專利名稱：極區(qū)冰下定點剖面測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及海洋測量系統(tǒng)，特別是涉及一種在冰蓋下大面積進 行海洋定點全剖面水文要素采集的測量系統(tǒng)。
技術背景利用長期連續(xù)的野外觀測資料，研究極地冰蓋、冰川、海冰、海洋、 大氣的關鍵物理化學過程及其變化，認識極地冰雪與海洋對全球變化的 響應與反饋，是極地科學研究的前沿問題。以往在極區(qū)進行海洋觀測，采用的是由調查船布放和回收的水下定 點剖面測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由垂直系留在海水中的鋼纜上分層掛設的觀測 儀器構成，分層測量和記錄海水溫度、鹽度和海流等海洋環(huán)境參數(shù)的剖 面資料?，F(xiàn)有技術的水下定點剖面測量系統(tǒng)包括多套分層掛設的觀測儀器， 整個系統(tǒng)比較笨重，系統(tǒng)的布放和回收必須利用調査船進行，使海上測 量作業(yè)很不方便，測量數(shù)據(jù)需到測量系統(tǒng)回收到船上后才能回放。而且， 在調查船無法達到的海冰覆蓋區(qū)域，難以布放上述水下定點剖面測量系 統(tǒng)來進行冰蓋下海洋環(huán)境測量。因此，極區(qū)海洋科學研究范圍的擴大需要設置在冰蓋下進行海洋環(huán) 境測量的裝置或系統(tǒng)。發(fā)明內容針對現(xiàn)有技術的水下定點剖面測量系統(tǒng)難以進行冰蓋下海洋環(huán)境測 量，本實用新型推出由沿系纜上下循環(huán)移動的單套剖面儀和聲學傳輸系 統(tǒng)構成的定點剖面測量系統(tǒng)，實現(xiàn)在冰上將測量系統(tǒng)人工布放到水中和 通過聲學傳輸系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)傳遞到冰上，以解決在調査船無法達到的 海冰覆蓋區(qū)域難以進行冰蓋下海洋環(huán)境測量的問題。本實用新型所涉及的極區(qū)冰下定點剖面測量系統(tǒng)包括錨系系統(tǒng)、系 纜式剖面儀和聲學傳輸系統(tǒng)。錨系系統(tǒng)包括單點系泊在海底并由浮體繃緊的系留纜、連接在系留 纜最上端的主浮體、連接系留纜最下端并置于海底的錨。錨系系統(tǒng)系留 纜的鋼纜從系纜式剖面儀上下兩端的掛環(huán)中穿過，將剖面儀限制在系留 纜上。聲學傳輸系統(tǒng)包括三個聲學通訊機和一臺筆記本電腦，三個聲學通 訊機設置于冰下水中，為分別安裝在剖面儀骨架上的1號聲學通訊機、 安裝在錨系系統(tǒng)主浮體下端的2號聲學通訊機、通過電纜與筆記本電腦串口線連接的3號聲學通訊機，三個聲學通訊機之間能進行水聲通信。錙系系統(tǒng)主浮體的下端左右兩側分別安裝聲學傳輸系統(tǒng)的一個聲學 通訊機和密封艙，密封艙內設置控制模塊，控制模塊包括數(shù)據(jù)存儲電路， 控制模塊與聲學通訊機之間由水密電纜連接。系纜式剖面儀呈近似橢圓柱體，前面板上下兩端裝有兩個可打開的 掛環(huán)，從掛環(huán)中穿過的鋼纜使剖面儀被限制在系留纜上，并可以沿鋼纜 上下移動。系纜式剖面儀的外殼為流線型導流罩，內部有骨架來支撐， 結構不密封。剖面儀殼體內主要有驅動器、測量傳感器、控制模塊、電 池組和浮子。剖面儀中的控制模塊、傳感器分別安裝在幾個密封艙體中，采用0形圈密封。各個艙體用螺栓固定在骨架上。剖面儀的驅動器安裝在前面板上，包括電機、減速器、磁耦合聯(lián)軸 器和驅動輪。驅動器外部的驅動輪置于導流罩外部，驅動輪安裝在剖面 儀前面板中部固定的擺動架上。擺動架被固定在前面板上的彈簧拉著， 使驅動輪與穿過其凹槽的銀纜緊密接觸。