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1. WO2020155349 - APPAREIL D'OBSERVATION DE TYPE DIVISÉ POUR COUCHE DE LIMITE MARITIME ET PROCÉDÉ

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[ ZH ]
一种分体式海洋边界层观测设备及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及海洋观测领域,具体地说是涉及一种分体式海洋边界层观测设备, 以及采用上述观测设备进行海洋边界层观测的方法。

背景技术

[0002] 海洋与大气之间的能量、物质交换影响着全球水循环、生物地球化学循环和能 量循环,对全球环境、气候及生态平衡有着重要作用。海气界面近水体边界层 是海气相互作用研究的重要组成部分,这其中包含很多复杂的物理过程,化学 过程,同时也是众多海洋生物聚集的区层。

[0003] 目前,对海气界面近水体边界层的观测主要是靠浮标和船载走航观测。其中, 浮标主要有锚定标、漂流浮标等;走航主要是船载,特别是走航方式,观测时 间十分有限,极易受天气影响,且完成远海观测十分不易,观测机动性存在局 限,难以研究海洋在不同尺度上的时空变化,且观测数据容易受到船体等干扰 。相应的,观测仪器主要是有缆的和无缆的,其中,无缆的仪器主要是自由下 落,到达一定深度后,抛弃重块,然后上浮,完成测量过程。

[0004] 综合起来看, 5见有海洋边界层观测存在以下几个问题:

[0005] ( 1) 传统测量方式都是自上而下,因为海面海况复杂,在入水后海浪等作用 影响了观测设备初始状态,使其产生水平方向的作用力,下潜过程中会左右摇 摆,边界层只有几十米距离,设备调整好状态后已经穿过边界层,这样对边界 层的观测数据就会产生很大误差。

[0006] (2) 目前自下而上的测量方式都是采用一体化观测,这样就造成设备体积较 大,在上浮过程中设备本身对原始海流会产生较大影响,所测量数据不是真实 的海洋状态。

[0007] (3) 设备上浮下潜,传统采用抛载重快的方式,这样设计反复性应用不高, 增加设备成本。

发明概述

技术问题

问题的解决方案

技术解决方案

[0008] 基于上述技术问题,本发明提供一种分体式海洋边界层观测设备及方法。

[0009] 本发明所采用的技术解决方案是:

[0010] 一种分体式海洋边界层观测设备,包括载体和观测体,观测体和载体之间采用 可分离的连接方式;

[0011] 所述载体包括第一壳体,在第一壳体的底部端头处设置有用于控制载体上浮或 下潜的浮力驱动机构,在第一壳体上还设置有用于测量海深的压力传感器,在 第一壳体的内部设置有第一耐压舱,在第一耐压舱中设置有控制器、第一无线 通讯模块和第一 GPS定位模块,在第一壳体的顶部端头处设置有用于控制观测体 与载体相连接或相脱离的释放装置;

[0012] 所述释放装置包括电机、释放环、螺母和螺母套,释放环包括相互之间可自由 转动的外环和内环,电机固定在电机支架上,外环与电机支架固定连接,电机 的转轴与内环的下部相连接,内环的上部与螺母套相连接,在螺母套的内侧设 置有与螺母外螺纹相配合的内螺纹槽,螺母旋入螺母套中,所述螺母固定在观 测体的底端;

[0013] 所述压力传感器和电机均与控制器相连接;

[0014] 在观测体和载体之间还设置有用于限制二者之间相对转动但不限制二者之间各 沿轴向运动的限位结构;

[0015] 所述观测体包括第二壳体,在第二壳体的顶部设置有测量探头,在第二壳体的 顶部且位于测量探头的外侧设置有导流罩,所述螺母设置在第二壳体的底部, 在第二壳体的外侧设置有浮体,在第二壳体的内部设置有耐压舱,在耐压舱的 内部设置有数据采集模块、第二无线通信模块和第二 GPS定位模块,所述测量探 头与数据采集模块相连接。

