本发明属于区域性海洋观测领域，具体地说是一种用于特定海域进行长期、定点、实时、立体监测的自治式水温垂直剖面定点自动连续观测系统。
背景技术：
海洋环境监测和资源调查中，经常需要对特定海域海洋动力环境进行长期、定点、实时、立体监测，即进行海洋水体中不同参数(如温度、盐度、流速和光学特性量)的定点垂直升降剖面测量，希望可以在恶劣环境下实现无人值守的全天候长期、连续、定点观测，以简约的方式实现海洋环境参数自动化的立体监测，从而更好的为海洋学研究、海洋油气勘探开发和海洋军事活动等服务。同时，海洋环境监测监控系统建设也是建设海洋牧场的重要内容，目前我国大部分的海洋环境监测技术仍然依靠船舶观测和台站观测技术周期性的采集海洋表层或有限的一些水层的要素数据,对于海洋次表层以及深层水下的资料十分稀缺。随着人们对海洋科学认知需求的提升,仅仅依靠表层或有限水层的要素数据,难以对我国广阔海域的物理、生物、化学环境等多方面状况进行深入了解,无法满足全方位的立体监测要求,不能适应我国海洋经济发展的需要。
海水温度是海洋水文状况中最重要的因子之一，常作为研究水团性质，描述水团运动的基本指标。对于特定海域，尤其是水层薄、温度变化快的浅海区域，实时、连续地监测海水温度的时空分布及变化规律，对海洋牧场的正常运行具有重要意义。国内外用于海水温度剖面测量的主要设备是ctd(conductivity-temperature-depth)海洋观测仪，如加拿大的g.s.gable&associates.ltd生产的os100ctd数据探测系统和挪威的aanderaa温度剖面记录器等，这些设备均为自容式，通常在固定站位或船只拖拽情况下吊放在不同深度逐点巡测海水温度，不能实时或长时间同步观测温度剖面的变化。
技术实现要素：
为了满足如何有效进行海水温度立体自动观测的要求，本发明的目的在于提供一种自治式水温垂直剖面定点自动连续观测系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括海上观测装置及陆基支撑站，其中海上观测装置包括海表面浮标、水下电转环、承重通信缆、温度探头、张紧锤、声学释放器、锚链、重力锚及抓力锚，该海表面浮标漂浮于海面上，内部设有数据采集器及通讯模块，所述承重通信缆的外套内具有钢丝绳及通信缆，所述水下电转环的下端设有与钢丝绳上端连接的下环眼及与通信缆连接的进缆，该水下电转环的上端设有与所述海表面浮标下端连接的上环眼及与所述数据采集器连接的出缆；所述承重通信缆的下端依次连接有张紧锤、声学释放器、锚链、重力锚及抓力锚，在该承重通信缆上由上至下密封集成有多个进行水体垂直剖面温度同步定位采样的温度探头，所述锚链的上部悬于海底上方、下部拖在海底上，所述数据采集器对各温度探头的数据进行采集，并通过所述通讯模块实时回传至陆基支撑站，由所述陆基支撑站进行数据的接收、显示和存储；
其中：所述海表面浮标包括筒体a及密封连接于该筒体a顶部的密封舱盖，该密封舱盖上安装有中心管，并在该中心管外围设有进线密封座，支架的下端固定在所述中心管上，上端安装有太阳能电池板，该太阳能电池板上设有通讯天线；所述支架内的中心管上安装有锚灯，并在该锚灯的周围设有安装在所述中心管上的雷达反射板；所述数据采集器及通讯模块分别容置于筒体a内，并分别与位于筒体a内的蓄电池相连；所述通讯天线通过进线密封座与通讯模块连接，所述太阳能电池板、锚灯分别通过进线密封座与蓄电池连接；所述筒体a底部设有与上环眼相连的锚眼；
所述承重通信缆包括截面呈数字“8”形的外套及设置于该“8”字的两个圈内的钢丝绳和通信缆，该钢丝绳和通信缆与外套整体硫化成型；
各所述温度探头分别通过硫化模具硫化在承重通信缆上，该硫化模具包括模具本体，所述模具本体长度方向的两端均开设有缆线夹，所述承重通信缆由模具本体穿过，并通过两端的所述缆线夹夹住，在该模具本体的内部设有容置温度探头的温度探头槽；所述模具本体上开设有向模具本体内注胶的注胶口；
所述张紧锤由中心有孔的圆柱形或圆台形重物块套在中轴杆上构成，该重物块包括上下对称的两个圆台状小铅块、两个圆台状大铅块、两个圆柱状铅块，所述圆台状小铅块、圆台状大铅块及圆柱状铅块依次套在张紧锤的中轴杆上，该中轴杆的下部设有圆盘形托板，所述圆盘形托板将套在中轴杆上的重物块托住，该重物块串在所述中轴杆上组成张紧锤；
所述张紧锤呈流线型，悬在所述承重通信缆的下端。
