往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的探測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的探測方法。它解決了海洋湍動能耗散率長期連續(xù)剖面觀測的問題。本往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的探測方法包括以下步驟：1)、系統(tǒng)啟動；2)、檢測海洋動力環(huán)境信息剖面數(shù)據(jù)：a、溫度檢測；b、剪切檢測；c、深度檢測；d、海流、溫鹽檢測；e、姿態(tài)感測；3)、剖面儀升降運(yùn)作操控：a、上浮控制；b、換向操作；c、下沉控制；4)、休眠狀態(tài)。本發(fā)明無需多次勞費(fèi)人力，設(shè)備可自動沿鋼纜實(shí)現(xiàn)固定區(qū)域的長時間連續(xù)性剖面測量；且整個系統(tǒng)通過水動力學(xué)優(yōu)化布局后升降平穩(wěn)，進(jìn)而在檢測中消除因水流波動而導(dǎo)致的測量誤差，得到更高精度的準(zhǔn)確海洋微結(jié)構(gòu)剖面觀測數(shù)據(jù)。
【專利說明】往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的探測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于海洋探測設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種能夠進(jìn)行全方位海洋探測的儀器，特別是一種往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的探測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人類對海洋的認(rèn)知和探索最早可以追溯到公元前3世紀(jì)，之后相繼經(jīng)歷了純商貿(mào)、探險航行，融合科學(xué)意味的航行，和基于現(xiàn)代科技的純科學(xué)考察三個過程。海洋學(xué)是一門以觀測為基礎(chǔ)的科學(xué)，海洋認(rèn)識的每一次飛躍無不是建立在新的觀測方式和測量儀器的問世基礎(chǔ)上?；仡櫤Ｑ笥^測史，聲學(xué)多普勒海流計(jì)的問世使得人們掌握了全球大尺度的環(huán)流結(jié)構(gòu)，溫鹽深剖面儀的出現(xiàn)使得人們清楚了整個海洋大尺度的水團(tuán)形成及轉(zhuǎn)換，各種衛(wèi)星高度計(jì)的發(fā)射升空使得人們對海洋中的中小尺度過程，如中尺度渦、內(nèi)波等在空間結(jié)構(gòu)、時間演變等方面有了初步的認(rèn)識。
[0003]海洋學(xué)的研究在大尺度及中尺度過程方面已經(jīng)取得較大進(jìn)展，而在微尺度方面的科學(xué)研究才剛剛開始。近年來，高頻采樣的剪切、溫度、電導(dǎo)率探頭相繼研制成功，使得針對海洋微尺度的研究拉開帷幕。目前，海洋微結(jié)構(gòu)的測量方式主要有兩種:錨系定點(diǎn)測量和船載垂向剖面測量。錨系定點(diǎn)測量只能對海洋某一固定位置特定深度處進(jìn)行測量，可以獲得較好的時間序列觀測，無法獲得海洋微結(jié)構(gòu)的垂向結(jié)構(gòu)特征。船載垂向剖面測量依靠調(diào)查船完成由海表至某一深度處的海洋微結(jié)構(gòu)測量，但無法獲得海洋微結(jié)構(gòu)的時間變異特征，且受海況及現(xiàn)場操作復(fù)雜等不利因素限制。對于海洋微結(jié)構(gòu)的研究，時間變異和空間結(jié)構(gòu)是刻畫其特點(diǎn)的重要參量，基于此，發(fā)展同時獲得垂向空間結(jié)構(gòu)及時間變化的海洋微結(jié)構(gòu)觀測儀器亟待解決。
