一种冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统论文和设计-刘贵杰

全文摘要

本实用新型公开了一种冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统，所述的系统包括两个以上的水下子系统，所述的水下子系统包括固定于海底的锚定，双并联声学释放器单元与锚定顶部的锁紧环相连接，绞车驱动及电能供给单元的底部通过线缆与双并联声学释放器单元相连接，顶部通过线缆与安装在观测仪器搭载单元底部的承重头相连接，在观测仪器搭载单元的顶部安装卫星通讯天线，在绞车驱动及电能供给单元内安装可以存储观测仪器搭载单元所发来观测数据的存储器。本实用新型所公开的冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统，能够实现对南极冰下上层海洋环境的有效监测。为极地海洋观测与监测提供了一种安全可靠高质量的解决方案。

主设计要求

1.一种冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统，其特征在于：所述的系统包括两个以上的水下子系统，所述的水下子系统包括固定于海底的锚定，双并联声学释放器单元与锚定顶部的锁紧环相连接，绞车驱动及电能供给单元的底部通过线缆与双并联声学释放器单元相连接，顶部通过线缆与安装在观测仪器搭载单元底部的承重头相连接，在观测仪器搭载单元的顶部安装卫星通讯天线，在绞车驱动及电能供给单元内安装可以存储观测仪器搭载单元所发来观测数据的存储器，各水下子系统绞车驱动及电能供给单元的存储器之间通过光纤链接。

设计方案

2.根据权利要求1所述的冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统，其特征在于：所述的系统还包括岸站系统，该岸站系统包括防盗集装箱，系统在防盗集装箱内安装配有大容量存储设备的电能及信息处理控制系统，该电能及信息处理控制系统通过光纤与各水下子系统的存储器相链接，并可为各水下子系统的绞车驱动及电能供给单元充电，在防盗集装箱的顶部安装与电能及信息处理控制系统电连接的卫星通讯天线和太阳能电池板。

3.根据权利要求2所述的冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统，其特征在于：所述的系统还包括与岸站系统及各水下子系统的卫星通讯天线进行信息传输通讯的卫星。

4.根据权利要求1所述的冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统，其特征在于：在双并联声学释放器单元内布置拉力传感器。

5.根据权利要求1所述的冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统，其特征在于：绞车驱动及电能供给单元的底部通过凯夫拉绳与双并联声学释放器单元相连接，顶部通过海缆与安装在观测仪器搭载单元底部的承重头相连接。

6.根据权利要求1所述的冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统，其特征在于：所述的观测仪器搭载单元搭载的仪器包括温盐深仪、声呐高度计、存储器、水质参数传感器和水动力参数传感器。

7.根据权利要求1所述的冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统，其特征在于：所述的观测仪器搭载单元置于外壁光滑的橄榄状浮球内。

8.根据权利要求7所述的冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统，其特征在于：在浮球内安装浮力调节装置。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及南北极海洋环境剖面观测系统领域，具体的说涉及该领域内的一种冰下上层（500米以潜）海洋长期定点自动剖面综合观测网系统。

背景技术

作为地球的冷源，南北两极是全球气候系统的重要组成部分，在气候的形成和变化过程中起着重要的作用。作为全球大洋输送带的驱动器，极地海洋在其中扮演着最为重要的角色。在全球变暖的背景下，极地海洋成为更加引人注目的地方。北极海冰的加速减退，已经成为气候的“北极放大”效应中最为突出和最具代表性的例子；而南极海冰的不减反增，又充分显示出气候变化的多样性和复杂性。由于海冰和极夜等不利因素造成的现场考察困难，导致极地海洋在全球海洋中仍然是被了解最少的部分。因此，对极地海洋的观测在全球气候变化研究中日益受到重视。

现有的南北极冰下海洋环境观测系统主要有：

（1）Argo浮标系统，即自沉浮式剖面探测浮标系统，专用于海洋次表层温、盐、深剖面测量。Argo浮标系统用于对海洋进行长期的漂流观测，无法获得同一点的常年观测数据。Argo浮标系统由探测设备、传感器、平台终端以及搭载平台构成。

