本发明属于海洋监测技术领域，具体涉及一种深海多功能长期原位观测系统。
背景技术：
海床基是一种坐底型海洋观测系统，通过搭载不同仪器设备对海底及近海底范围内的海洋环境进行探测，它能够进行较长期定点观测能力同时具有良好的隐蔽性好。伴随海洋事业的不断发展，对海洋环境监测提出了越来越高的要求，海床基在应用过程中有两个突出问题亟待解决。第一，海床基不能实现长时间原位监测功能。目前海床基平台受制于携带能源的限制在布放点只能进行有限时间的监测作业，在携带能源耗尽之前必须进行回收作业。当海床基再次布放时不能到达上次布放的位置，即不能实现原位置的观测作业；第二，国内现有的海床基的功能较为单一，大多针对特定厂家的仪器设备设计，不具备良好的扩展性和适应性。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种深海多功能长期原位观测系统，可通过搭载不同传感器实现深海海底不同参数长时间、原位定点连续监测作业。
本发明所采用的技术方案是：一种深海多功能长期原位观测系统，包括母船、吊放单元、仪器单元、原位基座；所述母船通过绞车的铠装缆与所述吊放单元的铠装缆起吊转接件连接；所述吊放单元的吊放对接裙口能与所述仪器单元的顶部对接针对接，所述吊放单元的抓紧组件能抓取和释放仪器单元的顶部对接针，实现吊放单元对仪器单元的抓取和释放；所述仪器单元的底部滑动对接件能与所述原位基座的基座对接裙口对接，实现仪器单元为原位观测基座充电用于数据采集、存储与传输。
进一步的，所述铠装缆的一端与所述母船的控制系统相连接，另一端与所述吊放单元的铠装缆起吊转接件连接，实现电能供给和数据连接；所述铠装缆的中间部分缠绕在所述绞车上，所述绞车通过信号线与所述母船的控制系统相连接，实现控制绞车收放，通过绞车带动铠装缆进一步带动吊放单元上下运动。
进一步的，所述吊放单元包括吊放主框架、铠装缆起吊转接件、水平推进器、竖直推进器、吊放声学定位信标、视觉定位组件、吊放控制器、用于对接仪器单元的吊放对接裙口、抓紧组件；所述铠装缆起吊转接件的顶端与母船的铠装缆固定连接，所述铠装缆起吊转接件的底端与吊放主框架的顶端通过铰链转动连接；所述抓紧组件通过螺栓与吊放主框架的上端固定连接；所述吊放对接裙口通过螺栓与吊放主框架下端固定连接；所述水平推进器通过螺栓与吊放主框架定连接；所述竖直推进器通过螺栓与吊放主框架固定连接；所述吊放声学定位信标、视觉定位组件、吊放控制器均通过螺栓与吊放主框架固定连接；所述水平推进器、竖直推进器、吊放声学定位信标、视觉定位组件、抓紧组件均与吊放控制器相连接，所述吊放控制器通过铠装缆与母船的控制系统相连接。
其中，所述视觉定位组件包括水下摄像机和设置在水下摄像机两侧的探照灯，所述水下摄像机和探照灯通过安装座与吊放主框架固定连接；所述水下摄像机和探照灯均与吊放控制器相连接。
其中，所述抓紧组件包括锁紧机构和与所述锁紧机构相连接、驱动所述锁紧机构运动实现锁紧和放松动作的电机；所述电机与吊放控制器相连接。
进一步的，所述仪器单元包括仪器安装架、用于对接吊放单元的顶部对接针、用于对接原位基座的底部滑动对接件、传感器组件、仪器电池组、仪器控制舱、用于为原位基座充电的仪器电能传输接口；所述顶部对接针通过螺栓与仪器安装架的上端固定连接；所述底部滑动对接件通过螺栓与仪器安装架的下端固定连接；所述传感器组件通过螺栓与仪器安装架固定连接；所述仪器电池组和仪器控制舱与仪器安装架固定连接；所述仪器电能传输接口与底部滑动对接件的下端固定连接；所述传感器组件、仪器电池组、仪器电能传输接口通过水密接插件与仪器控制舱相连接。
其中，包括所述传感器组件地磁日变站和重力仪，所述地磁日变站和重力仪与仪器控制舱相连接。
其中，所述传感器组件、仪器电池组、仪器控制舱、仪器电能传输接口均采用独立耐压密封结构；所述传感器组件、仪器电池组、仪器电能传输接口通过水密电缆及水密接插件与仪器控制舱相连接，以实现电气连接。