本发明的优点与积极效果为：
1.系统长期连续自动工作：本发明的海表面浮标具有随波性能好的浮体流体外形；承重通信缆的刚性和韧性恰到好处，有较好的抗腐蚀性能和一定的抗拉伸能力；张紧锤可以使承重通信缆在水中尽可能的处于可上下振动性绷直状态；这样，本发明中的海表面浮标随波浪同步上下起伏，锚链可以保证整个自治式水温垂直剖面定点自动连续观测系统在涨潮、退潮的极限水深情况下仍旧使海表面浮标位于海表面；重物锚块可以起到使整个系统定位的功能；这样能使系统持续供电，并保证数据实时通讯，达到长期连续自动工作的效果。
2.系统防扭转与水上水下的有效通信：本发明的海表面浮体受海流和海浪的作用，会发生旋转，本发明在海表面浮标和承重通信缆之间连接了水下电转环，既能卸载海表面浮标产生的扭力，又能进行上下通信。
3.系统测量的垂直性：本发明在承重通信缆下端吊加张紧锤，保证了承重通信缆水中的垂直性，也就保证了各个温度探头可以就位于设计的位置。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明海表面浮标的结构示意图；
图3为本发明水下电转环的外部结构示意图；
图4为本发明承重通信缆的横截面图；
图5为本发明硫化模具的结构剖视图；
图6为本发明张紧锤的结构剖视图；
其中：1为海表面浮标，2为水下电转环，3为承重通信缆，4为温度探头，5为张紧锤，6为声学释放器，7为锚链，8为重力锚，9为抓力锚，10为陆基支撑站；
101为通讯天线，102为太阳能电池板，103为锚灯，104为雷达反射板，105为密封舱盖，106为进线密封座，107为筒体a，108为数据采集器，109为通讯模块，1010为蓄电池，1011为锚眼，1012为中心管，1013为支架；
201为下环眼，202为进缆，203为上环眼，204为出缆；
301为钢丝绳，302为通信缆，303为外套；
401为注胶口，402为缆线夹，403为温度探头槽，404为模具本体；
501为张紧锤中轴杆，502为圆台状小铅块，503为圆台状大铅块，504为圆柱状铅块，505为圆盘形托板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1及图3所示，本发明包括海上观测装置及陆基支撑站10，其中海上观测装置包括海表面浮标1、水下电转环2、承重通信缆3、温度探头4、张紧锤5、声学释放器6、锚链7、重力锚8及抓力锚9，该海表面浮标1漂浮于海面上，内部设有数据采集器108及通讯模块109，承重通信缆3的外套303内具有钢丝绳301及通信缆302，水下电转环2的下端设有与钢丝绳301上端连接的下环眼201及与通信缆302连接的进缆202，该水下电转环2的上端设有与海表面浮标1下端锚眼1011连接的上环眼203及与数据采集器108连接的出缆204。承重通信缆3的下端依次连接有张紧锤5、声学释放器6、锚链7、重力锚8及抓力锚9，在承重通信缆3上由上至下密封集成有多个进行水体垂直剖面温度同步定位采样的温度探头4，数据采集器108对各温度探头4的数据进行采集，并通过通讯模块109实时回传至陆基支撑站10，由陆基支撑站10进行数据的接收、显示和存储。
如图2所示，海表面浮标1包括筒体a107及密封连接于该筒体a107顶部的密封舱盖105，该密封舱盖105上安装有中心管1012，并在中心管1012外围设有进线密封座106。支架1013的下端固定在中心管1012上，上端安装有太阳能电池板102，该太阳能电池板102上设有通讯天线101。太阳能电池板102吸收太阳能对蓄电池1010充电，为通讯天线101、锚灯103、数据采集器108、通讯模块109供电。支架1013内的中心管1012顶部安装有锚灯103，并在该锚灯103的周围设有焊接在中心管1012上的雷达反射板104；锚灯103可以在夜间使过往船只等海上交通工具注意到海表面浮标1的存在，从而避免整个观测系统被过往船只撞坏。支架1013既可用于安装太阳能电池板102，又可利用支架1013上的四根立柱对内部的锚灯进行保护，防止锚灯被撞击。数据采集器108及通讯模块109分别容置于筒体a107内，并分别与位于筒体a107内的蓄电池1010相连；通讯天线101通过进线密封座106与通讯模块109连接，太阳能电池板102、锚灯104分别通过进线密封座106与蓄电池101连接。筒体a107底部设有与上环眼203相连的锚眼1011。海表面浮标1的筒体a107可为纺锤流线型(即图2中的形状)或为球形(即图1中的形状)，既保证了观测系统的稳定性，又增强了浮体的随波性能。本发明的海表面浮标1要满足耐海水腐蚀、抗倾覆、稳定性和随波性好等要求，尤其是筒体a107随波浪上下起伏性能要好，使其运动状态与海表面波浪起伏运动尽可能同步；同时，海表面浮标1的筒体a107采用加内、外加强筋结构，增加了抗拉伸性能，确保筒体a107不变形。
