專利名稱：極區(qū)冰水界面探測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及海洋測量系統(tǒng)，特別是涉及適用于極區(qū)冰水混合層海洋要素采集 的測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
極區(qū)是地球系統(tǒng)的重要組成部分，極區(qū)海洋環(huán)境要素的測量對研究全球海洋環(huán)境 的變化具有重要意義。大量浮冰的存在是極區(qū)海洋環(huán)境的主要特點，極區(qū)冰水混合層的探 測成為極區(qū)海洋環(huán)境考察的重要方面。海冰生成時鹽分的析出及海冰融化時表面海水的淡化使得全球溫鹽環(huán)流受到較 大影響，其增長和衰退不僅強烈影響海氣之間的熱交換，而且影響海水表面的水平衡，進而 影響全球海洋環(huán)流。測量冰水混合層的溫鹽變化和海水流動，可以確定海冰消融后溶入海 水中的淡水量和海冰消融速度，這對研究冰蓋變化及大洋環(huán)流非常重要，對了解北冰洋進 入大西洋和太平洋的海水流量和流動路徑起著重要的作用?？茖W家們通常采用冰上鉆孔、布放極區(qū)浮標和潛標等方法測量極區(qū)冰層下混合層 的溫鹽和海流數(shù)據(jù)，以確定海水和淡水的交換量、交換速度以及對冰下海流的影響。但是， 在極區(qū)惡劣的環(huán)境下，上述現(xiàn)有的方法都存在諸多問題，冰上鉆孔是非常困難和危險的，布 放的浮標會被流冰碰壞。因此，開展極區(qū)海洋考察需要更適宜的冰水探測系統(tǒng)進行浮冰區(qū) 冰水混合界面的剖面測量。
發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)難以對極區(qū)浮冰區(qū)冰水混合界面進行剖面測量的問題，本實用新型 推出一種可以在極區(qū)浮冰下進行循環(huán)探測的剖面測量系統(tǒng)，其目的在于，通過探測系統(tǒng)主 浮體上的電動滾筒控制探測系統(tǒng)上端置于浮冰下的升降平臺做上下剖面運動，由升降平臺 上的測量儀器在升降過程中采集溫、鹽、深、海流數(shù)據(jù)，實現(xiàn)浮冰區(qū)冰水混合界面的剖面測量。本實用新型所涉及的極區(qū)冰水界面探測系統(tǒng)，包括系留系統(tǒng)、主浮體、系纜和升降 平臺。主浮體和升降平臺為具有正浮力的殼體結(jié)構(gòu)，由系留系統(tǒng)系留在海底。從主浮體內(nèi) 引出并收放的系纜連接升降平臺，通過系纜的收放實現(xiàn)升降平臺的上升和下降。系留系統(tǒng)為單點繃緊型結(jié)構(gòu)，包括系留索、玻璃浮球、釋放器、錨鏈和重力錨。重力 錨位于系留系統(tǒng)的底端，沉在海底，用于將整個探測系統(tǒng)系留在海底。系留系統(tǒng)上部的系留 索連接探測系統(tǒng)的主浮體，系留索下端連接玻璃浮球，玻璃浮球下部連接釋放器，釋放器連 接在重力錨的錨鏈上。主浮體為橢球形殼體結(jié)構(gòu)，為探測系統(tǒng)提供較大的集中浮力，保持系留索繃緊向 上，使系留系統(tǒng)保持繃緊狀態(tài)。主浮體的外殼為玻璃微珠泡沫塑料，橢球形狀使其在水中能適應(yīng)水平流的方向， 以便將水平流所產(chǎn)生的阻力降至最低。主浮體內(nèi)部安裝電動滾筒，電動滾筒由固定支架固定在主浮體內(nèi)。電動滾筒是一密封圓筒，由鋁合金材料制成，“0”形圈密封。電動滾筒的內(nèi)部安裝 有電機、減速器、主浮體控制器、主浮體電源等。利用鐘擺原理和內(nèi)齒輪設(shè)計使電動滾筒外 殼轉(zhuǎn)動，而內(nèi)部所有部件都不隨外殼轉(zhuǎn)動。電動滾筒外殼上纏繞系纜，系纜的一端固定在滾筒上，另一端穿出主浮體固定在 升降平臺上。