往复式海洋微结构剖面仪的探测方法
【专利摘要】本发明提供了一种往复式海洋微结构剖面仪的探测方法。它解决了海洋湍动能耗散率长期连续剖面观测的问题。本往复式海洋微结构剖面仪的探测方法包括以下步骤：1)、系统启动；2)、检测海洋动力环境信息剖面数据：a、温度检测；b、剪切检测；c、深度检测；d、海流、温盐检测；e、姿态感测；3)、剖面仪升降运作操控：a、上浮控制；b、换向操作；c、下沉控制；4)、休眠状态。本发明无需多次劳费人力，设备可自动沿钢缆实现固定区域的长时间连续性剖面测量；且整个系统通过水动力学优化布局后升降平稳，进而在检测中消除因水流波动而导致的测量误差，得到更高精度的准确海洋微结构剖面观测数据。
【专利说明】往复式海洋微结构剖面仪的探测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于海洋探测设备【技术领域】，涉及一种能够进行全方位海洋探测的仪器，特别是一种往复式海洋微结构剖面仪的探测方法。
【背景技术】
[0002]人类对海洋的认知和探索最早可以追溯到公元前3世纪，之后相继经历了纯商贸、探险航行，融合科学意味的航行，和基于现代科技的纯科学考察三个过程。海洋学是一门以观测为基础的科学，海洋认识的每一次飞跃无不是建立在新的观测方式和测量仪器的问世基础上。回顾海洋观测史，声学多普勒海流计的问世使得人们掌握了全球大尺度的环流结构，温盐深剖面仪的出现使得人们清楚了整个海洋大尺度的水团形成及转换，各种卫星高度计的发射升空使得人们对海洋中的中小尺度过程，如中尺度涡、内波等在空间结构、时间演变等方面有了初步的认识。
[0003]海洋学的研究在大尺度及中尺度过程方面已经取得较大进展，而在微尺度方面的科学研究才刚刚开始。近年来，高频采样的剪切、温度、电导率探头相继研制成功，使得针对海洋微尺度的研究拉开帷幕。目前，海洋微结构的测量方式主要有两种:锚系定点测量和船载垂向剖面测量。锚系定点测量只能对海洋某一固定位置特定深度处进行测量，可以获得较好的时间序列观测，无法获得海洋微结构的垂向结构特征。船载垂向剖面测量依靠调查船完成由海表至某一深度处的海洋微结构测量，但无法获得海洋微结构的时间变异特征，且受海况及现场操作复杂等不利因素限制。对于海洋微结构的研究，时间变异和空间结构是刻画其特点的重要参量，基于此，发展同时获得垂向空间结构及时间变化的海洋微结构观测仪器亟待解决。
[0004]对于海洋微结构的描述或者研究，湍动能耗散率是一个重要的物理量，它表征湍流能量耗散强度。因此，对于它的直接、准确的测量对于研究湍流能量的传递及耗散具有重要意义。近些年，利用高频采样的剪切探头已经能够较准确地测量湍动能耗散率，但是它的应用或者是基于锚系定点测量，或者是船载垂向剖面测量，一直未能实现两者的融合。可见，为了突破海洋微结构观测的此类瓶颈，创新观测方式及平台，实现高频采样的剪切探头在两个平台的有机融合，意义重大。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种在海域内固定穿设钢缆，且采用对称稳定结构，通过剪切探头的直接检测，达到湍动能耗散率的长期连续剖面观测的往复式海洋微结构剖面仪的探测方法。
[0006]本发明的目的可通过下列技术方案来实现:往复式海洋微结构剖面仪的探测方法，所述往复式海洋微结构剖面仪包括第一剖面仪子单元、第二剖面仪子单元及中央立架，两个剖面仪子单元一左一右固定在中央立架上，在中央立架的中轴线上设置有用以供钢缆与中央立架连接的钢缆穿经孔，钢缆通过钢缆穿经孔纵向贯穿于中央立架，中央立架能沿钢缆上、下滑移，在钢缆上设置有用于限制中央立架滑移距离的上限位部与下限位部，第一剖面仪子单元从上至下依次设置有第一浮力驱动部与第一观测部，第一浮力驱动部从上至下依次设置有浮漂舱、驱动舱与耐压舱，在浮漂舱内设置有上方油囊，在耐压舱内设置有下方油囊，在驱动舱内设置有驱动泵组件及电磁阀，驱动泵组件通过出油管路连通上方油囊与下方油囊，电磁阀通过回油管路连通上方油囊与下方油囊，第一观测部电连接有控制器，控制器电连接驱动泵组件及电磁阀；第二剖面仪子单元从上至下依次设置有第二浮力驱动部与第二观测部，第二浮力驱动部从上至下依次设置有浮漂舱、驱动舱与耐压舱，在浮漂舱内设置有上方油囊，在耐压舱内设置有下方油囊，在驱动舱内设置有驱动泵组件及电磁阀，驱动泵组件通过出油管路连通上方油囊与下方油囊，电磁阀通过回油管路连通上方油囊与下方油囊，第二观测部电连接有控制器，控制器电连接驱动泵组件及电磁阀；所述探测方法包括以下步骤:
