CN201037769Y - 极区冰下定点剖面测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了包括锚系系统、系缆式剖面仪和声学传输系统的极区冰下定点剖面测量系统，实现在冰上将测量系统人工布放到水中并通过声学传输系统将测量数据传递到冰上，以解决在调查船无法达到的海冰覆盖区域难以进行冰盖下海洋环境测量的问题。锚系系统系留缆的钢缆从系缆式剖面仪上下两端的挂环中穿过，将剖面仪限制在系留缆上。系缆式剖面仪的外壳为流线型导流罩，壳体内主要有驱动器、测量传感器、控制模块、电池组和浮子等。测量传感器包括温度盐度压力传感器和海流计。声学传输系统包括三个声学通讯机和一台笔记本电脑，声学通讯机将接收到的测量数据进行处理，然后输出数据至笔记本电脑上进行存储。

Description

极区冰下定点剖面测量系统

技术领域

本实用新型涉及海洋测量系统，特别是涉及一种在冰盖下大面积进行海洋定点全剖面水文要素采集的测量系统。

背景技术

利用长期连续的野外观测资料，研究极地冰盖、冰川、海冰、海洋、大气的关键物理化学过程及其变化，认识极地冰雪与海洋对全球变化的响应与反馈，是极地科学研究的前沿问题。

以往在极区进行海洋观测，采用的是由调查船布放和回收的水下定点剖面测量系统。该系统由垂直系留在海水中的钢缆上分层挂设的观测仪器构成，分层测量和记录海水温度、盐度和海流等海洋环境参数的剖面资料。

现有技术的水下定点剖面测量系统包括多套分层挂设的观测仪器，整个系统比较笨重，系统的布放和回收必须利用调查船进行，使海上测量作业很不方便，测量数据需到测量系统回收到船上后才能回放。而且，在调查船无法达到的海冰覆盖区域，难以布放上述水下定点剖面测量系统来进行冰盖下海洋环境测量。

因此，极区海洋科学研究范围的扩大需要设置在冰盖下进行海洋环境测量的装置或系统。

发明内容

针对现有技术的水下定点剖面测量系统难以进行冰盖下海洋环境测量，本实用新型推出由沿系缆上下循环移动的单套剖面仪和声学传输系统构成的定点剖面测量系统，实现在冰上将测量系统人工布放到水中和通过声学传输系统将测量数据传递到冰上，以解决在调查船无法达到的海冰覆盖区域难以进行冰盖下海洋环境测量的问题。

本实用新型所涉及的极区冰下定点剖面测量系统包括锚系系统、系缆式剖面仪和声学传输系统。

锚系系统包括单点系泊在海底并由浮体绷紧的系留缆、连接在系留缆最上端的主浮体、连接系留缆最下端并置于海底的锚。锚系系统系留缆的钢缆从系缆式剖面仪上下两端的挂环中穿过，将剖面仪限制在系留缆上。

声学传输系统包括三个声学通讯机和一台笔记本电脑，三个声学通讯机设置于冰下水中，为分别安装在剖面仪骨架上的1号声学通讯机、安装在锚系系统主浮体下端的2号声学通讯机、通过电缆与笔记本电脑串口线连接的3号声学通讯机，三个声学通讯机之间能进行水声通信。

锚系系统主浮体的下端左右两侧分别安装声学传输系统的一个声学通讯机和密封舱，密封舱内设置控制模块，控制模块包括数据存储电路，控制模块与声学通讯机之间由水密电缆连接。

系缆式剖面仪呈近似椭圆柱体，前面板上下两端装有两个可打开的挂环，从挂环中穿过的钢缆使剖面仪被限制在系留缆上，并可以沿钢缆上下移动。系缆式剖面仪的外壳为流线型导流罩，内部有骨架来支撑，结构不密封。剖面仪壳体内主要有驱动器、测量传感器、控制模块、电池组和浮子。剖面仪中的控制模块、传感器分别安装在几个密封舱体中，采用O形圈密封。各个舱体用螺栓固定在骨架上。

剖面仪的驱动器安装在前面板上，包括电机、减速器、磁耦合联轴器和驱动轮。驱动器外部的驱动轮置于导流罩外部，驱动轮安装在剖面仪前面板中部固定的摆动架上。摆动架被固定在前面板上的弹簧拉着，使驱动轮与穿过其凹槽的钢缆紧密接触。驱动轮的轴穿过导流罩与设置在导流罩内部的磁耦合联轴器连接。电机的转动通过磁耦合联轴器带动驱动轮在钢缆上爬行，实现剖面仪沿钢缆上下移动。