[0016] 优选的,所述限位结构包括限位凸起和与限位凸起相配合的限位凹槽,限位凸 起设置在第二壳体上,限位凹槽设置在第一壳体上,当螺母旋入螺母套中后, 限位凸起竖直卡入限位凹槽中;或所述限位结构包括第一限位凹槽、第二限位 凹槽和竖直插杆,第一限位凹槽设置在第一壳体上,第二限位凹槽设置在第二 壳体上,当螺母旋入螺母套中后,第一限位凹槽和第二限位凹槽上下正对,所 述竖直插杆插入第一限位凹槽和第二限位凹槽中。

[0017] 优选的,在释放环的外环和内环之间设置有滚珠。

[0018] 优选的,所述第一壳体和第二壳体均呈流线型设计。

[0019] 优选的,所述测量探头包括用于测量湍流、温盐深和海流的探头。

[0020] 一种分体式海洋边界层观测方法,采用如上所述的装置,包括以下步骤:

[0021] ( 1) 载体通过浮力驱动机构调节为负浮力,携带观测体下潜到达海洋边界 层与混合层以下,在下潜过程中通过压力传感器实时测量载体的下潜深度;

[0022] (2) 当载体下潜达到预定深度后,由控制器控制电机释放观测体,具体过 程如下:控制器给电机信号,控制电机逆时针旋转,电机的转轴带动内环逆时 针旋转时,螺母套随之逆时针旋转,由于限位结构的作用力,观测体与载体之 间不能相对转动,因此螺母套在旋转过程中逐渐与螺母相脱离,当螺母从螺母 套中脱出后,观测体与载体相分离;

[0023] (3) 观测体设置为正浮力,在浮力作用下快速上浮,经过海洋边界层时, 通过测量探头测量海洋边界层湍流、温盐深和海流数据,观测边界层海况,测 量探头所探测的数据传送至数据采集模块中存储;当观测体上浮到海面上时, 通过第二无线通讯模块和第二 GPS定位模块发送位置数据,进行观测体回收;

[0024] (4) 载体释放观测体后,通过浮力驱动机构调节为正浮力,载体上浮,当 上浮到海面后,通过第一无线通讯模块和第一 GPS定位模块发送位置数据,进行 载体回收。

[0025] 上述步骤中,在观测体上浮过程中,通过导流罩对测量探头进行保护,同时导 流罩也起到导流作用。

发明的有益效果

有益效果

[0026] 本发明的有益技术效果是:

[0027] 本发明采用自下而上,由稳定海况到复杂海况的分体式观测设备,载体采用浮 力驱动方式,虽然浮力驱动占用体积较大,但是不会占用观测设备 (观测体) 体积,观测时只有观测设备经过测量海域,因其体积较小,减小对海洋的影响 ,极大提高测量数据的真实性和准确性。

[0028] 本发明的优势具体体现在以下方面:

[0029] 1、采用分体式探测方式,可以减少观测设备因为体积大而对水体造成的影响

,能够提高测量环境的原始性。

[0030] 2、采用由下而上的测量方式,设备在进入到待观测海域前已经进入稳定状态

,这样由稳定海域到复杂海域测量,可以减少前段测量对后段测量造成的外界 影响。

[0031] 3、载体采用浮力驱动方式下潜和上浮,可以较抛载重物式下潜方式,能够反 复应用,降低成本,而且载体与观测体安装简单方便。

[0032] 4、传感器测量探头置于观测体顶端,保证第一时间测量到海洋数据,导流罩 可对测量探头起到保护作用,而且导流罩可起到导流作用,能够尽量避免水流 对测量探头的影响。

对附图的简要说明

附图说明

[0033] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明:

[0034] 图 1为本发明的外部整体结构示意图;

[0035] 图 2为本发明的结构原理示意图,图中载体与观测体相分开;

[0036] 图 3为本发明中载体的结构原理示意图;

[0037] 图 4为本发明中观测体的结构原理示意图;

[0038] 图 5为本发明中观测体的正视图;

[0039] 图 6为本发明进行海洋边界层观测的流程示意图。

发明实施例

本发明的实施方式

[0040] 目前测量边界层海况数据由下而上大都是采用一体式设备,这样测量方式的缺 点就是设备本身体积大,通过对其水动力分析,经过区域已经对海洋造成扰动 ,这时测量的海洋数据就会存在误差。目前 Argo自下而上的测量方式就是采用 一体式测量。传统由上而下的测量方式,会因为海平面海况极度复杂,对测量 的初始状态造成影响,海洋边界层只有几十米,没等设备调整好状态就已经经 过这片海域,所以由上而下的测量方式所带来的误差更大。

