮标C之间在不同水深处的声学信号的传播速度，即获得所观测的海洋剖面声学参数。
一种上述的Argo浮标的海洋环境参数协同观测方法，Argo浮标的数量为两个，分别为Argo浮标A和Argo浮标B，其作业过程如下：
(3.1)在选定海域投放Argo浮标A，通过卫星定位并记录下潜位置，Argo浮标A执行“先探”过程，利用控制模块控制液压浮力调节装置，调节Argo浮标的净浮力，利用浮标所携带的温盐深仪感知水深数据，使浮标下潜到所设定的最大水深；
(3.2)液压浮力调节装置调节Argo浮标A的净浮力，使Argo浮标A上浮，在上浮过程中利用温盐深仪记录海水的温度、盐度、深度等海洋剖面环境参数，将Argo浮标A的上浮轨迹记为“粗测轨迹”，观测到的数据记为“粗测数据”；
(3.3)Argo浮标A上浮至水面后，将“粗测数据”通过卫星传回地面基站，基于“粗测数据”，按照海洋环境参数观测精细度要求和实际所需要精细探测的区域，选定需要精细探测的水深区间；
(3.4)在与Argo浮标A相同的投放位置处投放Argo浮标B，通过卫星定位并记录下潜位置，Argo浮标B执行“跟随”过程，利用控制模块控制液压浮力调节装置，调节Argo浮标B的净浮力，利用浮标所携带的温盐深仪感知水深数据，使浮标下潜到所设定的精细测量水深区间；
(3.5)液压浮力调节装置调节Argo浮标B的净浮力，使Argo浮标B跟随“精测轨迹”自主上浮，对于选定的需要精细探测的水深区间，利用Argo浮标B进行精细化测量，测量过程中降低Argo浮标B的上浮速度，从而确定包含Argo浮标B运动水深区间和运动速度参数的剖面运动轨迹，利用温盐深仪记录海水的温度、盐度、深度等海洋剖面环境参数，将观测到的数据记为“精测数据”，在不改变温盐深仪采样频率的前提下，“精测数据”能够记录到更多的海洋环境参数信息；
(3.6)Argo浮标B上浮至水面后，将“精测数据”传回地面基站，完成观测过程。
本发明的“先探”过程获得“粗测数据”，“跟随”过程获得“精测数据”，“先探”过程测量水深区间范围大，浮标上浮速度快，数据观测精细度低；“跟随”过程测量水深区间范围小，浮标上浮速度慢，数据观测精细度高；
“粗测数据”是为了大概地、粗略地了解海洋参数变化趋势，确定海洋参数变化剧烈的水深区间，为“跟随”观测过程做准备，其协同作业体现在：“跟随”过程是基于“先探”过程的“粗测数据”而确定的运动轨迹，协同观测能够提高海洋环境参数观测的精细度，获得科学家希望得到的海洋参数变化剧烈的水深区间内的准确的海洋环境参数。
本发明中未详尽之处，均可采用现有技术进行。
本发明的有益效果为：
1)本发明所提出的Argo浮标能够利用液压蓄能器调节浮力油囊的体积，进而调节Argo浮标的净浮力，实现对Argo浮标悬停水深和垂直剖面运动速度的精确控制，避免频繁启动、停止双向齿轮泵导致的功率损失，更加节能。
2)本发明所提出的Argo浮标搭载声学发射器和声学接收器，利用两台及以上的Argo浮标的同步运动过程，能够实现海洋剖面声学参数的测量。
3)本发明所提出的Argo浮标能够利用“先探”过程确定需要进行精细测量的水深区间，再利用“跟随”过程实现关键水深区域的精细测量，大幅提高了数据测量质量。
附图说明
图1为本发明的Argo浮标结构示意图；
图2为本发明的Argo浮标的液压浮力调节装置的液压原理图；
图3为本发明的Argo浮标基本工作流程图；
图4为本发明的Argo浮标海洋声学参数测量过程示意图；
图5为本发明的Argo浮标海洋环境参数精细测量过程示意图；