電機通過減速器減速將扭矩傳遞給滾筒，使?jié)L筒轉(zhuǎn)動，滾筒的轉(zhuǎn)動帶動升降平 臺系纜的收放，實現(xiàn)升降平臺的上升和下降。升降平臺為塑料成形外殼結(jié)構(gòu)，呈流線型，尾部帶導流尾翼。升降平臺上設(shè)置測量 傳感器、平臺數(shù)據(jù)采集艙、配重和浮球，調(diào)整升降平臺內(nèi)的部件重量及布放位置，使升降平 臺在水中處于水平狀態(tài)，并保持一定的凈浮力。測量傳感器包括溫鹽深傳感器、海流計和仰視聲納，溫鹽深傳感器測量海水不同 深度的溫度鹽度值，海流計測量海水的流速和流向，仰視聲納通過聲學換能器探測升降平 臺與浮冰和海面的距離。傳感器探頭充分暴露在升降平臺外的海水中，并使仰視聲納的波 束發(fā)射方向與垂直線成向前傾20°，使其能夠提前觀測到順流而來的浮冰。平臺數(shù)據(jù)采集艙內(nèi)裝由平臺采集器和平臺電源。測量傳感器與平臺采集器用電纜 連接，平臺采集器通過系纜與主浮體控制器的控制模塊連接。在升降平臺的上升和下降過 程中，傳感器按預(yù)定時序進行剖面測量。所有的觀測數(shù)據(jù)通過系纜傳輸給主浮體控制器儲 存。升降平臺的升降循環(huán)由主浮體的電動滾筒驅(qū)動，電動滾筒驅(qū)動由主浮體控制器內(nèi) 的控制模塊控制?？刂颇K由數(shù)據(jù)采集和存儲電路、驅(qū)動控制電路、數(shù)據(jù)傳輸控制電路組 成。通過控制電機的正反轉(zhuǎn)、收放系纜，實現(xiàn)升降平臺的上升和下降。每次系統(tǒng)布放前可根 據(jù)具體情況和需求設(shè)置系統(tǒng)的開機時間、剖面循環(huán)次數(shù)和傳感器采樣頻率。升降平臺與主浮體間的系纜有三種功能，牽引升降平臺做剖面循環(huán)、傳輸傳感器 數(shù)據(jù)和傳輸主浮體控制器喚醒和休眠命令。系纜為選用聚酰銨纖維繩芯的耐磨聚氨酯電 纜，考慮到海流作用，電纜直徑盡可能小。電纜密度與海水接近，在水中重量接近0。電動滾筒上的系纜在無人干預(yù)情況下自動、可靠、整齊地排放到滾筒上，由自動收 排線裝置保證系纜沿滾筒收放線的位置左右自動運行。特別是在收纜時，自動收排線裝置 可以自動按照系纜左右運行的速度排纜，到左右限位塊時自動切換方向。自動收排線裝置 由滑桿、滑塊、絲桿和換向撥叉機構(gòu)組成。在排纜滑塊上有一小孔，系纜穿過小孔，跟隨滑塊 左右滑動，均勻排布在滾筒上。主浮體下的系留索通過圓環(huán)連接件與玻璃浮球連接。玻璃浮球為釋放器提供浮力 支撐，使釋放器遠離海底，防止被磨損。釋放器用于回收探測系統(tǒng)，釋放器通過轉(zhuǎn)環(huán)連接重 力錨上面的錨鏈。當釋放器接收到甲板單元(釋放器水上機)發(fā)出的釋放信號后，轉(zhuǎn)環(huán)與 錨鏈脫離，探測系統(tǒng)包括升降平臺和主浮體就浮到水面，以便回收。本實用新型所述的極區(qū)冰水界面探測系統(tǒng)，應(yīng)用時錨定在海底并置于海面浮冰以 下。在探測系統(tǒng)布放前設(shè)置了開機時間、采樣間隔、每天剖面測量次數(shù)等。每次開機時，值 班電路喚醒主浮體控制器和平臺采集器，平臺采集器給傳感器加電，傳感器開始測量。測量 數(shù)據(jù)經(jīng)平臺采集器處理后通過系纜發(fā)送給主浮體控制器，主浮體控制器接收到數(shù)據(jù)后，判 斷海流數(shù)據(jù)。當海流流速大于設(shè)定閥值(0.6米/秒)時，系統(tǒng)停止工作，進入休眠狀態(tài)；當海流流速小于設(shè)定閥值(0.6米/秒)時，滾筒啟動，放出系纜，升降平臺在浮力作用下緩慢 上升。在升降平臺上升過程中，傳感器沿途采集海流、水溫、鹽度、深度和浮冰距離等參數(shù)， 平臺采集器將剖面數(shù)據(jù)處理儲存并通過系纜傳輸給主浮體控制器。