剖面仪的控制模块主要由数据采集和存储电路、驱动器控制电路、数据传输控制电路组成。通过控制电机的正反转，实现剖面仪的上升或下降，剖面仪在水下沿系缆绳上下移动的速度是相对均匀的，电机启动、停止由程序控制。控制模块控制着传感器的数据采集、数据存储和数据传输。每次使用时可根据测量的需要在控制程序预先设置剖面仪的移动距离、移动时间间隔以及传感器采样间隔。

剖面仪中的测量传感器包括温度盐度压力传感器和海流计。温度盐度压力传感器安装在剖面仪的机体上，传感器探头穿过剖面仪导流罩外壳，充分暴露在海水中。海流计安装在剖面仪的前面板上，海流计探头穿过剖面仪导流罩暴露在海水中，海流计探头方向与前面板垂直，置于迎流(水平流)方向。

剖面仪中的驱动器、控制模块以及测量传感器都是由锂电池组供电，控制模块与电池组安装在位于剖面仪下半部的三个密封壳体内。

剖面仪导流罩内设置浮子，位于剖面仪的上部。浮子的作用是平衡剖面仪中其他部件在水中的重量，使剖面仪在水中整体接近中性状态。声学传输系统的声学通讯机包括声学换能器和数据传输控制电路，其主要作用是将主浮体密封舱内控制模块数据存储电路输出的数据信息进行处理并通过声学换能器转换成声信号发送出去，将接收到的声信号通过声学换能器转换成电信号后经过处理得到数据信息并输入到主浮体密封舱内控制模块的数据存储电路中或笔记本电脑的存储器中。

声学传输系统的1号声学通讯机安装在剖面仪的骨架上，声学换能器部分伸在剖面仪导流罩外部。1号声学通讯机通过水密电缆与剖面仪控制模块的数据采集和存储电路连接，它能主动向2号声通讯机发送数据，不能接收数据。

声学传输系统的2号声学通讯机安装在锚系系统的主浮体下端一侧，主浮体下端另一侧安装密封舱，密封舱内装有控制模块。2号声学通讯机通过水密电缆与主浮体密封舱内控制模块的数据存储电路连接。2号声学通讯机具有主动接收1号声学通讯机传输的数据和被动向3号声通讯机发送数据的功能。也就是说，2号声学通讯机一直处于值班状态，1号通讯机发送数据，2号通讯机就能自动接收，并输入到主浮体密封舱内控制模块的数据存储电路中存储。2号声学通讯机不能主动发送数据，只有当接收到3号声学通讯机的指令后，才能发送数据。

声学传输系统的3号声学通讯机通过电缆与冰面上的笔记本电脑串口线连接。3号声学通讯机可以由操作人员随身携带，使用时将其放入冰下水中，操作人员在冰面上通过电脑输入指令，使3号声学通讯机向2号声学通讯机发出数据回放指令，然后接收2号声学通讯机发送的数据。

剖面仪进行剖面测量时，传感器采集到的观测数据首先保存到剖面仪控制模块的数据采集和存储电路中。当完成一个剖面后，剖面仪的控制模块向1号声学通讯机输入剖面测量数据，1号声学通讯机将测量数据进行处理，然后转换成声学信号发送给主浮体上的2号声学通讯机。2号声学通讯机将接收到的声学信号进行转换、处理后，将其输入到密封舱内控制模块的数据存储电路中保存。主浮体控制模块的数据存储电路中保存着所有剖面测量数据，当需要回收数据时，操作人员将随身携带的3号声学通讯机穿过冰面放入水中，并通过电脑输入数据回放指令，3号声学通讯机将该指令转换成声信号并发送给2号声学通讯机。2号声学通讯机收到3号声学通讯机的声信号后，将其转换成电信号并进行解码识别，然后传递给主浮体控制模块，主浮体控制模块的数据存储电路中保存的全部数据由2号声学通讯机转换成声信号发送给3号声学通讯机，3号声学通讯机将接收到的信号进行转换后输出数据至笔记本电脑上，由操作人员将其保存到指定的存储器中。

本实用新型涉及的冰盖下定点剖面测量系统不仅适用于极区，通过调整锚系系统的配置，也可以在正常海域进行海洋环境要素、生物化学和其它方面的调查。采样间隔、剖面测量范围及频率可以根据需要预先设置，观测数据可以是自容式，也可以通过声通讯定期回收，它是一种先进的、操作灵活的观测系统。