[0004]對于海洋微結(jié)構(gòu)的描述或者研究，湍動能耗散率是一個重要的物理量，它表征湍流能量耗散強(qiáng)度。因此，對于它的直接、準(zhǔn)確的測量對于研究湍流能量的傳遞及耗散具有重要意義。近些年，利用高頻采樣的剪切探頭已經(jīng)能夠較準(zhǔn)確地測量湍動能耗散率，但是它的應(yīng)用或者是基于錨系定點(diǎn)測量，或者是船載垂向剖面測量，一直未能實(shí)現(xiàn)兩者的融合?？梢?，為了突破海洋微結(jié)構(gòu)觀測的此類瓶頸，創(chuàng)新觀測方式及平臺，實(shí)現(xiàn)高頻采樣的剪切探頭在兩個平臺的有機(jī)融合，意義重大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的技術(shù)存在上述問題，提出了一種在海域內(nèi)固定穿設(shè)鋼纜，且采用對稱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，通過剪切探頭的直接檢測，達(dá)到湍動能耗散率的長期連續(xù)剖面觀測的往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的探測方法。
[0006]本發(fā)明的目的可通過下列技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的探測方法，所述往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀包括第一剖面儀子單元、第二剖面儀子單元及中央立架，兩個剖面儀子單元一左一右固定在中央立架上，在中央立架的中軸線上設(shè)置有用以供鋼纜與中央立架連接的鋼纜穿經(jīng)孔，鋼纜通過鋼纜穿經(jīng)孔縱向貫穿于中央立架，中央立架能沿鋼纜上、下滑移，在鋼纜上設(shè)置有用于限制中央立架滑移距離的上限位部與下限位部，第一剖面儀子單元從上至下依次設(shè)置有第一浮力驅(qū)動部與第一觀測部，第一浮力驅(qū)動部從上至下依次設(shè)置有浮漂艙、驅(qū)動艙與耐壓艙，在浮漂艙內(nèi)設(shè)置有上方油囊，在耐壓艙內(nèi)設(shè)置有下方油囊，在驅(qū)動艙內(nèi)設(shè)置有驅(qū)動泵組件及電磁閥，驅(qū)動泵組件通過出油管路連通上方油囊與下方油囊，電磁閥通過回油管路連通上方油囊與下方油囊，第一觀測部電連接有控制器，控制器電連接驅(qū)動泵組件及電磁閥；第二剖面儀子單元從上至下依次設(shè)置有第二浮力驅(qū)動部與第二觀測部，第二浮力驅(qū)動部從上至下依次設(shè)置有浮漂艙、驅(qū)動艙與耐壓艙，在浮漂艙內(nèi)設(shè)置有上方油囊，在耐壓艙內(nèi)設(shè)置有下方油囊，在驅(qū)動艙內(nèi)設(shè)置有驅(qū)動泵組件及電磁閥，驅(qū)動泵組件通過出油管路連通上方油囊與下方油囊，電磁閥通過回油管路連通上方油囊與下方油囊，第二觀測部電連接有控制器，控制器電連接驅(qū)動泵組件及電磁閥；所述探測方法包括以下步驟:
[0007]I)、系統(tǒng)啟動:將上述鋼纜預(yù)先在海域中定位，并貫穿于往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的中央立架，往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀沿鋼纜由上至下自主滑入海水深處，第一、第二剖面儀子單元的觀測單元開啟進(jìn)行海洋剖面數(shù)據(jù)檢測，與此同時，第一、第二剖面儀子單元中的浮力驅(qū)動單元開啟，執(zhí)行機(jī)體的升降運(yùn)作；
[0008]2)、檢測海洋動力環(huán)境信息剖面數(shù)據(jù):
[0009]a、溫度檢測:在第一剖面儀子單元的第一觀測部中，通過溫度探頭內(nèi)的普通溫度檢測模塊與快速溫度檢測模塊來實(shí)現(xiàn)海洋剖面溫度的測量；
[0010]b、剪切檢測:在第一剖面儀子單元的第一觀測部中，通過剪切探頭內(nèi)的剪切檢測模塊測量出海流的高頻脈動速度，根據(jù)高頻脈動流速的剪切值直接推算出湍動能耗散率；
