CN116495110A - 一种海冰冰样采集浮标和海冰冰样盐度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海冰冰样采集浮标和海冰冰样盐度检测方法，涉及海冰冰样数据采集领域。浮标包括控制仓、取样模块、测量仓、数据传输模块与下仓体。控制仓设置于控制仓体内部的取样模块控制器和电机驱动模块，取样模块控制器和取样模块均与电机驱动模块连接；测量仓设置在控制仓体内部，测量仓包括测量仓体和设置在测量仓体上的盐度检测模块；数据传输模块起传输数据与发送指令的作用。本发明解决了极地地区人工取样繁琐并且危险，海冰取样流程复杂和海冰取样方式不具备随机性的问题，且通过测量仓中的盐度检测模块检测冰体参数，借助数据传输模块将参数实时发送至远程监控平台，实现了极地海冰盐度的实时监测，提高极地海冰盐度取样的自动化程度。
Description
技术领域
本发明涉及海冰冰样数据采集领域，具体为一种海冰冰样采集浮标和海冰冰样盐度检测方法。
背景技术
全球气候的监测与极地地区的气候监测有密不可分的关系，全球气候中最敏感的地区之一就是北极地区。北极地区稳定的冰盖占据北冰洋海绵三分之以上，覆盖在格林兰和其他岛屿及高纬度大陆地区。北极地区冰盖总面积1330平方公里，其中1100万为海冰。海冰的变化可以驱动深海环流，通过形态改变而改变大气环流，进而影响温室气体的平衡。利用海冰浮标观测海冰漂移位置，浮标所处位置的气压气温、海表温度是常用的观测方法。对海冰的采样及分析它的参数如温度剖面、光辐射通量、密度、盐度等对北极气候变化，以及追踪海冰生长和消融的过程等具有重要的数据支撑作用。
近年来在“北极浮标计划”等国际项目的支持下，在北极地区投放了大量的海冰浮标，获取了大量的海冰变化数据。但是还是缺乏对海冰的取样以及对其内部参数的分析。因此研发一种能对海冰参数进行取样分析的海冰浮标对极地气候研究尤为重要。
现阶段我国以海冰为取样对象的测量和分析通常由人工进行实地取样，并用携带的机器进行离线分析。这样的海冰取样方式不具备随机性、广泛性和普适性，并且人工取样较为繁琐，对操作人员具有一定的危险性。以上检测技术均存在局限性，不能广泛应用。因此需要改进现有的海冰样品采集方式或设计一种新的海冰取样检测方法。
发明内容
本发明为了解决现有技术中海冰取样的方式不具备随机性、广泛性和普适性，并且人工取样较为繁琐，对操作人员具有一定的危险性，而且同时还缺乏对海冰的取样以及对其内部参数分析的问题，提供了一种海冰冰样采集浮标和海冰冰样盐度检测方法。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种海冰冰样采集浮标，包括控制仓、取样模块、测量仓、数据传输模块和下仓体；所述控制仓包括控制仓体、取样模块控制器与电机驱动模块，所述取样模块控制器与电机驱动模块均位于控制仓体内，所述电机驱动模块连接于取样模块控制器、且由取样模块控制器发出的控制信号来驱动；所述下仓体固定连接于控制仓的底部；所述测量仓设置于控制仓内部边缘处，所述测量仓包括测量仓体，所述测量仓体的下部侧壁上设置有盐度检测模块，所述盐度检测模块用于获取海冰冰体的冰体参数；所述测量仓顶部还设有可打开与闭合的仓门，所述仓门位于控制仓顶面上；所述取样模块与电机驱动模块连接，且取样模块由电机驱动模块驱动来采集海冰冰体样本以及由电机驱动模块控制通过仓门将采集到的海冰冰体放入测量仓体内；所述数据传输模块包括数据传输模块Ⅰ与数据传输模块Ⅱ，所述数据传输模块Ⅰ连接于远程监测平台与取样模块控制器之间，用于取样模块控制器获取远程监测平台的控制指令，所述数据传输模块Ⅱ连接于远程监测平台与盐度检测模块之间，用于将冰体参数发送至远程监测平台，所述数据传输模块通过顶部支架可拆卸的安装于控制仓的顶部。