（2）ITP系统是一种冰基拖拽式海洋剖面观测系统，其组成部分包括置于海冰表面的浮筒、悬于浮筒下面的缆绳、缆绳底端的镇重器以及由马达驱动的沿缆绳上下运动的剖面测量器，剖面测量器中又包括测量装置、控制器、驱动系统和电池。冰上单元固定在海冰上，下面与穿过冰洞由重块拉直的包塑钢缆相连接，载有观测设备（主要是CTD）的浮体沿钢缆上下移动，实现剖面观测。ITP能够测量垂直剖面的电导率、温度、压力、溶解氧、光合有效辐射和荧光叶绿素。

（3）海豹搭载CTD系统，将试验检测仪器绑定在海豹身体上，通过海豹的移徙活动来观测所需要的各种参数。它极大地丰富了夏季以外的南大洋观测数据，但是海豹的位置不定，数据的空间重复性不好，难以开展过程性的研究；此外受到仪器设备和卫星通讯成本的限制，海豹数据的垂向分辨率较差，精度也不高。

（4）如图1所示，隋元杰等人提出了一种带有水下探测中继平台的潜标系统设计方案，通过中间中继控制仓来实现水面与水底的数据交换。

以上的观测系统主要存在以下缺点：Argo浮标系统由于在水下不能进行GPS定位，无法确定观测数据的地理位置，因此其水下观测数据几乎无法使用；ITP系统目前只能应用于北极的多年冰上，南极海冰多为当年冰，除了冬季以外，无法提供足够坚实的海冰用于支持ITP；海豹搭载CTD系统受海豹位置的不确定性影响，观测效果不佳，难以得到可靠的观测结果；隋元杰等人的潜标系统设计方案中剖面观测浮球与绞车采用水声通信，传输速度慢、传输波特率低，无法适应冰下长期运行和包括视频信号在内的数据大量快速传输的需求，没有冰山探测和避障功能，仍不能用于冰下上层海洋自动剖面综合观测。

南极的海冰平均厚度只有1m左右，但是冰山较多，其水下部分常深达数百米，因此，南极海洋潜标多在300m以深。这样，冰下海洋的上层（北极为50m，南极约为200m）成为常规潜标观测的盲区。冬季，海冰几乎完全覆盖了极区海洋，水下设备无法升出海面进行卫星通讯，也使在中纬度海洋普遍使用的水下漂流浮标（如Argo浮标系统）失效。由于南极海冰绝大多数为当年冰，缺乏能够承载ITP系统的多年冰，ITP系统尚不能在南极应用。因此，目前对南极冰下上层海洋的观测还几乎是一片空白。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题，就是提供一种用于解决南极冰下上层海洋观测盲区问题的冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统，其改进之处在于：所述的系统包括两个以上的水下子系统，所述的水下子系统包括固定于海底的锚定，双并联声学释放器单元与锚定顶部的锁紧环相连接，绞车驱动及电能供给单元的底部通过线缆与双并联声学释放器单元相连接，顶部通过线缆与安装在观测仪器搭载单元底部的承重头相连接，在观测仪器搭载单元的顶部安装卫星通讯天线，在绞车驱动及电能供给单元内安装可以存储观测仪器搭载单元所发来观测数据的存储器，各水下子系统绞车驱动及电能供给单元的存储器之间通过光纤链接。

进一步的，所述的系统还包括岸站系统，该岸站系统包括防盗集装箱，系统在防盗集装箱内安装配有大容量存储设备的电能及信息处理控制系统，该电能及信息处理控制系统通过光纤与各水下子系统的存储器相链接，并可为各水下子系统的绞车驱动及电能供给单元充电，在防盗集装箱的顶部安装与电能及信息处理控制系统电连接的卫星通讯天线和太阳能电池板。

进一步的，所述的系统还包括与岸站系统及各水下子系统的卫星通讯天线进行信息传输通讯的卫星。

进一步的，在双并联声学释放器单元内布置拉力传感器。

进一步的，绞车驱动及电能供给单元的底部通过凯夫拉绳与双并联声学释放器单元相连接，顶部通过海缆与安装在观测仪器搭载单元底部的承重头相连接。

进一步的，所述的观测仪器搭载单元搭载的仪器包括温盐深仪、声呐高度计、存储器、水质参数传感器和水动力参数传感器。

进一步的，所述的观测仪器搭载单元置于外壁光滑的橄榄状浮球内。

进一步的，在浮球内安装浮力调节装置。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型所公开的冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统，通过布放两个以上的水下子系统，能够在整个待观测海域构建出一个观测网系统。每一个水下子系统的定点剖面观测构成了点阵式海域剖面观测区域。从而能够更直接、更客观地将观测海域的水文信息有效的勾勒出来，显著地推动了南极冰下上层海洋长期自动剖面观测技术的发展，增强对整个南极冰下上层海洋的观测能力，为研究南极海-冰-气相互作用机制及其对全球气候、海洋酸化等问题的长期影响规律提供了技术支撑。