附图说明

图1为极区冰盖下定点剖面测量系统的组成示意图。

图2为剖面仪设置在系留缆钢缆上的示意图。

图中标记说明：

1、主浮体                              2、密封舱

3、转环                                4、停止器

5、包塑钢缆                            6、导流罩

7、驱动器                              8、海流计探头

9、玻璃浮球                            10、超强聚乙烯绳

11、锚链                               12、锚

13、温度盐度压力传感器                 14、1号声学通讯机

15、2号声学通讯机                      16、海冰面

17、3号声学通讯机                      18、笔记本电脑

19、浮子                               20、挂环

21、驱动轮                             22、电机

23、剖面仪控制模块与电池组             24、海流计控制器

具体实施方式

现结合附图说明本实用新型的具体实施方式。图1显示极区冰盖下定点剖面测量系统的基本组成结构，图2显示设置在钢缆上的剖面仪基本结构。

如图所示，本实用新型所涉及的极区冰下定点剖面测量系统由锚系系统、系缆式剖面仪和声学传输系统组成。

锚系系统最上端的主浮体1连接通过置于海底的锚12单点系泊在海底的系留缆。主浮体1为钢制椭球体，主浮体1的下部左右两侧分别安装声学传输系统的声学通讯机15和密封舱2，主浮体1的下端通过转环3与系留缆的包塑钢缆5上端连接。剖面仪通过上下两端的挂环19和中部的驱动轮20设置在钢缆5上。钢缆上下两端各安装一个有缓冲作用的停止器4，停止器4靠螺栓紧固在钢缆5上。钢缆5的下端通过转环3与玻璃浮球9连接，玻璃浮球9的另一端与超强聚乙烯化纤绳10连接。超强聚乙烯化纤绳10下端与锚链11连接，锚链11的下端连接锚系系统最下端的锚12，锚12固定在海底。

系缆式剖面仪前面板上下两端装有挂环19，钢缆5从挂环19中穿过。剖面仪的外壳是流线型导流罩6，剖面仪壳体内有驱动器7、温度盐度压力传感器13、海流计控制器23、控制模块与电池组22以及浮子18等。海流计探头8穿过剖面仪导流罩6暴露在海水中，海流计探头8的方向与前面板垂直。剖面仪中的控制模块与电池组22分别安装在几个密封舱体中，采用O形圈密封。

剖面仪中的驱动器、控制模块以及测量传感器都是由锂电池组供电，电池组分别安装在三个密封壳体中，这三个壳体位于剖面仪的下半部。

剖面仪的驱动器7安装在前面板上，驱动器7的电机21、减速器和磁耦合联轴器安装在导流罩6内，驱动轮20置于导流罩6的外部。

声学传输系统中的2号声学通讯机15安装在锚系系统中的主浮体1上，其声学换能器朝下。2号声学通讯机15通过水密电缆与主浮体1上密封舱2内的控制模块连接。1号声学通讯机14安装在系缆式剖面仪的骨架上，其声学换能器朝上并伸出导流罩6的外部。1号声学通讯机14通过水密电缆与剖面仪控制模块与电池组22连接。3号声学通讯机16通过电缆与冰面上的笔记本电脑17串口线连接，其声学换能器朝下。

Claims (6)

1.一种极区冰下定点剖面测量系统，包括由系留缆、主浮体和海底锚构成的锚系系统，其特征在于：还包括系缆式剖面仪和声学传输系统，系留缆的钢缆从系缆式剖面仪上下两端的挂环中穿过，将剖面仪限制在系留缆上；声学传输系统包括三个声学通讯机和一台笔记本电脑，三个声学通讯机设置于冰下水中，为分别安装在剖面仪骨架上的1号声学通讯机、安装在锚系系统主浮体下端的2号声学通讯机、通过电缆与笔记本电脑串口线连接的3号声学通讯机，三个声学通讯机之间能进行水声通信。

2.根据权利要求1所述的极区冰下定点剖面测量系统，其特征在于：系缆式剖面仪的外壳为流线型导流罩，内部有骨架来支撑，剖面仪壳体内有驱动器、测量传感器、控制模块与电池组、浮子，并分别安装在几个由O形圈密封的舱体中，各个舱体用螺栓固定在骨架上。

3.根据权利要求2所述的极区冰下定点剖面测量系统，其特征在于：剖面仪的驱动器安装在剖面仪前面板上，包括电机、减速器、磁耦合联轴器和驱动轮，驱动器外部的驱动轮置于导流罩外部。

4.根据权利要求3所述的极区冰下定点剖面测量系统，其特征在于：驱动轮的轴穿过导流罩与设置在导流罩内部的磁耦合联轴器连接，电机的转动通过磁耦合联轴器带动驱动轮在钢缆上爬行。

5.根据权利要求2所述的极区冰下定点剖面测量系统，其特征在于：剖面仪中的测量传感器包括温度盐度压力传感器和海流计，温度盐度压力传感器安装在剖面仪的机体上，温度盐度压力传感器探头穿过剖面仪导流罩外壳暴露在海水中；海流计安装在剖面仪的前面板上，海流计探头穿过剖面仪导流罩暴露在海水中。

6.根据权利要求5所述的极区冰下定点剖面测量系统，其特征在于：海流计探头方向与前面板垂直，置于迎流方向。

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