本发明所设计的一种海冰冰样采集浮标，包括控制仓、取样模块、测量仓、数据传输模块和下仓体，控制仓是整个装置的基础，测量仓用于测定冰体参数，取样模块用于采集海冰冰体，数据传输模块用于接收指令和发送采集数据，下仓体用于插入冰层内，因此下仓体固定连接于控制仓的底部。控制仓包括控制仓体、取样模块控制器与电机驱动模块，取样模块控制器与电机驱动模块均位于控制仓体内，电机驱动模块连接于取样模块控制器、且由取样模块控制器发出的控制信号来驱动，电机驱动模块用于驱动取样模块。测量仓设置于控制仓内部边缘处，测量仓包括测量仓体，测量仓体的下部侧壁上设置有盐度检测模块，盐度检测模块用于获取海冰冰体的冰体参数中的盐度参数。测量仓顶部还设有可打开与闭合的仓门，仓门位于控制仓顶面上，仓门可电控，一般是检测到取样模块动作时，仓门打开。取样模块与电机驱动模块连接，电机驱动模块驱动取样模块采集海冰冰体样本，电机驱动模块还控制取样模块通过仓门将采集到的海冰冰体放入测量仓体内。数据传输模块包括数据传输模块Ⅰ与数据传输模块Ⅱ，可以是有线或无线的方式，数据传输模块Ⅰ连接于远程监测平台与取样模块控制器之间，用于取样模块控制器获取远程监测平台的控制指令，驱动电机驱动模块，然后控制取样模块采集样本；数据传输模块Ⅱ连接于远程监测平台与盐度检测模块之间，用于将冰体参数发送至远程监测平台，数据传输模块通过顶部支架可拆卸的安装于控制仓的顶部，通常其需要置于开阔地带或空旷地区。
采用上述海冰冰样采集浮标对海冰冰样盐度进行检测，所涉及的一种海冰冰样盐度检测方法，如图4所示，包括如下步骤：
1）安装时首先在冰层上打孔，将下仓体放入冰层内，控制仓露在冰层表面，将顶部支架拆下，使数据传输模块通过顶部支架置于空旷地区；
2）取样模块控制器通过数据传输模块Ⅰ获取远程监测平台发送的控制指令；
3）电机驱动模块根据控制指令驱动取样模块采集海冰冰体；
4）电机驱动模块控制取样模块将海冰冰体放入测量仓中，并控制测量仓中的盐度检测模块对海冰冰体进行检测，得到冰体参数；优选的，所述测量仓内还设有重力传感器，用于检测密度参数。
5）将冰体参数通过数据传输模块Ⅱ发送至远程监测平台。
优选的，所述取样模块包括机械臂和海冰取样钻头，所述海冰取样钻头安装于机械臂的自由端，所述海冰取样钻头表面采用螺纹状凹槽，可自由旋转，有利于在冰面上钻孔；所述机械臂和海冰取样钻头均与电机驱动模块连接，电机驱动模块驱动机械臂移动，同时也驱动海冰取样钻头钻孔取样，海冰取样钻头用于存储并提取不同深度的海冰冰体。
优选的，所述海冰取样钻头的轴向内部设置有用于存储海冰冰体的中心孔洞，可将海冰冰体存储于中心孔洞内，中心孔洞可随钻头转动采取固定体积的海冰，有利于测量海冰的密度。
优选的，所述机械臂为六自由度机械臂。
优选的，所述盐度检测模块为盐度检测计，所述测量仓还设置有加热器与重力传感器，所述加热器设置于测量仓内侧底面上，所述重力传感器设置于测量仓外侧底面上，且连接于数据传输模块Ⅱ。加热器用于将海冰冰体加热融化成液态溶液，重力传感器用于测量液态溶液的密度参数并发送至数据传输模块，盐度检测计用于测量液态溶液的盐度参数并发送至数据传输模块；冰体参数包括盐度参数和密度参数。
优选的，所述测量仓还设有出水管，所述出水管设置于测量仓的底部且与测量仓连通，所述出水管伸出控制仓的侧壁通往外部，用于在测量完毕后排出液态溶液。
优选的，所述数据传输模块包括铱星单元和GPS单元，GPS单元用于定位，铱星单元用于传输数据，铱星单元可实现覆盖全球的高稳定性的铱星通讯，作为“黑盒子”提供，通过卫星信道收发数据包，包括穿透式端口，可连接GPS天线或接收器。GPS单元可以收集到海冰浮标坐标信息，与铱星单元配合可实现远程与基地的信息交流传输。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种海冰冰样采集浮标和海冰冰样盐度检测方法，解决了极地地区人工取样繁琐并且危险，海冰取样流程复杂和海冰取样方式不具备随机性的问题，且通过测量仓中的盐度检测模块检测冰体参数，借助数据传输模块将参数实时发送至远程监控平台，实现了极地海冰盐度的实时监测，提高极地海冰盐度取样的自动化程度。
附图说明
图1为本发明海冰冰样采集浮标的结构示意图。
图2为本发明提供的实施例中海冰取样钻头示意图。
图3为本发明提供的实施例中测量仓内部结构示意图。
图4为本发明海冰冰样盐度检测方法的流程图。