[0011]C、深度檢測:在第一剖面儀子單元的第一觀測部中，通過深度探頭內(nèi)的壓力檢測模塊測量出剖面儀在水中深度，進(jìn)而求得下放或上升的速度，用于湍動能耗散率的計(jì)算；
[0012]d、海流、溫鹽檢測:在第二剖面儀子單元的第二觀測部中，通過海流計(jì)內(nèi)的海流感測模塊，溫鹽深儀內(nèi)的溫鹽感測模塊測量出海流參數(shù)和溫度、鹽度、壓力數(shù)據(jù)；
[0013]e、姿態(tài)感測:在第一剖面儀子單元的第一觀測部中，通過姿態(tài)傳感器內(nèi)的姿態(tài)傳感模塊測量剖面儀的姿態(tài)和航向，同時提供經(jīng)過較核的三維加速度，角速度以及磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)；
[0014]3)、剖面儀升降運(yùn)作操控:
[0015]a、上浮控制:控制器中的主控制模塊通過串口向浮力驅(qū)動控制模塊發(fā)出指令信號，浮力驅(qū)動控制模塊控制左右對稱的兩個剖面儀子單元進(jìn)行浮力調(diào)節(jié)，即通過H橋電路控制電機(jī)運(yùn)行，帶動高壓泵將下方油囊的液壓油泵出至上方油囊，實(shí)現(xiàn)剖面儀的上浮操作；
[0016]b、換向操作:當(dāng)各項(xiàng)探測設(shè)備到達(dá)設(shè)定上限位置時，或各項(xiàng)探測設(shè)備臨近設(shè)定上限位置時其檢測數(shù)據(jù)不變，控制器中的主控制模塊通過串口通知浮力驅(qū)動控制模塊，發(fā)出由上浮狀態(tài)轉(zhuǎn)入下沉狀態(tài)的指令信號；
[0017]C、下沉控制:浮力驅(qū)動控制模塊控制電磁閥打開，上方油囊中的液壓油在液壓的作用下自主回流進(jìn)入下方油囊，實(shí)現(xiàn)剖面儀的下沉操作；
[0018]4)、休眠狀態(tài):當(dāng)各項(xiàng)探測設(shè)備到達(dá)設(shè)定下限位置時，或各項(xiàng)探測設(shè)備臨近設(shè)定下限位置時其檢測數(shù)據(jù)不變，控制器中的主控制模塊通過串口通知浮力驅(qū)動控制模塊，發(fā)出進(jìn)入休眠狀態(tài)的指令信號，以等待下一次開啟信號。
[0019]驅(qū)動泵組件包括電機(jī)與高壓泵，其中高壓泵串接在出油管路上，電機(jī)通過減速器驅(qū)動連接高壓泵，啟動電機(jī)后經(jīng)過減速器對高壓泵提供動力源，實(shí)現(xiàn)從下方油囊到上方油囊的泵油輸出。電磁閥串接在回油管路上，電磁閥具有兩條相并聯(lián)的通路，一條通路上設(shè)置單向閥門，單向閥門防止液壓油從下方油囊經(jīng)過回油管路流入上方油囊；另一條通路上設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥門，通過調(diào)控流量調(diào)節(jié)閥門的開啟程度，以控制回油流量，進(jìn)一步控制剖面儀的下降速度。
[0020]本往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的探測方法中，預(yù)先在海域中定位穿設(shè)鋼纜，由此免除多次乘船至海面投放，而且通過沿鋼纜往復(fù)式的多次操作實(shí)現(xiàn)固定海域的剖面檢測，達(dá)到在減省人力的同時，進(jìn)行長期穩(wěn)定連續(xù)的海洋剖面自動觀測。另一方面，利用剪切探頭測量脈動流速直接得到湍動能耗散率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)湍動能耗散率的長期連續(xù)剖面觀測。
[0021]在上述的往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的探測方法中，所述剪切探頭測量出的脈動流速的高頻梯度信號，基于湍流的各向同性假設(shè)，在耗散子域內(nèi)，利用觀測的高頻脈動流速剪
【權(quán)利要求】