[0041] 针对上述技术问题,本发明提供一种分体式海洋边界层观测设备及方法。

[0042] 结合附图,一种分体式海洋边界层观测设备,包括载体 1和观测体 2, 观测体 2 和载体 1之间采用可分离的连接方式。所述载体 1包括第一壳体 11,在第一壳体 的底部端头处设置有用于控制载体上浮或下潜的浮力驱动机构 12, 在第一壳体 上还设置有用于测量海深的压力传感器 13 , 在第一壳体的内部设置有第一耐压 舱 14, 在第一耐压舱中设置有控制器、第一无线通讯模块和第一 GPS定位模块, 在第一壳体的顶部端头处设置有用于控制观测体与载体相连接或相脱离的释放 装置。所述释放装置包括电机 31、释放环 32、螺母 33和螺母套 34, 释放环 32包 括相互之间可自由转动的外环和内环,在外环和内环之间设置有滚珠,释放环 整体类似于轴承结构。电机 31固定在电机支架 35上,外环与电机支架固定连接 ,电机的转轴与内环的下部相连接,内环的上部与螺母套相连接,在螺母套 34 的内侧设置有与螺母外螺纹相配合的内螺纹槽,螺母 33旋入螺母套 34中,所述 螺母 33固定在观测体 2的底端。所述压力传感器和电机均与控制器相连接。在观 测体和载体之间还设置有用于限制二者之间相对转动但不限制二者之间各沿轴 向运动的限位结构。

[0043] 所述观测体 2包括第二壳体 21,在第二壳体的顶部设置有测量探头 22,在第二 壳体的顶部且位于测量探头的外侧设置有导流罩 23 , 所述螺母 33设置在第二壳 体 21的底部,在第二壳体的外侧设置有浮体 24, 在第二壳体的内部设置有耐压 舱 25 , 在耐压舱的内部设置有数据采集模块、第二无线通信模块和第二 GPS定位 模块,所述测量探头与数据采集模块相连接。

[0044] 作为对本发明的进一步设计,所述限位结构包括限位凸起 41和与限位凸起相配 合的限位凹槽,限位凸起 41设置在第二壳体 21上,限位凹槽设置在第一壳体 11 上,当螺母 33旋入螺母套 34中后,限位凸起 41竖直卡入限位凹槽中。

[0045] 或所述限位结构包括第一限位凹槽、第二限位凹槽和竖直插杆,第一限位凹槽 设置在第一壳体上,第二限位凹槽设置在第二壳体上,当螺母旋入螺母套中后 ,第一限位凹槽和第二限位凹槽上下正对,所述竖直插杆插入第一限位凹槽和

第二限位凹槽中。

[0046] 上述第一壳体 11和第二壳体 21均呈流线型设计。

[0047] 上述测量探头包括用于测量湍流、温盐深和海流的探头。

[0048] 一种分体式海洋边界层观测方法,采用如上所述的装置,包括以下步骤:

[0049] ( 1) 载体通过浮力驱动机构调节为负浮力,携带观测体下潜到达海洋边界 层与混合层以下,在下潜过程中通过压力传感器实时测量载体的下潜深度。

[0050] (2) 当载体下潜达到预定深度后,由控制器控制电机释放观测体,具体过 程如下:控制器给电机信号,控制电机逆时针旋转,电机的转轴带动内环逆时 针旋转时,螺母套随之逆时针旋转,由于限位结构的作用力,观测体与载体之 间不能相对转动,因此螺母套在旋转过程中逐渐与螺母相脱离,当螺母从螺母 套中脱出后,观测体与载体相分离。

[0051] (3) 观测体设置为正浮力,在浮力作用下快速上浮,经过海洋边界层时, 通过测量探头测量海洋边界层湍流、温盐深和海流数据,观测边界层海况,测 量探头所探测的数据传送至数据采集模块中存储;当观测体上浮到海面上时, 通过第二无线通讯模块和第二 GPS定位模块发送位置数据,进行观测体回收。