图中标记如下：1-海冰取样钻头，2-出水管，3-控制仓，4-机械臂，5-测量仓，6-摄像头模块，7-GPS单元，8-铱星单元，9-中心孔洞，10-盐度检测计，11-加热器，12-重力传感器，13-下仓体，14-顶部支架，501-仓门。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种海冰冰样采集浮标，如图1所示：包括控制仓3、取样模块、测量仓5、数据传输模块和下仓体13；所述控制仓3包括控制仓体、取样模块控制器与电机驱动模块，所述取样模块控制器与电机驱动模块均位于控制仓体内，所述电机驱动模块连接于取样模块控制器、且由取样模块控制器发出的控制信号来驱动；所述下仓体13固定连接于控制仓3的底部；所述测量仓5设置于控制仓3内部边缘处，所述测量仓5包括测量仓体，所述测量仓体的下部侧壁上设置有盐度检测模块，所述盐度检测模块用于获取海冰冰体的冰体参数；所述测量仓5顶部还设有可打开与闭合的仓门501，所述仓门501位于控制仓3顶面上；所述取样模块与电机驱动模块连接，且取样模块由电机驱动模块驱动来采集海冰冰体样本以及由电机驱动模块控制通过仓门将采集到的海冰冰体放入测量仓体内；所述数据传输模块包括数据传输模块Ⅰ与数据传输模块Ⅱ，所述数据传输模块Ⅰ连接于远程监测平台与取样模块控制器之间，用于取样模块控制器获取远程监测平台的控制指令，所述数据传输模块Ⅱ连接于远程监测平台与盐度检测模块之间，用于将冰体参数发送至远程监测平台，所述数据传输模块通过顶部支架14可拆卸的安装于控制仓3的顶部。
本实施例采用了如下优选方案：所述取样模块包括机械臂4和海冰取样钻头1，所述海冰取样钻头1安装于机械臂4的自由端，所述海冰取样钻头1表面采用螺纹状凹槽，如图2所示；所述机械臂4和海冰取样钻头1均与电机驱动模块连接，所述海冰取样钻头1用于存储并提取不同深度的海冰冰体；所述海冰取样钻头1的轴向内部设置有用于存储海冰冰体的中心孔洞9；所述机械臂4为六自由度机械臂；所述盐度检测模块为盐度检测计10，如图3所示，所述测量仓5还设置有加热器11与重力传感器12，所述加热器11设置于测量仓5内侧底面上，所述重力传感器12设置于测量仓5外侧底面上，且连接于数据传输模块Ⅱ；所述测量仓5还设有出水管2，所述出水管2设置于测量仓5的底部且与测量仓5连通，所述出水管2伸出控制仓1的侧壁通往外部；所述数据传输模块包括铱星单元8和GPS单元7；还包括摄像头模块6，所述摄像头模块6通过数据传输模块获取指令和发送数据。
采用本实施例所述的海冰冰样采集浮标对海冰冰样参数进行检测，所涉及的一种海冰冰样参数检测方法，包括如下步骤：
1）安装时首先在冰层上打孔，将下仓体13放入冰层内，控制仓3露在冰层表面，以保证浮标的稳定性；顶部支架14拆下后安置在空旷地区，放置铱星单元8、GPS单元7和摄像头模块6，以保证与基地的正常通讯；所选冰层应平整，以保证机械臂4可以灵活随机选择采样范围；本实施例具体为：在安装前首先选择合适的采样点，以直径超过100 m的平整冰为宜，且冰面厚度在1.5m以上；安装时在冰面钻孔，大小与下仓体吻合，并清理冰洞内的碎冰屑，将下仓体放置在冰洞内；按照测量需求预先设置程序，取样模块控制器通过数据传输模块Ⅰ获取远程监测平台发送的控制指令；每隔七天对冰层进行采样，采样时六自由度机械臂4自动选择合适的区域，首先采集冰层表面的样本，之后由海冰取样钻头1破开冰层，并将钻头中心孔洞9内的海冰移至旁处，直到30cm深度时，海冰取样钻头1采集3cm厚度的冰样，将其放置在测量仓5内，并对冰样进行密度和盐度的检测；之后机械臂4装置进行重复操作，每隔30cm深度进行一次采样，最终采集到深度在150cm的海冰样本时，本次采样结束，机械臂4装置等待七天后的下一次指令。
2）进一步的，采样时的具体工作过程为：电机驱动模块控制机械臂4和海冰取样钻头1将海冰冰体放入测量仓中，测量仓5位于控制仓3内部，空闲时测量仓5通过仓门501与外界封闭，在检测到机械臂4工作时仓门501打开，当海冰样本放置入测量仓5时，仓底的加热器11工作，将采集到的冰样融化后，重力传感器12检测冰样的重量，海冰的体积固定，进而可以测量冰样的密度，之后仓体侧面的盐度检测计10检测冰样的盐度，检测完毕后将得到的数据通过GPS单元7和铱星单元8发送至远程监测平台；由于还设有摄像头模块6，所以还可以对于数据传输模块周围的环境进行观测。