其中，1-通讯天线，2-控制模块，3-浮力油囊，4-储油油囊，5-耐压壳体，6-液压浮力调节装置，7-电池，8-防护支撑架，9-声学接收器，10-声学发射器，11-温盐深仪，12-液压蓄能器，12.1-液压蓄能器B，12.2-液压蓄能器A，13-直线位移传感器，14-阻尼器，15.1-单向阀A，15.2-单向阀B，16-双向齿轮泵，17-电动机，18.1-两位两通比例阀A，18.2-两位两通比例阀B，19-压力变送器，20.1-两位两通电磁阀A，20.2-两位两通电磁阀B。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种Argo浮标，如图1-2所述，包括耐压壳体5，耐压壳体5用于承受外部水压，保证Argo浮标内部零件与海水隔离，耐压壳体5外部上方固定有通讯天线1，用于与卫星传输数据，并通过卫星获得定位信息；耐压壳体5外部还设置有浮力油囊3和温盐深仪11，温盐深仪11用于采集海洋水体的温度、盐度和深度环境参数信息；耐压壳体5内部设置有控制模块2、储油油囊4、液压浮力调节装置6和电池7，控制模块2用于向液压浮力调节装置6、声学发射器10发送控制信号，并处理温盐深仪11、声学接收器9反馈的监测信息，液压浮力调节装置6用于调节浮力油囊3和储油油囊4内部的液压油体积，从而改变Argo浮标的排水体积，调整Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标的上浮下潜，电池7用于为Argo浮标供电；
本实施例中，固定各零件所需的螺钉、Argo浮标内部传输信号所需的电缆为常用五金零部件，未在图中示出。
本发明所述的通讯天线1、控制模块2、浮力油囊3、储油油囊4、耐压壳体5、液压浮力调节装置6、电池7、温盐深仪11等均为现有Argo浮标的常用零部件，可参照现有技术进行连接和安装，如中国专利文件CN109436208A，对Argo浮标的结构、功能和工作原理做了详细介绍。
Argo浮标还包括液压蓄能器12、声学接收器9、声学发射器10和防护支撑架8，液压蓄能器12安装于耐压壳体5内部，在Argo浮标的位置精确控制和速度精确控制过程中向液压浮力调节装置提供液压油，防护支撑架8固定安装于耐压壳体底部，在调试、运输过程中作为底座支撑Argo浮标，声学接收器9和声学发射器10安装于防护支撑架8内部，用于不同Argo浮标之间的水声通信。
实施例2：
一种Argo浮标，如实施例1所述，所不同的是，液压浮力调节装置6，包括直线位移传感器13、阻尼器14、单向阀A15.1、单向阀B15.2、双向齿轮泵16、电动机17、压力变送器19、两位两通比例阀A 18.1、两位两通比例阀B18.2、两位两通电磁阀A 20.1、两位两通电磁阀B20.2和液压蓄能器，液压蓄能器包括液压蓄能器A 12.2和液压蓄能器B12.1；
直线位移传感器13安装于储油油4囊内部，用于测量储油油囊4的伸缩位移Δx；
储油油囊4经阻尼器14、单向阀A 15.1连接双向齿轮泵16，阻尼器14安装于储油油囊4和单向阀A 15.1之间，防止双向齿轮泵16进油口与出油口出现较大压力差，单向阀A15.1安装于阻尼器14和双向齿轮泵16之间，防止液压油从储油油囊4直接流入双向齿轮泵16；双向齿轮泵16与电动机17连接；双向齿轮泵16经单向阀B15.2连接浮力油囊3，单向阀B15.2防止液压油直接从浮力油囊3流入双向齿轮泵16；
两位两通电磁阀A 20.1安装于浮力油囊3和双向齿轮泵16之间，控制浮力油囊3与双向齿轮泵16之间的油路通断；两位两通电磁阀B 20.2安装于储油油囊4和双向齿轮泵16之间，控制储油油囊4与双向齿轮泵16之间的油路通断；液压蓄能器A 12.2通过两位两通比例阀A 18.1与浮力油囊3连接，液压蓄能器B12.1通过两位两通比例阀B18.2与浮力油囊3连接，液压蓄能器A 12.2内部的液压油压力高，液压蓄能器B12.1内部的液压油压力低；
压力变送器19与浮力油囊3连接，用于监测浮力油囊3内的液压油压力，直线位移传感器13、电动机17、两位两通比例阀A 18.1、两位两通比例阀B18.2、压力变送器19、两位两通电磁阀A 20.1、两位两通电磁阀B 20.2均与控制模块2信号连接。
当要求浮力油囊3体积频繁变化时，液压蓄能器A 12.2向浮力油囊3提供液压油，使浮力油囊膨胀；液压蓄能器B12.1消纳浮力油囊3中多余的液压油，使浮力油囊缩小；两位两通比例阀A 18.1和两位两通比例阀B18.2用于控制浮力油囊体积的变化速度；压力变送器19监测的浮力油囊内液压油压力，作为控制液压蓄能器开启或关闭的依据。