进一步的，所述原位基座包括基座框架、基座上盖板、用于对接仪器单元的基座对接裙口、起吊环、支撑腿、液压支撑腿组件、基座电池组、基座控制舱、基座电能传输器、基座声学定位组件；所述起吊环通过螺栓与基座框架固定连接；所述基座上盖板通过螺栓与基座框架固定连接；所述基座对接裙口通过螺栓与基座框架固定连接；所述支撑腿与基座框架底部的连接法兰固定连接；所述液压支撑腿组件与基座框架侧面的连接法兰固定连接；所述基座电池组通过螺栓与基座框架固定连接；所述基座控制舱通过螺栓与基座框架固定连接；所述基座电能传输器通过螺栓与基座对接裙口的下端固定连接；所述基座声学定位组件通过螺栓与基座框架固定连接；所述基座电池组、基座电能传输器、基座声学定位组件通过水密接插件与基座控制舱相连接。
其中，所述液压支撑腿组件液压缸、支腿、防沉座和铰链；所述液压缸一端通过法兰与基座框架转动连接，另一端通过法兰与支腿转动连接；所述支腿一端通过法兰与铰链固定连接，另一端通过法兰与防沉座固定连接；所述铰链远离支腿的一端通过法兰与基座框架固定连接；所述液压缸通过水密电缆及水密接插件与基座控制舱相连接，以实现基座控制舱控制液压支撑腿组件伸缩。
其中，所述基座声学定位组件包括声通讯猫、声通讯底板、声通讯压紧盖、内六角圆柱头螺钉和声通讯安装板；所述声通讯底板与声通讯压紧盖通过内六角圆柱头螺钉固定连接，并将声通讯猫通过上下两个凸台固定在声通讯底板与声通讯压紧盖之间；所述声通讯安装板一面与声通讯底板固定连接，另一面通过螺栓与基座框架固定连接；所述声通讯猫通过水密电缆及水密接插件与基座控制舱相连接。
其中，所述基座控制舱、基座电能传输器以及基座电池组均采用独立耐压密封结构；所述基座电能传输器、基座电池组通过水密电缆及水密接插件与基座控制舱相连接，以实现电气连接。
本发明的有益效果是：
仪器单元的传感器组件采用可重构式设计。在不改变仪器单元总体结构下，仪器单元的传感器组件能够根据不同监测需求进行重新设计，可以快速实现多功能长期原位观测的监测功能拓展。
可收放的液压支撑腿组件。液压支腿组件收缩状态时，原位基座具有较小的结构尺寸，便于运输和海上作业；液压支腿组件打开状态时，原位基座具有与海底更大的接触面积和抓地力，有利于原位基座的水平位置和竖直位置保持。
原位基座具有水平位置和竖直位置保持能力，能够实现深海原位定点观测。原位基座的基座电池组电能来源于仪器电池组，通过仪器单元重复回收过程与布放过程可实现系统长时间的连续观测。通过原位基座、仪器单元和吊放组件的配合，可实现深海多功能长期原位观测系统的深海海底长时间原位定点观测能力。
附图说明
图1是深海多功能长期原位观测系统的分解示意图；
图2是吊放单元3d示意图；
图3是仪器单元3d示意图；
图4是原位基座3d示意图；
图5是原位基座的液压支腿组件收缩状态示意图；
图6是吊放对接裙口与顶部对接针对接示意图；
图7是底部滑动对接件与基座对接裙口对接示意图；
图8是母船与吊放单元连接示意图；
图9是吊放单元的视觉定位组件示意图；
图10是原位基座的液压支撑腿组件示意图；
图11是原位基座的基座声学定位组件示意图；
附图标注：1-吊放主框架、2-铠装缆起吊转接件、3-水平推进器、4-竖直推进器、5-吊放声学定位信标、6-视觉定位组件、7-吊放对接裙口、8-抓紧组件、9-吊放控制器、10-顶部对接针、11-底部滑动对接件、12-传感器组件、13-仪器电池组、14-仪器控制舱、15-仪器电能传输接口、16-仪器安装架、17-基座上盖板、18-基座对接裙口、19-起吊环、20-液压支撑腿组件、21-基座电池组、22-基座控制舱、23-基座电能传输器、24-基座声学定位组件、25-基座框架、26-支撑腿、27-母船、61-水下摄像机、62-探照灯、201-液压缸、202-支腿、203-防沉座、204-铰链、241-声通讯猫、242-声通讯底板、243-声通讯压紧盖、244-内六角圆柱头螺钉、245-声通讯安装板。