1.往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的探測方法，所述往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀包括第一剖面儀子單元、第二剖面儀子單元及中央立架，兩個剖面儀子單元一左一右固定在中央立架上，在中央立架的中軸線上設(shè)置有用以供鋼纜與中央立架連接的鋼纜穿經(jīng)孔，鋼纜通過鋼纜穿經(jīng)孔縱向貫穿于中央立架，中央立架能沿鋼纜上、下滑移，在鋼纜上設(shè)置有用于限制中央立架滑移距離的上限位部與下限位部，第一剖面儀子單元從上至下依次設(shè)置有第一浮力驅(qū)動部與第一觀測部，第一浮力驅(qū)動部從上至下依次設(shè)置有浮漂艙、驅(qū)動艙與耐壓艙，在浮漂艙內(nèi)設(shè)置有上方油囊，在耐壓艙內(nèi)設(shè)置有下方油囊，在驅(qū)動艙內(nèi)設(shè)置有驅(qū)動泵組件及電磁閥，驅(qū)動泵組件通過出油管路連通上方油囊與下方油囊，電磁閥通過回油管路連通上方油囊與下方油囊，第一觀測部電連接有控制器，控制器電連接驅(qū)動泵組件及電磁閥；第二剖面儀子單元從上至下依次設(shè)置有第二浮力驅(qū)動部與第二觀測部，第二浮力驅(qū)動部從上至下依次設(shè)置有浮漂艙、驅(qū)動艙與耐壓艙，在浮漂艙內(nèi)設(shè)置有上方油囊，在耐壓艙內(nèi)設(shè)置有下方油囊，在驅(qū)動艙內(nèi)設(shè)置有驅(qū)動泵組件及電磁閥，驅(qū)動泵組件通過出油管路連通上方油囊與下方油囊，電磁閥通過回油管路連通上方油囊與下方油囊，第二觀測部電連接有控制器，控制器電連接驅(qū)動泵組件及電磁閥；其特征在于，所述探測方法包括以下步驟: 1)、系統(tǒng)啟動:將上述鋼纜預(yù)先在海域中定位，并貫穿于往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的中央立架，往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀沿鋼纜由上至下自主滑入海水深處，第一、第二剖面儀子單元的觀測單元開啟進(jìn)行海洋剖面數(shù)據(jù)檢測，與此同時，第一、第二剖面儀子單元中的浮力驅(qū)動單元開啟，執(zhí)行機(jī)體的升降運(yùn)作； 2)、檢測海洋動力環(huán)境信息剖面數(shù)據(jù): a、溫度檢測:在第一剖面儀子單元的第一觀測部中，通過溫度探頭內(nèi)的普通溫度檢測模塊與快速溫度檢測模塊來實(shí)現(xiàn)海洋剖面溫度的測量； b、剪切檢測:在第一剖面儀子單元的第一觀測部中，通過剪切探頭內(nèi)的剪切檢測模塊測量出海流的高頻脈動速度，根據(jù)高頻脈動流速的剪切值直接推算出湍動能耗散率； C、深度檢測:在第一剖面儀子單元的第一觀測部中，通過深度探頭內(nèi)的壓力檢測模塊測量出剖面儀在水中深度，進(jìn)而求得下放或上升的速度，用于湍動能耗散率的計(jì)算； d、海流、溫鹽檢測:在第二剖面儀子單元的第二觀測部中，通過海流計(jì)內(nèi)的海流感測模塊，溫鹽深儀內(nèi)的溫鹽感測模塊測量出海流參數(shù)和溫度、鹽度、壓力數(shù)據(jù)； e、姿態(tài)感測:在第一剖面儀子單元的第一觀測部中，通過姿態(tài)傳感器內(nèi)的姿態(tài)傳感模塊測量剖面儀的姿態(tài)和航向，同時提供經(jīng)過較核的三維加速度，角速度以及磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)； 3)、剖面儀升降運(yùn)作操控: