專利名稱：極區冰下定點剖面測量系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及海洋測量系統，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。
技術背景利用長期連續的野外觀測資料，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。該系統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境參數的剖 面資料。現有技術的水下定點剖面測量系統包括多套分層掛設的觀測儀器， 整個系統比較笨重，系統的布放和回收必須利用調査船進行，使海上測 量作業很不方便，測量數據需到測量系統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域，難以布放上述水下定點剖面測量系 統來進行冰蓋下海洋環境測量。因此，極區海洋科學研究范圍的擴大需要設置在冰蓋下進行海洋環 境測量的裝置或系統。發明內容針對現有技術的水下定點剖面測量系統難以進行冰蓋下海洋環境測 量，本實用新型推出由沿系纜上下循環移動的單套剖面儀和聲學傳輸系 統構成的定點剖面測量系統，實現在冰上將測量系統人工布放到水中和 通過聲學傳輸系統將測量數據傳遞到冰上，以解決在調査船無法達到的 海冰覆蓋區域難以進行冰蓋下海洋環境測量的問題。本實用新型所涉及的極區冰下定點剖面測量系統包括錨系系統、系 纜式剖面儀和聲學傳輸系統。錨系系統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。錨系系統系留 纜的鋼纜從系纜式剖面儀上下兩端的掛環中穿過，將剖面儀限制在系留 纜上。聲學傳輸系統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。錙系系統主浮體的下端左右兩側分別安裝聲學傳輸系統的一個聲學 通訊機和密封艙，密封艙內設置控制模塊，控制模塊包括數據存儲電路， 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，從掛環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軸器連接。電機的轉動通過磁耦合聯軸器帶動 驅動輪在鋼纜上爬行，實現剖面儀沿鋼纜上下移動。剖面儀的控制模塊主要由數據采集和存儲電路、驅動器控制電路、 數據傳輸控制電路組成。通過控制電機的正反轉，實現剖面儀的上升或 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控制著傳感器的數據采集、數據存儲和數據 傳輸。每次使用時可根據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。 聲學傳輸系統的聲學通訊機包括聲學換能器和數據傳輸控制電路，其主 要作用是將主浮體密封艙內控制模塊數據存儲電路輸出的數據信息進行
處理并通過聲學換能器轉換成聲信號發送出去，將接收到的聲信號通過 聲學換能器轉換成電信號后經過處理得到數據信息并輸入到主浮體密封 艙內控制模塊的數據存儲電路中或筆記本電腦的存儲器中。聲學傳輸系統的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 控制模塊的數據采集和存儲電路連接，它能主動向2號聲通訊機發送數 據，不能接收數據。聲學傳輸系統的2號聲學通訊機安裝在錨系系統的主浮體下端一 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據存儲電路連接。2號聲學通訊機具有主動接收1號聲學通訊機傳輸的數據和被動向3號聲 通訊機發送數據的功能。也就是說，2號聲學通訊機一直處于值班狀態， l號通訊機發送數據，2號通訊機就能自動接收，并輸入到主浮體密封艙 內控制模塊的數據存儲電路中存儲。2號聲學通訊機不能主動發送數據， 只有當接收到3號聲學通訊機的指令后，才能發送數據。聲學傳輸系統的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號聲學通訊機發出數據回放指令，然后接收2號聲學通訊機發送的數 據。剖面儀進行剖面測量時，傳感器采集到的觀測數據首先保存到剖面 儀控制模塊的數據采集和存儲電路中。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據，1號聲學通訊機將測量數 據進行處理，然后轉換成聲學信號發送給主浮體上的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 艙內控制模塊的數據存儲電路中保存。主浮體控制模塊的數據存儲電路 中保存著所有剖面測量數據，當需要回收數據時，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，并通過電腦輸入數據回放指令，3 號聲學通訊機將該指令轉換成聲信號并發送給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據存儲電路 中保存的全部數據由2號聲學通訊機轉換成聲信號發送給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據至筆記本電腦 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不僅適用于極區，通過 調整錨系系統的配置，也可以在正常海域進行海洋環境要素、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需要預先 設置，觀測數據可以是自容式，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。
圖1為極區冰蓋下定點剖面測量系統的組成示意圖。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
現結合附圖說明本實用新型的具體實施方式
。圖1顯示極區冰蓋下定點剖面測量系統的基本組成結構，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冰下定點剖面測量系統由錨系 系統、系纜式剖面儀和聲學傳輸系統組成。錨系系統最上端的主浮體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 裝聲學傳輸系統的聲學通訊機15和密封艙2，主浮體1的下端通過轉環 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19，鋼纜5從掛環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。聲學傳輸系統中的2號聲學通訊機15安裝在錨系系統中的主浮體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、 一種極區冰下定點剖面測量系統，包括由系留纜、主浮體和海底 錨構成的錨系系統，其特征在于還包括系纜式剖面儀和聲學傳輸系統， 系留纜的鋼纜從系纜式剖面儀上下兩端的掛環中穿過，將剖面儀限制在 系留纜上；聲學傳輸系統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、 根據權利要求1所述的極區冰下定點剖面測量系統，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、 根據權利要求2所述的極區冰下定點剖面測量系統，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 軸器和驅動輪，驅動器外部的驅動輪置于導流罩外部。
4、 根據權利要求3所述的極區冰下定點剖面測量系統，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軸器連接，電機 的轉動通過磁耦合聯軸器帶動驅動輪在鋼纜上爬行。
5、 根據權利要求2所述的極區冰下定點剖面測量系統，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、 根據權利要求5所述的極區冰下定點剖面測量系統，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、系纜式剖面儀和聲學傳輸系統的極區冰下定點剖面測量系統，實現在冰上將測量系統人工布放到水中并通過聲學傳輸系統將測量數據傳遞到冰上，以解決在調查船無法達到的海冰覆蓋區域難以進行冰蓋下海洋環境測量的問題。錨系系統系留纜的鋼纜從系纜式剖面儀上下兩端的掛環中穿過，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據進行處理，然后輸出數據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 優先權日2006年11月24日
發明者商紅梅, 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
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