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如附图1至图8所示，一种深海多功能长期原位观测系统，包括母船27、吊放单元、仪器单元、原位基座；所述母船27通过绞车的铠装缆与所述吊放单元的铠装缆起吊转接件2连接；所述吊放单元的吊放对接裙口7能与所述仪器单元的顶部对接针10对接，所述吊放单元的抓紧组件8能抓取和释放仪器单元的顶部对接针10，实现吊放单元对仪器单元的抓取和释放；所述仪器单元的底部滑动对接件11能与所述原位基座的基座对接裙口18对接，实现仪器单元为原位观测基座充电用于数据采集、存储与传输。
所述铠装缆的一端与所述母船27的控制系统相连接，另一端与所述吊放单元的铠装缆起吊转接件2连接，实现电能供给和数据连接；所述铠装缆的中间部分缠绕在所述绞车上，所述绞车通过信号线与所述母船27的控制系统相连接，实现控制绞车收放，通过绞车带动铠装缆进一步带动吊放单元上下运动。
所述吊放单元包括吊放主框架1、铠装缆起吊转接件2、水平推进器3、竖直推进器4、吊放声学定位信标5、视觉定位组件6、吊放控制器9、用于对接仪器单元的吊放对接裙口7、抓紧组件8；所述铠装缆起吊转接件2的顶端与母船27的铠装缆固定连接，所述铠装缆起吊转接件2的底端与吊放主框架1的顶端通过铰链204转动连接；所述抓紧组件8通过螺栓与吊放主框架1的上端固定连接；所述吊放对接裙口7通过螺栓与吊放主框架1下端固定连接；所述水平推进器3通过螺栓与吊放主框架1定连接；所述竖直推进器4通过螺栓与吊放主框架1固定连接；所述吊放声学定位信标5、视觉定位组件6、吊放控制器9均通过螺栓与吊放主框架1固定连接；所述水平推进器3、竖直推进器4、吊放声学定位信标5、视觉定位组件6、抓紧组件8均与吊放控制器9相连接，所述吊放控制器9通过铠装缆与母船27的控制系统相连接。
其中，如图9所示，所述视觉定位组件6包括水下摄像机61和设置在水下摄像机61两侧的探照灯62，所述水下摄像机61和探照灯62通过安装座与吊放主框架1固定连接；所述水下摄像机61和探照灯62均与吊放控制器9相连接。
其中，所述抓紧组件8包括锁紧机构和与所述锁紧机构相连接、驱动所述锁紧机构运动实现锁紧和放松动作的电机；所述电机与吊放控制器9相连接。
所述仪器单元包括仪器安装架16、用于对接吊放单元的顶部对接针10、用于对接原位基座的底部滑动对接件11、传感器组件12、仪器电池组13、仪器控制舱14、用于为原位基座充电的仪器电能传输接口15；所述顶部对接针10通过螺栓与仪器安装架16的上端固定连接；所述底部滑动对接件11通过螺栓与仪器安装架16的下端固定连接；所述传感器组件12通过螺栓与仪器安装架16固定连接；所述仪器电池组13和仪器控制舱14与仪器安装架16固定连接；所述仪器电能传输接口15与底部滑动对接件11的下端固定连接；所述传感器组件12、仪器电池组13、仪器电能传输接口15通过水密接插件与仪器控制舱14相连接。
其中，包括所述传感器组件12地磁日变站和重力仪，所述地磁日变站和重力仪与仪器控制舱14相连接。
所述原位基座包括基座框架25、基座上盖板17、用于对接仪器单元的基座对接裙口18、起吊环19、支撑腿26、液压支撑腿组件20、基座电池组21、基座控制舱22、基座电能传输器23、基座声学定位组件24；所述起吊环19通过螺栓与基座框架25固定连接；所述基座上盖板17通过螺栓与基座框架25固定连接；所述基座对接裙口18通过螺栓与基座框架25固定连接；所述支撑腿26与基座框架25底部的连接法兰固定连接；所述液压支撑腿组件20与基座框架25侧面的连接法兰固定连接；所述基座电池组21通过螺栓与基座框架25固定连接；所述基座控制舱22通过螺栓与基座框架25固定连接；所述基座电能传输器23通过螺栓与基座对接裙口18的下端固定连接；所述基座声学定位组件24通过螺栓与基座框架25固定连接；所述基座电池组21、基座电能传输器23、基座声学定位组件24通过水密接插件与基座控制舱22相连接。