[0007]I)、系统启动:将上述钢缆预先在海域中定位，并贯穿于往复式海洋微结构剖面仪的中央立架，往复式海洋微结构剖面仪沿钢缆由上至下自主滑入海水深处，第一、第二剖面仪子单元的观测单元开启进行海洋剖面数据检测，与此同时，第一、第二剖面仪子单元中的浮力驱动单元开启，执行机体的升降运作；
[0008]2)、检测海洋动力环境信息剖面数据:
[0009]a、温度检测:在第一剖面仪子单元的第一观测部中，通过温度探头内的普通温度检测模块与快速温度检测模块来实现海洋剖面温度的测量；
[0010]b、剪切检测:在第一剖面仪子单元的第一观测部中，通过剪切探头内的剪切检测模块测量出海流的高频脉动速度，根据高频脉动流速的剪切值直接推算出湍动能耗散率；
[0011]C、深度检测:在第一剖面仪子单元的第一观测部中，通过深度探头内的压力检测模块测量出剖面仪在水中深度，进而求得下放或上升的速度，用于湍动能耗散率的计算；
[0012]d、海流、温盐检测:在第二剖面仪子单元的第二观测部中，通过海流计内的海流感测模块，温盐深仪内的温盐感测模块测量出海流参数和温度、盐度、压力数据；
[0013]e、姿态感测:在第一剖面仪子单元的第一观测部中，通过姿态传感器内的姿态传感模块测量剖面仪的姿态和航向，同时提供经过较核的三维加速度，角速度以及磁场强度数据；
[0014]3)、剖面仪升降运作操控:
[0015]a、上浮控制:控制器中的主控制模块通过串口向浮力驱动控制模块发出指令信号，浮力驱动控制模块控制左右对称的两个剖面仪子单元进行浮力调节，即通过H桥电路控制电机运行，带动高压泵将下方油囊的液压油泵出至上方油囊，实现剖面仪的上浮操作；
[0016]b、换向操作:当各项探测设备到达设定上限位置时，或各项探测设备临近设定上限位置时其检测数据不变，控制器中的主控制模块通过串口通知浮力驱动控制模块，发出由上浮状态转入下沉状态的指令信号；
[0017]C、下沉控制:浮力驱动控制模块控制电磁阀打开，上方油囊中的液压油在液压的作用下自主回流进入下方油囊，实现剖面仪的下沉操作；
[0018]4)、休眠状态:当各项探测设备到达设定下限位置时，或各项探测设备临近设定下限位置时其检测数据不变，控制器中的主控制模块通过串口通知浮力驱动控制模块，发出进入休眠状态的指令信号，以等待下一次开启信号。
[0019]驱动泵组件包括电机与高压泵，其中高压泵串接在出油管路上，电机通过减速器驱动连接高压泵，启动电机后经过减速器对高压泵提供动力源，实现从下方油囊到上方油囊的泵油输出。电磁阀串接在回油管路上，电磁阀具有两条相并联的通路，一条通路上设置单向阀门，单向阀门防止液压油从下方油囊经过回油管路流入上方油囊；另一条通路上设置流量调节阀门，通过调控流量调节阀门的开启程度，以控制回油流量，进一步控制剖面仪的下降速度。
[0020]本往复式海洋微结构剖面仪的探测方法中，预先在海域中定位穿设钢缆，由此免除多次乘船至海面投放，而且通过沿钢缆往复式的多次操作实现固定海域的剖面检测，达到在减省人力的同时，进行长期稳定连续的海洋剖面自动观测。另一方面，利用剪切探头测量脉动流速直接得到湍动能耗散率，进而实现湍动能耗散率的长期连续剖面观测。
[0021]在上述的往复式海洋微结构剖面仪的探测方法中，所述剪切探头测量出的脉动流速的高频梯度信号，基于湍流的各向同性假设，在耗散子域内，利用观测的高频脉动流速剪
【权利要求】
1.往复式海洋微结构剖面仪的探测方法，所述往复式海洋微结构剖面仪包括第一剖面仪子单元、第二剖面仪子单元及中央立架，两个剖面仪子单元一左一右固定在中央立架上，在中央立架的中轴线上设置有用以供钢缆与中央立架连接的钢缆穿经孔，钢缆通过钢缆穿经孔纵向贯穿于中央立架，中央立架能沿钢缆上、下滑移，在钢缆上设置有用于限制中央立架滑移距离的上限位部与下限位部，第一剖面仪子单元从上至下依次设置有第一浮力驱动部与第一观测部，第一浮力驱动部从上至下依次设置有浮漂舱、驱动舱与耐压舱，在浮漂舱内设置有上方油囊，在耐压舱内设置有下方油囊，在驱动舱内设置有驱动泵组件及电磁阀，驱动泵组件通过出油管路连通上方油囊与下方油囊，电磁阀通过回油管路连通上方油囊与下方油囊，第一观测部电连接有控制器，控制器电连接驱动泵组件及电磁阀；第二剖面仪子单元从上至下依次设置有第二浮力驱动部与第二观测部，第二浮力驱动部从上至下依次设置有浮漂舱、驱动舱与耐压舱，在浮漂舱内设置有上方油囊，在耐压舱内设置有下方油囊，在驱动舱内设置有驱动泵组件及电磁阀，驱动泵组件通过出油管路连通上方油囊与下方油囊，电磁阀通过回油管路连通上方油囊与下方油囊，第二观测部电连接有控制器，控制器电连接驱动泵组件及电磁阀；其特征在于，所述探测方法包括以下步骤: 