驅動輪的軸穿過導流罩與設置 在導流罩內部的磁耦合聯(lián)軸器連接。電機的轉動通過磁耦合聯(lián)軸器帶動 驅動輪在鋼纜上爬行，實現(xiàn)剖面儀沿鋼纜上下移動。剖面儀的控制模塊主要由數(shù)據(jù)采集和存儲電路、驅動器控制電路、 數(shù)據(jù)傳輸控制電路組成。通過控制電機的正反轉，實現(xiàn)剖面儀的上升或 下降，剖面儀在水下沿系纜繩上下移動的速度是相對均勻的，電機啟動、 停止由程序控制?？刂颇K控制著傳感器的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù) 傳輸。每次使用時可根據(jù)測量的需要在控制程序預先設置剖面儀的移動 距離、移動時間間隔以及傳感器采樣間隔。剖面儀中的測量傳感器包括溫度鹽度壓力傳感器和海流計。溫度鹽 度壓力傳感器安裝在剖面儀的機體上，傳感器探頭穿過剖面儀導流罩外 殼，充分暴露在海水中。海流計安裝在剖面儀的前面板上，海流計探頭 穿過剖面儀導流罩暴露在海水中，海流計探頭方向與前面板垂直，置于 迎流(水平流)方向。剖面儀中的驅動器、控制模塊以及測量傳感器都是由鋰電池組供電， 控制模塊與電池組安裝在位于剖面儀下半部的三個密封殼體內。剖面儀導流罩內設置浮子，位于剖面儀的上部。浮子的作用是平衡 剖面儀中其他部件在水中的重量，使剖面儀在水中整體接近中性狀態(tài)。 聲學傳輸系統(tǒng)的聲學通訊機包括聲學換能器和數(shù)據(jù)傳輸控制電路，其主 要作用是將主浮體密封艙內控制模塊數(shù)據(jù)存儲電路輸出的數(shù)據(jù)信息進行
處理并通過聲學換能器轉換成聲信號發(fā)送出去，將接收到的聲信號通過 聲學換能器轉換成電信號后經(jīng)過處理得到數(shù)據(jù)信息并輸入到主浮體密封 艙內控制模塊的數(shù)據(jù)存儲電路中或筆記本電腦的存儲器中。聲學傳輸系統(tǒng)的1號聲學通訊機安裝在剖面儀的骨架上，聲學換能 器部分伸在剖面儀導流罩夕、部。1號聲學通訊機通過水密電纜與剖面儀 控制模塊的數(shù)據(jù)采集和存儲電路連接，它能主動向2號聲通訊機發(fā)送數(shù) 據(jù)，不能接收數(shù)據(jù)。聲學傳輸系統(tǒng)的2號聲學通訊機安裝在錨系系統(tǒng)的主浮體下端一 側，主浮體下端另一側安裝密封艙，密封艙內裝有控制模塊。2號聲學 通訊機通過水密電纜與主浮體密封艙內控制模塊的數(shù)據(jù)存儲電路連接。2號聲學通訊機具有主動接收1號聲學通訊機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和被動向3號聲 通訊機發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。也就是說，2號聲學通訊機一直處于值班狀態(tài)， l號通訊機發(fā)送數(shù)據(jù)，2號通訊機就能自動接收，并輸入到主浮體密封艙 內控制模塊的數(shù)據(jù)存儲電路中存儲。2號聲學通訊機不能主動發(fā)送數(shù)據(jù)， 只有當接收到3號聲學通訊機的指令后，才能發(fā)送數(shù)據(jù)。聲學傳輸系統(tǒng)的3號聲學通訊機通過電纜與冰面上的筆記本電腦串 口線連接。3號聲學通訊機可以由操作人員隨身攜帶，使用時將其放入 冰下水中，操作人員在冰面上通過電腦輸入指令，使3號聲學通訊機向 2號聲學通訊機發(fā)出數(shù)據(jù)回放指令，然后接收2號聲學通訊機發(fā)送的數(shù) 據(jù)。剖面儀進行剖面測量時，傳感器采集到的觀測數(shù)據(jù)首先保存到剖面 儀控制模塊的數(shù)據(jù)采集和存儲電路中。