[0052] (4) 载体释放观测体后,通过浮力驱动机构调节为正浮力,载体上浮,当 上浮到海面后,通过第一无线通讯模块和第一 GPS定位模块发送位置数据,进行 载体回收。

[0053] 上述步骤中,在观测体上浮过程中,通过导流罩对测量探头进行保护,同时导 流罩也起到导流作用。

[0054] 本发明一种分体式海洋边界层观测设备及方法主要有以下三个方面的创新点:

[0055] 1、目前一体式观测设备普遍存在的问题是设备体积比较大会对原始海洋造成 一些扰动,这样观测到的数据就是扰动后的数据会存有一定误差,本发明采用 分体式观测设备,测量时,载体携带测量设备下潜到边界层以下,通过释放装 置释放观测体,观测体上携带有湍流、海流和温盐深传感器等,观测体快速上 浮穿过边界层。

[0056] 2、所述观测体采用由下而上的测量方式,观测体的体积比较小,相同的浮力 作用下,设备越细体积越小受到的水阻越小,这样可以使观测体快速穿越边界 层,并由稳定海域快速进入到复杂海域,这样测量方式能够减小上一时间测量 对之后测量的影响,减小测量误差。

[0057] 3、抛载重快的方式反复利用率比较低下,所述载体采用浮力驱动方式进行下 潜和上浮,这样设计是为了减少观测设备的体积,浮力驱动放置于载体底端, 通过重浮力调节使载体能够垂直下潜。

[0058] 下面对本发明进行更为具体地说明:

[0059] 本发明用于解决海洋边界层观测问题,由载体携带观测体到达海洋边界层与混 合层以下,通过调节浮力驱动机构使系统稳定,由载体控制电机释放观测体, 螺母套与释放环的内环上部相连,电机轴与释放环的内环下部相连,释放环的 外环与电机固定架相连,当电机带动释放环内环逆时针旋转时,螺母套随之逆 时针旋转,因为限位结构的作用力使观测体不能一起旋转,这样观测体在电机 作用下与载体分离。观测体设置为正浮力,在浮力作用下快速上浮,观测边界 层海况,观测体上导流罩用于保护观测探头,导流罩上面圆环对水流影响达到 最小,并且也起到一个导流作用,观测体测量探头包括用于测量湍流、温盐深 和海流的探头。数据采集模块放于观测体耐压舱,观测体耐压舱还包括用于回 收的 GPS定位模块和无线通信模块。载体包括用于测量海深的压力传感器,内部 耐压舱包括无线通讯和 GPS定位模块,并且有用于控制释放环的电机,这样把占 用体积比较大的浮力驱动机构都放置于载体大大减小观测体体积,通过浮力驱 动机构调节,浮力驱动载体下潜过程为负浮力,在上浮回收过程中为正浮力。

[0060] 所述的浮力驱动机构位于载体底部,限位结构包括限位凸起和限位凹槽,二者 配合在一起防止观测体随电机一起旋转,这样设计是为了释放观测体时能有一 个稳定的初始状态,并且浮力驱动位于底部极大减小载体体积,这是因为观测 体与载体连接部分需要有释放机构,浮力驱动在底部必然需要加长设备拉低重 )、。

[0061] 所述观测体与载体通过释放环连接,载体通过控制释放环释放观测体,观测体 浮力材料包裹在观测体顶部外壳这样能够拉高浮心,而测量探头置于观测体顶 部,这样才能在上浮过程中第一时间测量到海洋数据,所述导流罩置于观测体 最顶端,对测量探头起到保护作用,并且起到引流作用。

[0062] 工作时,由载体携带观测体到达边界层和混合层交界处以下,待载体稳定后, 载体内中控系统控制电机通过释放环释放观测体,因观测体为正浮力,并且体 积较小受到水阻很小观测体快速穿过边界层,载体的浮力驱动机构调节重浮力 使载体保持在当前水平面,待观测设备穿越边界层之后,浮力驱动机构调节为 正浮力使载体上浮,通过载体和观测体内部的 GPS定位模块和无线通信模块回收 设备。

[0063] 上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

[0064] 需要说明的是,在本说明书的教导下,本领域技术人员所作出的任何等同替代 方式,或明显变形方式,均应在本发明的保护范围之内。