a、上浮控制:控制器中的主控制模塊通過串口向浮力驅(qū)動控制模塊發(fā)出指令信號，浮力驅(qū)動控制模塊控制左右對稱的兩個剖面儀子單元進(jìn)行浮力調(diào)節(jié)，即通過H橋電路控制電機(jī)運(yùn)行，帶動高壓泵將下方油囊的液壓油泵出至上方油囊，實(shí)現(xiàn)剖面儀的上浮操作； b、換向操作:當(dāng)各項(xiàng)探測設(shè)備到達(dá)設(shè)定上限位置時，或各項(xiàng)探測設(shè)備臨近設(shè)定上限位置時其檢測數(shù)據(jù)不變，控制器中的主控制模塊通過串口通知浮力驅(qū)動控制模塊，發(fā)出由上浮狀態(tài)轉(zhuǎn)入下沉狀態(tài)的指令信號； C 、下沉控制:浮力驅(qū)動控制模塊控制電磁閥打開，上方油囊中的液壓油在液壓的作用下自主回流進(jìn)入下方油囊，實(shí)現(xiàn)剖面儀的下沉操作；4)、休眠狀態(tài):當(dāng)各項(xiàng)探測設(shè)備到達(dá)設(shè)定下限位置時，或各項(xiàng)探測設(shè)備臨近設(shè)定下限位置時其檢測數(shù)據(jù)不變，控制器中的主控制模塊通過串口通知浮力驅(qū)動控制模塊，發(fā)出進(jìn)入休眠狀態(tài)的指令信號，以等待下一次開啟信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的探測方法，其特征在于，所述剪切探頭測量出的脈動流速的高頻梯度信號，基于湍流的各向同性假設(shè)，在耗散子域內(nèi)，利用觀測的高頻脈動流速剪切#可依據(jù)下式推算出湍動能耗散率ε:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的探測方法，其特征在于，所述剪切探頭直接測量的是垂直于剪切探頭軸線方向的脈動流速U隨時間的變化du/dt，通過泰勒凍結(jié)定理假設(shè)，可得到脈動流速u的垂向剪切
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的探測方法，其特征在于，所述各項(xiàng)探測設(shè)備將探測信息傳遞至控制器，所述控制器進(jìn)一步整理分析探測信息，完成各項(xiàng)海洋微結(jié)構(gòu)的剖面測量，并進(jìn)一步繪制出各項(xiàng)探測信息的分析記錄圖表。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的探測方法，其特征在于，所述控制器根據(jù)分析整理后的各項(xiàng)探測信息數(shù)據(jù)，同步由主控制模塊向浮力驅(qū)動控制模塊發(fā)出驅(qū)動指令，所述浮力驅(qū)動控制模塊根據(jù)驅(qū)動指令操控電機(jī)與電磁閥動作。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的探測方法，其特征在于，所述主控制模塊向浮力驅(qū)動控制模塊發(fā)出上浮操作指令信號，同步控制電機(jī)的運(yùn)行速率以控制出油流量，進(jìn)一步控制剖面儀的上浮速度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的探測方法，其特征在于，所述電磁閥具有兩條相并聯(lián)的通路，一條通路上設(shè)置單向閥門，防止液壓油從下方油囊經(jīng)過回油管路流入上方油囊；另一條通路上設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥門，在下沉回油的過程中調(diào)節(jié)開啟程度以控制回油流量，進(jìn)一步控制剖面儀的下沉速度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的往復(fù)式海洋微結(jié)構(gòu)剖面儀的探測方法，其特征在于，所述剖面儀下沉至下極限位置時，進(jìn)行彈性緩沖撞擊而停止運(yùn)動，而后根據(jù)指令信號進(jìn)入休眠狀態(tài)。
【文檔編號】G01C13/00GK104034317SQ201410252601
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】田紀(jì)偉, 趙瑋, 宋大雷, 楊慶軒, 徐銘 申請人:中國海洋大學(xué)