储油油囊4的体积变化量ΔV为：
储油油囊4为圆柱形，D为圆柱形储油油囊的直径。
实施例3：
如图3，一种Argo浮标的工作过程为：
Argo浮标接收到卫星发送来的下潜信号，控制模块2使两位两通电磁阀A 20.1置于左位，并向电动机17发送信号，使电动机17驱动双向齿轮泵16逆时针旋转，液压油从浮力油囊3经过两位两通电磁阀A 20.1和双向齿轮泵16进入储油油囊，浮力油囊3体积缩小，Argo浮标排水体积减小，执行下潜动作；
通过温盐深仪11监测到Argo浮标下潜到期望水深，两位两通比例阀A 18.1控制液压蓄能器A 12.2向浮力油囊3充油，使浮力油囊3膨胀，利用温盐深仪11监测Argo浮标的上浮下潜情况，判断Argo浮标所受浮力与重力是否平衡(在Argo浮标布放前测量其质量、体积，通过质量可以计算出重力；通过体积和上文提到的体积变化量可以计算排水体积，即能够计算浮力)，若重力大于浮力，则液压蓄能器A 12.2继续向浮力油囊3充油使浮力油囊膨胀，若浮力大于重力，则两位两通比例阀B18.2控制液压蓄能器B从浮力油囊3吸油，使浮力油囊3缩小，当Argo浮标所受浮力与重力平衡时，Argo浮标在期望水深悬停；控制模块2生成上浮信号，控制两位两通电磁阀B 20.2置于左位，并向电动机17发送信号，使电动机17驱动双向齿轮泵16顺时针旋转，液压油从储油油囊4经过两位两通电磁阀B 20.2和双向齿轮泵16进入浮力油囊3，浮力油囊3体积膨胀，Argo浮标排水体积增大，执行上浮动作；上浮过程中，利用温盐深仪11记录海洋环境参数；通过温盐深仪11监测到Argo浮标上浮到水面，通过卫星传输监测到的海洋环境参数。
实施例4：
一种Argo浮标的海洋声学协同观测方法，Argo浮标的数量为两个及以上，当Argo浮标的数量为两个时，分别为Argo浮标A和Argo浮标B，如图4所示，其作业过程如下：
(1.1)在选定海域间隔一定水平距离L1分别投放Argo浮标A和Argo浮标B，Argo浮标A和Argo浮标B接收到卫星传来的控制信号，记录并通过卫星发送下潜位置信息后，同时执行下潜动作，利用控制模块控制Argo浮标的液压浮力调节装置，减小Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A和Argo浮标B以相同速度同步下潜；
(1.2)利用Argo浮标所携带的温盐深仪感知水深数据，当到达所设定的最大水深后，控制模块控制液压浮力调节装置，增大Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A和Argo浮标B在相同水深的同步悬停；
(1.3)利用Argo浮标所携带的声学发射器和声学接收器实现Argo浮标A和Argo浮标B之间的水声信号发送与接收，记录信号发送与接收的时间间隔t1，即Argo浮标A的声学发射器发送信号给Argo浮标B的声学接收器，同时Argo浮标B的声学发射器发送信号给Argo浮标A的声学接收器，声学信号在不同的频段，不会出现交叉混乱值得注意的是，两个时间间隔应该是一致的，如果不一致，可在数据传回地面基站后，人为取平均数进行时间校正；
(1.4)再次利用控制模块控制Argo浮标的液压浮力调节装置，增大Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A和Argo浮标B以相同速度同步上浮与悬停，重复步骤(1.3)中的测量过程，逐层记录不同水深处声学信号发送与接收的时间间隔ti；
(1.5)Argo浮标A和Argo浮标B上浮至水面后，再次记录并通过卫星发送上浮位置信息，此时Argo浮标A和Argo浮标B之间间隔的水平距离记为L2；
其中，vi为不同水深处的声学信号的传播速度vi，即获得所观测的海洋剖面声学参数。
实施例5：