當完成一個剖面后，剖面儀的控 制模塊向1號聲學通訊機輸入剖面測量數(shù)據(jù)，1號聲學通訊機將測量數(shù) 據(jù)進行處理，然后轉換成聲學信號發(fā)送給主浮體上的2號聲學通訊機。2 號聲學通訊機將接收到的聲學信號進行轉換、處理后，將其輸入到密封 艙內控制模塊的數(shù)據(jù)存儲電路中保存。主浮體控制模塊的數(shù)據(jù)存儲電路 中保存著所有剖面測量數(shù)據(jù)，當需要回收數(shù)據(jù)時，操作人員將隨身攜帶 的3號聲學通訊機穿過冰面放入水中，并通過電腦輸入數(shù)據(jù)回放指令，3 號聲學通訊機將該指令轉換成聲信號并發(fā)送給2號聲學通訊機。2號聲 學通訊機收到3號聲學通訊機的聲信號后，將其轉換成電信號并進行解 碼識別，然后傳遞給主浮體控制模塊，主浮體控制模塊的數(shù)據(jù)存儲電路 中保存的全部數(shù)據(jù)由2號聲學通訊機轉換成聲信號發(fā)送給3號聲學通訊 機，3號聲學通訊機將接收到的信號進行轉換后輸出數(shù)據(jù)至筆記本電腦 上，由操作人員將其保存到指定的存儲器中。
本實用新型涉及的冰蓋下定點剖面測量系統(tǒng)不僅適用于極區(qū)，通過 調整錨系系統(tǒng)的配置，也可以在正常海域進行海洋環(huán)境要素、生物化學 和其它方面的調査。采樣間隔、剖面測量范圍及頻率可以根據(jù)需要預先 設置，觀測數(shù)據(jù)可以是自容式，也可以通過聲通訊定期回收，它是一種 先進的、操作靈活的觀測系統(tǒng)。


圖1為極區(qū)冰蓋下定點剖面測量系統(tǒng)的組成示意圖。圖2為剖面儀設置在系留纜鋼纜上的示意圖。 圖中標記說明1、主浮體2、密封艙3、轉環(huán)4、停止器5、包塑鋼纜6、導流罩7、驅動器8、海流計探頭9、玻璃浮球10、超強聚乙烯繩11、錨鏈12、錨13、溫度鹽度壓力傳感器14、 l號聲學通訊機15、2號聲學通訊機16、海冰面17、3號聲學通訊機18、筆記本電腦19、浮子20、掛環(huán)21、驅動輪22、電機23、剖面儀控制模塊與電池組24、海流計控制器具體實施方式
現(xiàn)結合附圖說明本實用新型的具體實施方式
。圖1顯示極區(qū)冰蓋下定點剖面測量系統(tǒng)的基本組成結構，圖2顯示設置在鋼纜上的剖面儀基 本結構。如圖所示，本實用新型所涉及的極區(qū)冰下定點剖面測量系統(tǒng)由錨系 系統(tǒng)、系纜式剖面儀和聲學傳輸系統(tǒng)組成。錨系系統(tǒng)最上端的主浮體1連接通過置于海底的錨12單點系泊在海 底的系留纜。主浮體l為鋼制橢球體，主浮體1的下部左右兩側分別安 裝聲學傳輸系統(tǒng)的聲學通訊機15和密封艙2，主浮體1的下端通過轉環(huán) 3與系留纜的包塑鋼纜5上端連接。剖面儀通過上下兩端的掛環(huán)19和中 部的驅動輪20設置在鋼纜5上。鋼纜上下兩端各安裝一個有緩沖作用的 停止器4，停止器4靠螺栓緊固在鋼纜5上。鋼纜5的下端通過轉環(huán)3 與玻璃浮球9連接，玻璃浮球9的另一端與超強聚乙烯化纖繩10連接。 超強聚乙烯化纖繩10下端與錨鏈11連接，錨鏈11的下端連接錨系系統(tǒng)最下端的錨12，錨12固定在海底。系纜式剖面儀前面板上下兩端裝有掛環(huán)19，鋼纜5從掛環(huán)19中穿過。 剖面儀的外殼是流線型導流罩6，剖面儀殼體內有驅動器7、溫度鹽度壓 力傳感器13、海流計控制器23、控制模塊與電池組22以及浮子18等。 海流計探頭8穿過剖面儀導流罩6暴露在海水中，海流計探頭8的方向 與前面板垂直。剖面儀中的控制模塊與電池組22分別安裝在幾個密封艙 體中，采用0形圈密封。剖面儀中的驅動器、控制模塊以及測量傳感器都是由鋰電池組供電， 電池組分別安裝在三個密封殼體中，這三個殼體位于剖面儀的下半部。剖面儀的驅動器7安裝在前面板上，驅動器7的電機21、減速器和 磁耦合聯(lián)軸器安裝在導流罩6內，驅動輪20置于導流罩6的外部。聲學傳輸系統(tǒng)中的2號聲學通訊機15安裝在錨系系統(tǒng)中的主浮體1 上，其聲學換能器朝下。2號聲學通訊機15通過水密電纜與主浮體1上 密封艙2內的控制模塊連接。1號聲學通訊機14安裝在系纜式剖面儀的 骨架上，其聲學換能器朝上并伸出導流罩6的外部。1號聲學通訊機14 通過水密電纜與剖面儀控制模塊與電池組22連接。3號聲學通訊機16 通過電纜與冰面上的筆記本電腦17串口線連接，其聲學換能器朝下。