其中，如图10所示，所述液压支撑腿组件20包括液压缸201、支腿202、防沉座203和铰链204；所述液压缸201一端通过法兰与基座框架25转动连接，另一端通过法兰与支腿202转动连接；所述支腿202一端通过法兰与铰链204固定连接，另一端通过法兰与防沉座203固定连接；所述铰链204远离支腿202的一端通过法兰与基座框架25固定连接；所述液压缸201通过水密电缆及水密接插件与基座控制舱22相连接，以实现基座控制舱22控制液压支撑腿组件20伸缩。
其中，如图11所示，所述基座声学定位组件24包括声通讯猫241、声通讯底板242、声通讯压紧盖243、内六角圆柱头螺钉244和声通讯安装板245；所述声通讯底板242与声通讯压紧盖243通过内六角圆柱头螺钉244固定连接，并将声通讯猫241通过上下两个凸台固定在声通讯底板242与声通讯压紧盖243之间；所述声通讯安装板245一面与声通讯底板242固定连接，另一面通过螺栓与基座框架25固定连接；所述声通讯猫241通过水密电缆及水密接插件与基座控制舱22相连接。
本发明深海多功能长期原位观测系统中的传感器组件12、仪器电池组13、仪器控制舱14、仪器电能传输接口15、基座控制舱22、基座电能传输器23以及基座电池组21均采用独立耐压密封结构，所述的耐压是指各组件在深海中能承受的最大压力为30mpa；所述传感器组件12、仪器电池组13、仪器电能传输接口15通过水密电缆及水密接插件与仪器控制舱14相连接，以实现电气连接；所述基座控制舱22、基座电能传输器23以及基座电池组21均采用独立耐压密封结构；所述基座电能传输器23、基座电池组21通过水密电缆及水密接插件与基座控制舱22相连接，以实现电气连接。各组件的独立密封结构能保证深海多功能长期原位观测系统的耐压性能，同时可以提高系统的可靠性。
本发明深海多功能长期原位观测系统的工作过程包括原位基座吊放、仪器单元布放和仪器单元回收三个工作过程，具体工作过程如下。
原位基座吊放过程：母船27将原位基座吊放到海底；当原位基座到达海底后，基座控制舱22控制液压支撑腿组件20由收缩状态变为支撑状态；由基座电池组21提供电能，基座控制舱22控制基座声学定位组件24启动。
仪器单元布放过程：吊放单元的吊放对接裙口7与仪器单元的顶部对接针10对接，吊放单元的抓紧组件8抓紧仪器单元顶部对接针10上端；母船27将对接好的吊放单元与仪器单元吊放入水；利用吊放单元的吊放声学定位信标5和原位基座的基座声学定位组件24进行低精度定位，然后利用吊放单元的水平推进器3和竖直推进器4带动对接好的吊放单元与仪器单元移动到原位基座附近；利用吊放单元的视觉定位组件6进行原位基座的高精度定位，然后利用吊放单元的水平推进器3和竖直推进器4带动对接好的吊放单元与仪器单元移动到原位基座上方；吊放单元与仪器单元向下移动，仪器单元的底部滑动对接件11与原位基座的基座对接裙口18实现对接；仪器单元的仪器电池组13在仪器控制舱14控制下，通过仪器电能传输接口15和基座电能传输器23为基座电池组21充电；吊放单元的抓紧组件8释放，吊放单元上升；
仪器单元回收过程：母船27将吊放单元吊入水中；利用吊放单元的吊放声学定位信标5和原位基座的基座声学定位组件24进行低精度定位，然后利用吊放单元的水平推进器3和竖直推进器4带动吊放单元移动到原位基座附近；利用吊放单元的视觉定位组件6进行原位基座的高精度定位，然后利用吊放单元的水平推进器3和竖直推进器4带动吊放单元移动到原位基座上方；吊放单元向下移动，吊放单元的吊放对接裙口7与仪器单元的顶部对接针10对接，吊放单元的抓紧组件8抓紧仪器单元的顶部对接针10上端；母船27将对接好的吊放单元和仪器单元仪器起吊，仪器单元脱离原位基座。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。