一种Argo浮标的海洋声学协同观测方法，如实施例4所示，所不同的是，当Argo浮标的数量为三个时，分别为Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C，其作业过程如下：
(2.1)在选定海域分别投放Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C，投放时Argo浮标A和Argo浮标B间隔水平距离LAB1，Argo浮标A和Argo浮标C间隔水平距离LAC1，Argo浮标B和Argo浮标C间隔水平距离LBC1，Argo浮标A、Argo浮标B、Argo浮标C接收到卫星传来的控制信号，记录并通过卫星发送下潜位置信息后，同时执行下潜动作，利用控制模块控制Argo浮标的液压浮力调节装置，减小Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C以相同速度同步下潜；
(2.2)利用Argo浮标所携带的温盐深仪感知水深数据，当到达所设定的最大水深后，控制模块控制液压浮力调节装置，增大Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C在相同水深的同步悬停；
(2.3)利用Argo浮标所携带的声学发射器和声学接收器实现Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C之间的水声信号发送与接收，即Argo浮标A与Argo浮标B之间，Argo浮标A与Argo浮标C之间，以及Argo浮标B与Argo浮标C之间，均进行水声信号发送与接收，记录相互之间信号发送与接收的时间间隔，可分别记为tAB1、tAC1、tBC1；
(2.4)再次利用控制模块控制Argo浮标的液压浮力调节装置，增大Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A、Argo浮标B、Argo浮标C以相同速度同步上浮与悬停，重复步骤(2.3)中的测量过程，逐层记录不同水深处声学信号发送与接收的时间间隔tABi、tACi、tBCi
(2.5)Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C上浮至水面后，再次记录并通过卫星发送上浮位置信息，此时Argo浮标A、Argo浮标B、Argo浮标C之间间隔的水平距离可分别记为LAB2、LAC2、LBC2；
其中，vABi、vACi、vBCi分别为Argo浮标A与Argo浮标B之间，Argo浮标A与Argo浮标C之间，Argo浮标B与Argo浮标C之间在不同水深处的声学信号的传播速度，即获得所观测的海洋剖面声学参数。
实施例6：
一种Argo浮标的海洋环境参数协同观测方法，Argo浮标的数量为两个，分别为Argo浮标A和Argo浮标B，其作业过程如下：
(3.1)在选定海域投放Argo浮标A，通过卫星定位并记录下潜位置，Argo浮标A执行“先探”过程，利用控制模块控制液压浮力调节装置，调节Argo浮标的净浮力，利用浮标所携带的温盐深仪感知水深数据，使浮标下潜到所设定的最大水深；
(3.2)液压浮力调节装置调节Argo浮标A的净浮力，使Argo浮标A上浮，在上浮过程中利用温盐深仪记录海水的温度、盐度、深度等海洋剖面环境参数，将Argo浮标A的上浮轨迹记为“粗测轨迹”，观测到的数据记为“粗测数据”；
(3.3)Argo浮标A上浮至水面后，将“粗测数据”通过卫星传回地面基站，基于“粗测数据”，按照海洋环境参数观测精细度要求和实际所需要精细探测的区域，选定需要精细探测的水深区间；
(3.4)在与Argo浮标A相同的投放位置处投放Argo浮标B，通过卫星定位并记录下潜位置，Argo浮标B执行“跟随”过程，利用控制模块控制液压浮力调节装置，调节Argo浮标B的净浮力，利用浮标所携带的温盐深仪感知水深数据，使浮标下潜到所设定的精细测量水深区间；