本实用新型所公开的冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统，实现了冰下上层海洋综合要素的长期定点剖面观测，且可规避漂浮冰山，为解决因南极冰下上层海洋观测存在盲区而无法解决的相关科学问题提供了技术支撑；基于物联网技术，通过微波通讯、卫星通讯、LoRA等方式，实现水下子系统的实时在线；通过观测仪器搭载单元的剖面运动，实现定点大深度范围的立体剖面观测。

本实用新型所公开的冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统，通过太空卫星、水下子系统和岸站系统三位一体的建设，能够在多种海洋环境下采集到有效的剖面环境信息，特别是在南极冰下上层观测盲区的环境下，实现长期、定点、自动剖面观测，填补了南极缺少冰下上层海洋观测网的空白。

本实用新型所公开的冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统，能够实现对南极冰下上层海洋环境的有效监测。为极地海洋观测与监测提供了一种安全可靠高质量的解决方案。通过将水下子系统进行南极布放，形成整个南极冰下上层海洋环境观测网，可对大范围的海域进行全方位立体实时监测，所监测的各项参数通过光纤、卫星通信等方式传输至控制端以及云端，通过相应软件进行数据处理，获得第一手海洋环境数据，其可行性高、应用前景广阔。

本实用新型所公开的冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统，通过观测仪器搭载单元搭载的仪器，能够对南极冰山提前做出一定的预判，并通过绞车驱动及电能供给单元实现对观测仪器搭载单元的收回与释放。克服了通过浮标、潜标等组建的观测网无法规避冰山的弊端，实现了冰下长期定点、自动剖面观测，也克服了Argo观测系统和海豹搭载仪器观测系统无定点、无规律观测的不确定性，保证了观测数据的可靠性。水下子系统采用低功耗技术，观测仪器搭载单元置于外壁光滑的橄榄状浮球内，可降低水阻，减少功耗；浮球内安装浮力调节装置，使观测仪器搭载单元下降时浮力减小、上升时浮力增加，从而极大地降低了绞车电机的能耗；绞车驱动及电能供给单元采用低功耗工业级器件，从硬件和软件两个方面进行优化，大大降低了功耗，延长了水下子系统的使用周期。将观测仪器搭载单元置于外壁光滑的橄榄状浮球内，碰到冰山可避免挂住，从而保证了设备的安全；与锚定顶部的锁紧环相连接的双并联声学释放器单元能够在关键时刻释放锁紧环，使锚定能够轻易地脱离绞车驱动及电能供给单元，以保护绞车及其他设备不被拖走，从而保留绞车驱动及电能供给单元中存储器内的观测数据；通过水下光纤，将储存的数据及时的传输至岸站系统，这种二次存储机制也保证了数据的安全性。相较于水声通信数据传输方案，本系统所采用的基于以太网和WIFI数据传输技术的数据传输方案，不仅降低了成本和功率消耗，而且也提高了规避冰山的响应速度，可实时传输高清视频信号，能在观测仪器搭载单元和绞车驱动及电能供给单元之间建立起高速高效的数据传输通道，使整个观测网系统的响应时间大大缩短。

附图说明

图1是隋元杰等人提出的潜标系统的组成框图；

图2是本实用新型实施例1所公开系统的组成框图；

图3是本实用新型实施例1所公开系统中水下子系统的结构示意图；

图4是本实用新型实施例1所公开系统中岸站系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1，如图2所示，本实施例公开了一种冰下上层海洋长期定点自动剖面综合观测网系统，所述的系统包括两个以上的水下子系统，如图3所示，所述的水下子系统包括固定于海底的锚定10，双并联声学释放器单元9与锚定顶部的锁紧环相连接，绞车驱动及电能供给单元8的底部通过线缆与双并联声学释放器单元相连接，顶部通过线缆与安装在观测仪器搭载单元6底部的承重头7相连接，在观测仪器搭载单元的顶部安装卫星通讯天线5，在绞车驱动及电能供给单元内安装可以存储观测仪器搭载单元所发来观测数据的存储器，各水下子系统绞车驱动及电能供给单元的存储器之间通过光纤链接。