本实施例能够实现安全高效的进行海冰采样，在北极高寒危险地带不需要科研人员亲自采集样本，可以在远程操控设备进行采样，同时可以迅速对采集的数据进行处理分析，实现极地海冰盐度密度的无人值守化监测，同时提高了采样结果的准确性。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种海冰冰样采集浮标，其特征在于：包括控制仓（3）、取样模块、测量仓（5）、数据传输模块和下仓体（13）；
所述控制仓（3）包括控制仓体、取样模块控制器与电机驱动模块，所述取样模块控制器与电机驱动模块均位于控制仓体内，所述电机驱动模块连接于取样模块控制器、且由取样模块控制器发出的控制信号来驱动；所述下仓体（13）固定连接于控制仓（3）的底部；
所述测量仓（5）设置于控制仓（3）内部边缘处，所述测量仓（5）包括测量仓体，所述测量仓体的下部侧壁上设置有盐度检测模块，所述盐度检测模块用于获取海冰冰体的冰体参数；所述测量仓（5）顶部还设有可打开与闭合的仓门（501），所述仓门（501）位于控制仓（3）顶面上；
所述取样模块与电机驱动模块连接，且取样模块由电机驱动模块驱动来采集海冰冰体样本以及由电机驱动模块控制通过仓门将采集到的海冰冰体放入测量仓体内；
所述数据传输模块包括数据传输模块Ⅰ与数据传输模块Ⅱ，所述数据传输模块Ⅰ连接于远程监测平台与取样模块控制器之间，用于取样模块控制器获取远程监测平台的控制指令，所述数据传输模块Ⅱ连接于远程监测平台与盐度检测模块之间，用于将冰体参数发送至远程监测平台，所述数据传输模块通过顶部支架（14）可拆卸的安装于控制仓（3）的顶部。
2.根据权利要求1所述的一种海冰冰样采集浮标，其特征在于：所述取样模块包括机械臂（4）和海冰取样钻头（1），所述海冰取样钻头（1）安装于机械臂（4）的自由端，所述海冰取样钻头（1）表面采用螺纹状凹槽；所述机械臂（4）和海冰取样钻头（1）均与电机驱动模块连接，所述海冰取样钻头（1）用于存储并提取不同深度的海冰冰体。
3.根据权利要求2所述的一种海冰冰样采集浮标，其特征在于：所述海冰取样钻头（1）的轴向内部设置有用于存储海冰冰体的中心孔洞（9）。
4.根据权利要求2或3所述的一种海冰冰样采集浮标，其特征在于：所述机械臂（4）为六自由度机械臂。
5.根据权利要求1所述的一种海冰冰样采集浮标，其特征在于：所述盐度检测模块为盐度检测计（10），所述测量仓（5）还设置有加热器（11）与重力传感器（12），所述加热器（11）设置于测量仓（5）内侧底面上，所述重力传感器（12）设置于测量仓（5）外侧底面上，且连接于数据传输模块Ⅱ。
6.根据权利要求5所述的一种海冰冰样采集浮标，其特征在于：所述测量仓（5）还设有出水管（2），所述出水管（2）设置于测量仓（5）的底部且与测量仓（5）连通，所述出水管（2）伸出控制仓（1）的侧壁通往外部。
7.根据权利要求1所述的一种海冰冰样采集浮标，其特征在于：所述数据传输模块包括铱星单元（8）和GPS单元（7）。
8.根据权利要求1所述的一种海冰冰样采集浮标，其特征在于：还包括摄像头模块（6），所述摄像头模块（6）通过数据传输模块获取指令和发送数据。
9.一种海冰冰样盐度检测方法，其特征在于：应用于权利要求1中的海冰冰样采集浮标，包括如下步骤：
1）安装时首先在冰层上打孔，将下仓体（13）放入冰层内，控制仓（3）露在冰层表面，将顶部支架（14）拆下，使数据传输模块通过顶部支架（14）置于空旷地区；
2）取样模块控制器通过数据传输模块Ⅰ获取远程监测平台发送的控制指令；
3）电机驱动模块根据控制指令驱动取样模块采集海冰冰体；
4）电机驱动模块控制取样模块将海冰冰体放入测量仓（5）中，并控制测量仓（5）中的盐度检测模块对海冰冰体进行检测，得到冰体参数；
5）将冰体参数通过数据传输模块Ⅱ发送至远程监测平台。
10.根据权利要求9所述的一种海冰冰样盐度检测方法，其特征在于：所述测量仓（5）内还设有重力传感器，用于检测密度参数。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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