(3.5)液压浮力调节装置调节Argo浮标B的净浮力，使Argo浮标B跟随“精测轨迹”自主上浮，对于选定的需要精细探测的水深区间，利用Argo浮标B进行精细化测量，测量过程中降低Argo浮标B的上浮速度，从而确定包含Argo浮标B运动水深区间和运动速度参数的剖面运动轨迹，利用温盐深仪记录海水的温度、盐度、深度等海洋剖面环境参数，将观测到的数据记为“精测数据”，在不改变温盐深仪采样频率的前提下，“精测数据”能够记录到更多的海洋环境参数信息；
(3.6)Argo浮标B上浮至水面后，将“精测数据”传回地面基站，完成观测过程。
本实施例的“先探”过程获得“粗测数据”，“跟随”过程获得“精测数据”，“先探”过程测量水深区间范围大，浮标上浮速度快，数据观测精细度低；“跟随”过程测量水深区间范围小，浮标上浮速度慢，数据观测精细度高；
“粗测数据”是为了大概地、粗略地了解海洋参数变化趋势，确定海洋参数变化剧烈的水深区间，为“跟随”观测过程做准备，其协同作业体现在：“跟随”过程是基于“先探”过程的“粗测数据”而确定的运动轨迹，协同观测能够提高海洋环境参数观测的精细度，获得科学家希望得到的海洋参数变化剧烈的水深区间内的准确的海洋环境参数。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种Argo浮标，其特征在于，包括耐压壳体，耐压壳体外部上方固定有通讯天线，用于与卫星传输数据，并通过卫星获得定位信息；耐压壳体外部还设置有浮力油囊和温盐深仪，温盐深仪用于采集海洋水体的温度、盐度和深度环境参数信息；所述耐压壳体内部设置有控制模块、储油油囊、液压浮力调节装置和电池，控制模块用于向液压浮力调节装置、声学发射器发送控制信号，并处理温盐深仪、声学接收器反馈的监测信息，液压浮力调节装置用于调节浮力油囊和储油油囊内部的液压油体积，从而改变Argo浮标的排水体积，调整Argo浮标的净浮力；
所述Argo浮标还包括液压蓄能器、声学接收器、声学发射器和防护支撑架，液压蓄能器安装于耐压壳体内部，在Argo浮标的控制过程中向液压浮力调节装置提供液压油，防护支撑架固定安装于耐压壳体底部，在调试、运输过程中作为底座支撑Argo浮标，声学接收器和声学发射器安装于防护支撑架内部，用于不同Argo浮标之间的水声通信。
2.根据权利要求1所述的Argo浮标，其特征在于，所述液压浮力调节装置，包括直线位移传感器、阻尼器、单向阀A、单向阀B、双向齿轮泵、电动机、压力变送器、两位两通比例阀A、两位两通比例阀B、两位两通电磁阀A、两位两通电磁阀B和所述液压蓄能器，液压蓄能器包括液压蓄能器A和液压蓄能器B；
直线位移传感器安装于储油油囊内部，用于测量储油油囊的伸缩位移Δx；
储油油囊经阻尼器、单向阀A连接双向齿轮泵，阻尼器安装于储油油囊和单向阀A之间，防止双向齿轮泵进油口与出油口出现较大压力差，单向阀A安装于阻尼器和双向齿轮泵之间，防止液压油从储油油囊直接流入双向齿轮泵；双向齿轮泵与电动机连接；双向齿轮泵经单向阀B连接浮力油囊，单向阀B防止液压油直接从浮力油囊流入双向齿轮泵；
两位两通电磁阀A安装于浮力油囊和双向齿轮泵之间，控制浮力油囊与双向齿轮泵之间的油路通断；两位两通电磁阀B安装于储油油囊和双向齿轮泵之间，控制储油油囊与双向齿轮泵之间的油路通断；液压蓄能器A通过两位两通比例阀A与浮力油囊连接，液压蓄能器B通过两位两通比例阀B与浮力油囊连接，液压蓄能器A内部的液压油压力高，液压蓄能器B内部的液压油压力低；
所述压力变送器与浮力油囊连接，用于监测浮力油囊内的液压油压力，所述直线位移传感器、电动机、两位两通比例阀A、两位两通比例阀B、压力变送器、两位两通电磁阀A、两位两通电磁阀B均与控制模块信号连接。
3.根据权利要求2所述的Argo浮标，其特征在于，当要求浮力油囊体积频繁变化时，液压蓄能器A向浮力油囊提供液压油，使浮力油囊膨胀；液压蓄能器B消纳浮力油囊中多余的液压油，使浮力油囊缩小；两位两通比例阀A和两位两通比例阀B用于控制浮力油囊体积的变化速度；压力变送器监测的浮力油囊内液压油压力，作为控制液压蓄能器开启或关闭的依据。