1)、系统启动:将上述钢缆预先在海域中定位，并贯穿于往复式海洋微结构剖面仪的中央立架，往复式海洋微结构剖面仪沿钢缆由上至下自主滑入海水深处，第一、第二剖面仪子单元的观测单元开启进行海洋剖面数据检测，与此同时，第一、第二剖面仪子单元中的浮力驱动单元开启，执行机体的升降运作； 2)、检测海洋动力环境信息剖面数据: a、温度检测:在第一剖面仪子单元的第一观测部中，通过温度探头内的普通温度检测模块与快速温度检测模块来实现海洋剖面温度的测量； b、剪切检测:在第一剖面仪子单元的第一观测部中，通过剪切探头内的剪切检测模块测量出海流的高频脉动速度，根据高频脉动流速的剪切值直接推算出湍动能耗散率； C、深度检测:在第一剖面仪子单元的第一观测部中，通过深度探头内的压力检测模块测量出剖面仪在水中深度，进而求得下放或上升的速度，用于湍动能耗散率的计算； d、海流、温盐检测:在第二剖面仪子单元的第二观测部中，通过海流计内的海流感测模块，温盐深仪内的温盐感测模块测量出海流参数和温度、盐度、压力数据； e、姿态感测:在第一剖面仪子单元的第一观测部中，通过姿态传感器内的姿态传感模块测量剖面仪的姿态和航向，同时提供经过较核的三维加速度，角速度以及磁场强度数据； 3)、剖面仪升降运作操控: a、上浮控制:控制器中的主控制模块通过串口向浮力驱动控制模块发出指令信号，浮力驱动控制模块控制左右对称的两个剖面仪子单元进行浮力调节，即通过H桥电路控制电机运行，带动高压泵将下方油囊的液压油泵出至上方油囊，实现剖面仪的上浮操作； b、换向操作:当各项探测设备到达设定上限位置时，或各项探测设备临近设定上限位置时其检测数据不变，控制器中的主控制模块通过串口通知浮力驱动控制模块，发出由上浮状态转入下沉状态的指令信号； C 、下沉控制:浮力驱动控制模块控制电磁阀打开，上方油囊中的液压油在液压的作用下自主回流进入下方油囊，实现剖面仪的下沉操作；4)、休眠状态:当各项探测设备到达设定下限位置时，或各项探测设备临近设定下限位置时其检测数据不变，控制器中的主控制模块通过串口通知浮力驱动控制模块，发出进入休眠状态的指令信号，以等待下一次开启信号。
2.根据权利要求1所述的往复式海洋微结构剖面仪的探测方法，其特征在于，所述剪切探头测量出的脉动流速的高频梯度信号，基于湍流的各向同性假设，在耗散子域内，利用观测的高频脉动流速剪切#可依据下式推算出湍动能耗散率ε:
3.根据权利要求2所述的往复式海洋微结构剖面仪的探测方法，其特征在于，所述剪切探头直接测量的是垂直于剪切探头轴线方向的脉动流速U随时间的变化du/dt，通过泰勒冻结定理假设，可得到脉动流速u的垂向剪切
4.根据权利要求1所述的往复式海洋微结构剖面仪的探测方法，其特征在于，所述各项探测设备将探测信息传递至控制器，所述控制器进一步整理分析探测信息，完成各项海洋微结构的剖面测量，并进一步绘制出各项探测信息的分析记录图表。
5.根据权利要求4所述的往复式海洋微结构剖面仪的探测方法，其特征在于，所述控制器根据分析整理后的各项探测信息数据，同步由主控制模块向浮力驱动控制模块发出驱动指令，所述浮力驱动控制模块根据驱动指令操控电机与电磁阀动作。
6.根据权利要求1所述的往复式海洋微结构剖面仪的探测方法，其特征在于，所述主控制模块向浮力驱动控制模块发出上浮操作指令信号，同步控制电机的运行速率以控制出油流量，进一步控制剖面仪的上浮速度。
7.根据权利要求1所述的往复式海洋微结构剖面仪的探测方法，其特征在于，所述电磁阀具有两条相并联的通路，一条通路上设置单向阀门，防止液压油从下方油囊经过回油管路流入上方油囊；另一条通路上设置流量调节阀门，在下沉回油的过程中调节开启程度以控制回油流量，进一步控制剖面仪的下沉速度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的往复式海洋微结构剖面仪的探测方法，其特征在于，所述剖面仪下沉至下极限位置时，进行弹性缓冲撞击而停止运动，而后根据指令信号进入休眠状态。
【文档编号】G01C13/00GK104034317SQ201410252601
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】田纪伟, 赵玮, 宋大雷, 杨庆轩, 徐铭 申请人:中国海洋大学