观测仪器搭载单元搭载了探测海冰和冰山的仪器，能够主动规避海冰和冰山；在海面无冰的情况下，可以通过卫星发回观测数据。同时，还加装多种传感器，如CTD（温盐深仪）等精密仪器，能够获得包括海冰的厚度和漂移速度、冰下海洋的温度、盐度、流速、辐射量等完整剖面的综合观测数据，可获得冰下上层海洋以及海冰的多要素定点周年连续观测数据，为研究海冰-海洋相互作用提供数据。

绞车驱动及电能供给单元进行收放缆可实现自动升降和观测仪器搭载单元的剖面检测，卫星通讯天线固定于观测仪器搭载单元的顶部，当观测仪器搭载单元上的声呐高度计侦测到海面无冰山时，可通过绞车驱动及电能供给单元放缆使卫星通讯天线露出水面，通过太空中的卫星接收传送信息。在绞车的牵引下，采集数据在观测仪器搭载单元内的存储器存储的同时，还发送到绞车驱动及电能供给单元的存储器进行备份存储，因此本系统在无冰的情况下可通过卫星通讯天线露出海面直接与卫星进行通讯传输，在有冰的情况下，可以通过绞车驱动及电能供给单元里的存储器进行存储，并通过光纤传输给岸站系统，岸站系统可以通过自身的卫星通讯天线与卫星进行有效传输通讯。

绞车驱动及电能供给单元自身还有紧急避险的功能，当探测到浮动海冰和冰山接近时，启动应急规避冰山程序，在设计的等待时间过后再启动正常剖面观测程序，进行作业。另外，在锚定与绞车绳缆连接处加双并联声学释放器及相应拉力传感器，当水下子系统与冰山相撞时，可控制双并联声学释放器释放锁紧环使锚定能够轻易地脱离绞车驱动及电能供给单元，以保护绞车及其他设备不被拖走，从而保留绞车驱动及电能供给单元中存储器内的观测数据。各个布放的水下子系统之间也通过光纤链接，从而能够实现信息共享以及信息互存。这大大增加了整个系统的安全性、稳定性和可靠性。

所述的系统还包括岸站系统，如图4所示，该岸站系统包括防盗集装箱4，在防盗集装箱内安装配有大容量存储设备的电能及信息处理控制系统 3，该电能及信息处理控制系统通过光纤与各水下子系统的存储器相链接，并可为各水下子系统的绞车驱动及电能供给单元充电，在防盗集装箱的顶部安装与其内电能及信息处理控制系统电连接的卫星通讯天线1和太阳能电池板2。

岸站系统作为选用系统，在条件允许（存在安全的安装环境和技术背景）的情况下可以进行安装。岸站系统的主要功能包括：通过太阳能电池板储存并为水下子系统提供额外的电能供给；与水下子系统进行有效通讯，同时通过卫星通讯天线与卫星导航系统进行通讯，将从水下子系统获得的视频等剖面信息传送给相关部门中心；同时，通过电力载波等技术，将水下子系统所采集到的剖面信息进行二次存储，以防水下子系统丢失间接导致存储信息丢失，从而使采集的信息更安全。

所述的系统还包括与岸站系统及各水下子系统的卫星通讯天线进行通讯的卫星。

在本实施例中，在双并联声学释放器单元内布置拉力传感器。绞车驱动及电能供给单元的底部通过凯夫拉绳与双并联声学释放器单元相连接，顶部通过海缆与安装在观测仪器搭载单元底部的承重头相连接。所述的观测仪器搭载单元搭载的仪器包括温盐深仪CTD、声呐高度计、存储器、水质参数传感器和水动力参数传感器。所述的观测仪器搭载单元置于外壁光滑的橄榄状浮球内。在浮球内安装浮力调节装置，使观测仪器搭载单元下降时浮力减小、上升时浮力增加，从而极大地降低了绞车电机的能耗。

设计图

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