權利要求1、 一種極區(qū)冰下定點剖面測量系統(tǒng)，包括由系留纜、主浮體和海底 錨構成的錨系系統(tǒng)，其特征在于還包括系纜式剖面儀和聲學傳輸系統(tǒng)， 系留纜的鋼纜從系纜式剖面儀上下兩端的掛環(huán)中穿過，將剖面儀限制在 系留纜上；聲學傳輸系統(tǒng)包括三個聲學通訊機和一臺筆記本電腦，三個聲學通訊機設置于冰下水中，為分別安裝在剖面儀骨架上的1號聲學通訊機、安裝在錨系系統(tǒng)主浮體下端的2號聲學通訊機、通過電纜與筆記 本電腦串口線連接的3號聲學通訊機，三個聲學通訊機之間能進行水聲通信。
2、 根據(jù)權利要求1所述的極區(qū)冰下定點剖面測量系統(tǒng)，其特征在于 系纜式剖面儀的外殼為流線型導流罩，內部有骨架來支撐，剖面儀殼體 內有驅動器、測量傳感器、控制模塊與電池組、浮子，并分別安裝在幾 個由0形圈密封的艙體中，各個艙體用螺栓固定在骨架上。
3、 根據(jù)權利要求2所述的極區(qū)冰下定點剖面測量系統(tǒng)，其特征在于 剖面儀的驅動器安裝在剖面儀前面板上，包括電機、減速器、磁耦合聯(lián) 軸器和驅動輪，驅動器外部的驅動輪置于導流罩外部。
4、 根據(jù)權利要求3所述的極區(qū)冰下定點剖面測量系統(tǒng)，其特征在于 驅動輪的軸穿過導流罩與設置在導流罩內部的磁耦合聯(lián)軸器連接，電機 的轉動通過磁耦合聯(lián)軸器帶動驅動輪在鋼纜上爬行。
5、 根據(jù)權利要求2所述的極區(qū)冰下定點剖面測量系統(tǒng)，其特征在于 剖面儀中的測量傳感器包括溫度鹽度壓力傳感器和海流計，溫度鹽度壓 力傳感器安裝在剖面儀的機體上，溫度鹽度壓力傳感器探頭穿過剖面儀 導流罩外殼暴露在海水中；海流計安裝在剖面儀的前面板上，海流計探頭穿過剖面儀導流罩暴露右海水中。
6、 根據(jù)權利要求5所述的極區(qū)冰下定點剖面測量系統(tǒng)，其特征在于:海流計探頭方向與前面板垂直，置于迎流方向。
專利摘要本實用新型公開了包括錨系系統(tǒng)、系纜式剖面儀和聲學傳輸系統(tǒng)的極區(qū)冰下定點剖面測量系統(tǒng)，實現(xiàn)在冰上將測量系統(tǒng)人工布放到水中并通過聲學傳輸系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)傳遞到冰上，以解決在調查船無法達到的海冰覆蓋區(qū)域難以進行冰蓋下海洋環(huán)境測量的問題。錨系系統(tǒng)系留纜的鋼纜從系纜式剖面儀上下兩端的掛環(huán)中穿過，將剖面儀限制在系留纜上。系纜式剖面儀的外殼為流線型導流罩，殼體內主要有驅動器、測量傳感器、控制模塊、電池組和浮子等。測量傳感器包括溫度鹽度壓力傳感器和海流計。聲學傳輸系統(tǒng)包括三個聲學通訊機和一臺筆記本電腦，聲學通訊機將接收到的測量數(shù)據(jù)進行處理，然后輸出數(shù)據(jù)至筆記本電腦上進行存儲。
文檔編號G01C13/00GK201037769SQ20062015149
公開日2008年3月19日 申請日期2006年11月24日 優(yōu)先權日2006年11月24日
發(fā)明者商紅梅, 尚擁軍, 張少永, 李永軍, 沈高山, 鄔海強 申請人:國家海洋技術中心