主浮體控制器不斷比較 升降平臺距浮冰的距離數(shù)值，當數(shù)值小于3米時，電動滾筒停止轉(zhuǎn)動，5秒鐘后，電動滾筒反 轉(zhuǎn)，回收系纜，升降平臺下降。升降平臺下降過程中，主浮體控制器不斷比較升降平臺深度 值和主浮體深度值之差，當差值小于1米時，電動滾筒停止轉(zhuǎn)動，主浮體發(fā)出休眠命令，除 值班外系統(tǒng)全部進入休眠狀態(tài)，等待下一次開機。本實用新型用于極區(qū)海洋考察，對研究海冰融化和形成、弄清北冰洋環(huán)流及其對 海洋、氣候的影響有著重要的幫助。本系統(tǒng)不僅適用于極區(qū)海洋考察，也可以通過調(diào)整系統(tǒng) 的配置用于其他海域，還可根據(jù)具體科學研究的需要配置相應(yīng)的傳感器后，用于海洋污染、 生態(tài)、光學、聲學、地質(zhì)等研究領(lǐng)域，具有較強的擴展能力。

圖1為極區(qū)冰水界面探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標記說明1、海冰3、海流計5、浮力球7、溫鹽傳感器9、系纜11、主浮體13、玻璃浮球15、釋放器17、錨鏈19、海底
具體實施方式
現(xiàn)結(jié)合附圖說明本實用新型的具體實施方式
。圖1顯示極區(qū)冰水界面探測系統(tǒng)的 基本組成結(jié)構(gòu)。如圖所示，本實用新型所涉及的極區(qū)冰水界面探測系統(tǒng)，包括系留系統(tǒng)、主浮體 11、系纜9和升降平臺4。系留系統(tǒng)包括系留索12、玻璃浮球13、釋放器15、錨鏈14和重力錨18。重力錨18 位于系留系統(tǒng)的底端，用于將整個探測系統(tǒng)系留在海底19。系留系統(tǒng)上部的系留索連接探 測系統(tǒng)的主浮體11，系留繩下端連接玻璃浮球13，玻璃浮球13下部連接釋放器15，釋放器 15連接在重力錨18的錨鏈14上。主浮體11的外殼為橢球形狀，主浮體11內(nèi)部安裝電動滾筒10，電動滾筒10由固 定支架固定在主浮體11內(nèi)。電動滾筒10的內(nèi)部安裝有電機、減速器、主浮體控制器、主浮體電源等。主浮體11內(nèi)的電動滾筒10外殼上纏繞系纜9，系纜9的一端固定在電動滾筒10
2、海面 4、升降平臺 6、仰視聲納 8、平臺數(shù)據(jù)采集艙 10、電動滾筒 12、系留索 14、錨鏈 16、轉(zhuǎn)環(huán) 18、重力錨上，另一端穿出主浮體11固定在升降平臺4上。升降平臺4呈流線型，尾部帶導流尾翼。升降平臺4上設(shè)置測量傳感器、平臺數(shù)據(jù) 采集艙8、配重和浮力球5。測量傳感器包括溫鹽深傳感器7、海流計3和仰視聲納6，溫鹽深傳感器7測量海 水不同深度的溫度鹽度值，海流計3測量海水的流速和流向，仰視聲納6通過聲學換能器探 測升降平臺與浮冰和海面的距離。傳感器探頭充分暴露在升降平臺4外的海水中，并使仰 視聲納6的波束發(fā)射方向與垂直線成向前傾20°，使其能夠提前觀測到順流而來的浮冰1。平臺數(shù)據(jù)采集艙8內(nèi)裝平臺采集器和平臺電源。測量傳感器與平臺采集器用電纜 連接，平臺采集器通過系纜9與主浮體控制器的控制模塊連接。主浮體11下的系留索12通過圓環(huán)連接件與玻璃浮球13連接，為玻璃浮球13下 的釋放器15提供浮力支撐，使釋放器15遠離海底，防止被海底磨損。釋放器15通過轉(zhuǎn)環(huán) 16連接重力錨18上面的錨鏈17。當釋放器15接收到甲板單元(釋放器水上機)發(fā)出的 釋放信號后，與錨鏈17脫離，探測系統(tǒng)包括升降平臺和主浮體就浮到水面，以便回收。