4.根据权利要求2所述的Argo浮标，其特征在于，储油油囊的体积变化量ΔV为：
储油油囊为圆柱形，D为圆柱形储油油囊的直径。
5.根据权利要求3所述的Argo浮标，其特征在于，Argo浮标的工作过程为：
Argo浮标接收到卫星发送来的下潜信号，控制模块使两位两通电磁阀A置于左位，并向电动机发送信号，使电动机驱动双向齿轮泵逆时针旋转，液压油从浮力油囊经过两位两通电磁阀A和双向齿轮泵进入储油油囊，浮力油囊体积缩小，Argo浮标排水体积减小，执行下潜动作；
通过温盐深仪监测到Argo浮标下潜到期望水深，两位两通比例阀A控制液压蓄能器A向浮力油囊充油，使浮力油囊膨胀，利用温盐深仪监测Argo浮标的上浮下潜情况，判断Argo浮标所受浮力与重力是否平衡，若重力大于浮力，则液压蓄能器A继续向浮力油囊充油使浮力油囊膨胀，若浮力大于重力，则两位两通比例阀B控制液压蓄能器B从浮力油囊吸油，使浮力油囊缩小，当Argo浮标所受浮力与重力平衡时，Argo浮标在期望水深悬停；控制模块生成上浮信号，控制两位两通电磁阀B置于左位，并向电动机发送信号，使电动机驱动双向齿轮泵顺时针旋转，液压油从储油油囊经过两位两通电磁阀B和双向齿轮泵进入浮力油囊，浮力油囊体积膨胀，Argo浮标排水体积增大，执行上浮动作；上浮过程中，利用温盐深仪记录海洋环境参数；通过温盐深仪监测到Argo浮标上浮到水面，通过卫星传输监测到的海洋环境参数。
6.一种权利要求5所述的Argo浮标的海洋声学协同观测方法，其特征在于，Argo浮标的数量为两个及以上，当Argo浮标的数量为两个时，分别为Argo浮标A和Argo浮标B，其作业过程如下：
(1.1)在选定海域间隔一定水平距离L1分别投放Argo浮标A和Argo浮标B，Argo浮标A和Argo浮标B接收到卫星传来的控制信号，记录并通过卫星发送下潜位置信息后，同时执行下潜动作，利用控制模块控制Argo浮标的液压浮力调节装置，减小Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A和Argo浮标B以相同速度同步下潜；
(1.2)利用Argo浮标所携带的温盐深仪感知水深数据，当到达所设定的最大水深后，控制模块控制液压浮力调节装置，增大Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A和Argo浮标B在相同水深的同步悬停；
(1.3)利用Argo浮标所携带的声学发射器和声学接收器实现Argo浮标A和Argo浮标B之间的水声信号发送与接收，记录信号发送与接收的时间间隔t1，即Argo浮标A的声学发射器发送信号给Argo浮标B的声学接收器，同时Argo浮标B的声学发射器发送信号给Argo浮标A的声学接收器，声学信号在不同的频段；
(1.4)再次利用控制模块控制Argo浮标的液压浮力调节装置，增大Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A和Argo浮标B以相同速度同步上浮与悬停，重复步骤(1.3)中的测量过程，逐层记录不同水深处声学信号发送与接收的时间间隔ti；
(1.5)Argo浮标A和Argo浮标B上浮至水面后，再次记录并通过卫星发送上浮位置信息，此时Argo浮标A和Argo浮标B之间间隔的水平距离记为L2；
其中，vi为不同水深处的声学信号的传播速度vi，即获得所观测的海洋剖面声学参数。
7.根据权利要求6所述的Argo浮标的海洋声学协同观测方法，其特征在于，当Argo浮标的数量为三个时，分别为Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C，其作业过程如下：
(2.1)在选定海域分别投放Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C，投放时Argo浮标A和Argo浮标B间隔水平距离LAB1，Argo浮标A和Argo浮标C间隔水平距离LAC1，Argo浮标B和Argo浮标C间隔水平距离LBC1，Argo浮标A、Argo浮标B、Argo浮标C接收到卫星传来的控制信号，记录并通过卫星发送下潜位置信息后，同时执行下潜动作，利用控制模块控制Argo浮标的液压浮力调节装置，减小Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C以相同速度同步下潜；
(2.2)利用Argo浮标所携带的温盐深仪感知水深数据，当到达所设定的最大水深后，控制模块控制液压浮力调节装置，增大Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C在相同水深的同步悬停；
(2.3)利用Argo浮标所携带的声学发射器和声学接收器实现Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C之间的水声信号发送与接收，即Argo浮标A与Argo浮标B之间，Argo浮标A与Argo浮标C之间，以及Argo浮标B与Argo浮标C之间，均进行水声信号发送与接收，记录相互之间信号发送与接收的时间间隔，可分别记为tAB1、tAC1、tBC1；
(2.4)再次利用控制模块控制Argo浮标的液压浮力调节装置，增大Argo浮标的净浮力，实现Argo浮标A、Argo浮标B、Argo浮标C以相同速度同步上浮与悬停，重复步骤(2.3)中的测量过程，逐层记录不同水深处声学信号发送与接收的时间间隔tABi、tACi、tBCi
(2.5)Argo浮标A、Argo浮标B和Argo浮标C上浮至水面后，再次记录并通过卫星发送上浮位置信息，此时Argo浮标A、Argo浮标B、Argo浮标C之间间隔的水平距离可分别记为LAB2、LAC2、LBC2；
其中，vABi、vACi、vBCi分别为Argo浮标A与Argo浮标B之间，Argo浮标A与Argo浮标C之间，Argo浮标B与Argo浮标C之间在不同水深处的声学信号的传播速度，即获得所观测的海洋剖面声学参数。
8.一种权利要求5所述的Argo浮标的海洋环境参数协同观测方法，其特征在于，Argo浮标的数量为两个，分别为Argo浮标A和Argo浮标B，其作业过程如下：
(3.1)在选定海域投放Argo浮标A，通过卫星定位并记录下潜位置，Argo浮标A执行“先探”过程，利用控制模块控制液压浮力调节装置，调节Argo浮标的净浮力，利用浮标所携带的温盐深仪感知水深数据，使浮标下潜到所设定的最大水深；
(3.2)液压浮力调节装置调节Argo浮标A的净浮力，使Argo浮标A上浮，在上浮过程中利用温盐深仪记录海水的温度、盐度、深度海洋剖面环境参数，将Argo浮标A的上浮轨迹记为“粗测轨迹”，观测到的数据记为“粗测数据”；
(3.3)Argo浮标A上浮至水面后，将“粗测数据”通过卫星传回地面基站，基于“粗测数据”，按照海洋环境参数观测精细度要求和实际所需要精细探测的区域，选定需要精细探测的水深区间；
(3.4)在与Argo浮标A相同的投放位置处投放Argo浮标B，通过卫星定位并记录下潜位置，Argo浮标B执行“跟随”过程，利用控制模块控制液压浮力调节装置，调节Argo浮标B的净浮力，利用浮标所携带的温盐深仪感知水深数据，使浮标下潜到所设定的精细测量水深区间；
(3.5)液压浮力调节装置调节Argo浮标B的净浮力，使Argo浮标B跟随“精测轨迹”自主上浮，对于选定的需要精细探测的水深区间，利用Argo浮标B进行精细化测量，测量过程中降低Argo浮标B的上浮速度，从而确定包含Argo浮标B运动水深区间和运动速度参数的剖面运动轨迹，利用温盐深仪记录海水的温度、盐度、深度海洋剖面环境参数，将观测到的数据记为“精测数据”，在不改变温盐深仪采样频率的前提下，“精测数据”能够记录到更多的海洋环境参数信息；
(3.6)Argo浮标B上浮至水面后，将“精测数据”传回地面基站，完成观测过程。
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