權(quán)利要求1.一種極區(qū)冰水界面探測系統(tǒng)，其特征在于所述探測系統(tǒng)包括系留系統(tǒng)、主浮體 (11)、系纜(9)和升降平臺⑷；主浮體(11)和升降平臺⑷為具有正浮力的殼體結(jié)構(gòu)， 由系留系統(tǒng)系留在海底(19)，從主浮體(4)內(nèi)引出并收放的系纜(9)連接升降平臺(4)， 通過系纜(9)的收放實現(xiàn)升降平臺(4)的上升和下降；系留系統(tǒng)上部的系留索連接主浮體 (11)，系留系統(tǒng)底端的重力錨(18)沉在海底，重力錨(18)連接的錨鏈(14)上端連接釋放 器(15)；主浮體(11)內(nèi)部安裝電動滾筒(10)，電動滾筒(10)外殼上纏繞系纜(9)，系纜(9) 的一端固定在電動滾筒(10)上，另一端穿出主浮體(11)固定在升降平臺(4)上；升降平臺 (4)上安裝測量傳感器，測量傳感器包括溫鹽深傳感器(7)、海流計(3)和仰視聲納(6)，測 量海水溫度鹽度深度值、海水的流速和流向以及升降平臺與浮冰和海面的距離，測量傳感 器與平臺采集器(8)通過電纜連接，平臺采集器(8)通過系纜(9)與主浮體控制器的控制 模塊連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極區(qū)冰水界面探測系統(tǒng)，其特征在于，傳感器探頭充分暴露 在升降平臺(4)外的海水中，并使仰視聲納(6)的波束發(fā)射方向與垂直線成向前傾20°，使 其能夠提前觀測到順流而來的浮冰(1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極區(qū)冰水界面探測系統(tǒng)，其特征在于主浮體(11)的外殼為 橢球形狀；升降平臺(4)呈流線型，尾部帶導流尾翼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極區(qū)冰水界面探測系統(tǒng)，其特征在于主浮體(11)下的系留 索(12)通過圓環(huán)連接件與玻璃浮球(13)連接，為玻璃浮球(13)下的釋放器(15)提供浮 力支撐，使釋放器(15)遠離海底，防止被磨損。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極區(qū)冰水界面探測系統(tǒng)，其特征在于釋放器(15)的與聲接 收器連接的脫鉤通過轉(zhuǎn)環(huán)(16)連接重力錨(18)上面的錨鏈(17)，接收相應(yīng)的聲信號后，脫 鉤與轉(zhuǎn)環(huán)(16)脫離，探測系統(tǒng)浮到水面，以便回收。
專利摘要本實用新型涉及的極區(qū)冰水界面探測系統(tǒng)，系留在海底，包括系留系統(tǒng)、主浮體、系纜和升降平臺。通過主浮體的電動滾筒控制浮冰下的升降平臺做上下剖面運動，實現(xiàn)浮冰區(qū)冰水混合界面剖面測量。主浮體內(nèi)的電動滾筒外殼上纏繞系纜，系纜的一端固定在滾筒上，另一端穿出主浮體固定在升降平臺上。電機通過減速器減速將扭矩傳遞給滾筒，使?jié)L筒轉(zhuǎn)動，滾筒的轉(zhuǎn)動帶動升降平臺系纜的收放，實現(xiàn)升降平臺的上升和下降。測量傳感器包括溫鹽深傳感器、海流計和仰視聲納，測量海水不同深度的溫度鹽度值、海水的流速和流向以及升降平臺與浮冰和海面的距離。所有的觀測數(shù)據(jù)通過系纜傳輸給主浮體控制器儲存。本探測系統(tǒng)對研究海冰融化和形成以及其對海洋、氣候的影響有著重要幫助。
文檔編號G01F23/00GK201852611SQ201020584988
公開日2011年6月1日 申請日期2010年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月1日
發(fā)明者周達, 商紅梅, 張文良, 賈立雙, 鄔海強 申請人:國家海洋技術(shù)中心