本发明的水下电转环2为市购产品，购置于青岛鑫超玮机械有限公司，型号为dzh—01；如图3所示，该水下电转环2具有下环眼201、进缆202、上环眼203和出缆204，它能够旋转卸载海流冲击产生的扭力，同时能够在扭转的情况下进行信号传输。
如图4所示，承重通信缆3包括截面呈数字“8”形的外套303及设置于该“8”字的两个圈内的钢丝绳301和通信缆302，钢丝绳301和通信缆302与外套303整体硫化成型。本发明的钢丝绳301为不锈钢钢丝绳，外套303的材质为聚氨酯。本发明的承重通信3缆是注塑钢缆，内芯为不锈钢的钢丝绳301和通信缆302，外面进行注塑封装处理，其刚性和韧性要恰到好处，且具有抗拉伸性能，同时又具有防腐蚀能力，并且承重通信缆3浸入海水里的表面摩擦系数也能满足观测系统的要求。
如图5所示，各温度探头4分别通过硫化模具硫化在承重通信缆3上，该硫化模具包括模具本体404，模具本体404长度方向的两端均开设有缆线夹402，缆线夹402的截面也呈数字“8”的形状，承重通信缆3由模具本体404穿过，并通过两端的缆线夹402夹住；模具本体404为内部中空结构，在模具本体404的内部设有容置温度探头4的温度探头槽403。模具本体404上开设有向模具本体404内注胶的注胶口401。
如图6所示，张紧锤5是一个流线型的悬在承重通信缆3下端的重物块，起到绷直承重通信缆3的作用；为了便于搬运和投放，张紧锤5由中心有孔的圆柱形或圆台形铅砖套在中轴杆501上构成，可以有效地使承重通信缆3处于可上下振动的悬直状态；具体为：将整个张紧锤重物块分解成上下对称的两个圆台状小铅块502、两个圆台状大铅块503、两个圆柱状铅块504，把它们依次套在张紧锤5的中轴杆501上，中轴杆501下部焊接有圆盘形托板505，该圆盘形托板505将套在中轴杆505上的各重物块托住，各重物块串在中轴杆505上恰好组成一流线型的张紧锤5。
如图1所示，本发明的陆基支撑站10为现有技术，包括数据接收天线1001、显示器1002及工控机1003，工控机1003上安装有数据接收软件，工控机1003与数据接收天线1001和显示器1002相连，数据接收天线1001接收数据采集器108发出的数据，显示器1002用于显示接收的数据。
本发明的工作原理为：
通过计算和设计，合理控制海表面浮标1的正浮力，使海表面浮标1有一半体积露于水面；通过事先测定锚定区域海水的深度，确定承重通信缆3的长度，保证在正常海况下，能使悬挂在承重通信缆3下面的张紧锤5离海底有10米的距离，使锚链7处于半悬状态(即锚链7一少半悬于海底上方2～3米，一多半拖在海底上)，根据需要选择重力锚8的重量，既便于投放，又确保定位。漂浮着的海表面浮标1对承重通信缆3有向上的拉力，而连于承重通信缆3下端的张紧锤5和部分锚链7对其有向下的拉力，根据需要选择海表面浮标1的尺寸以及张紧锤5和锚链7的重量，就可以使承重通信缆3在水中处于悬直状态。当海浪起伏时，海表面浮标1就跟随着起伏运动，这样，海表面浮标1始终处于海表面。当涨潮或退潮时，锚定地点的海水深度起伏较大。比如涨潮时，海平面会上升几米，若整个锚定缆系在未涨潮时恰好从海面到海底处于悬直状态，则一涨潮就会将海表面浮标1淹没到水下，那么此时海表面浮标1就无法随着波浪起伏，整个自治式水温垂直剖面定点自动连续观测系统也就不能进行太阳能充电和实时通信，若在承重通信缆3下端的张紧锤5至重力锚8之间连上一条20～30米长的钢质锚链7，那么涨潮时，锚链7会被拉直，使海表面浮标1继续漂浮在海表面；当退潮时，锚链7的绝大部分接触着海底，这时承重通信缆3靠张紧锤5的作用，仍然处于比较悬直的状态。可以看出，锚链7起到了在需要的时候间接增长或缩短承重通信缆3的长度的目的。
本发明通过合理设计海表面浮标1的尺寸和质量惯性距，使海表面浮标1的自摇周期与海上常遇波周期(一般认为4～8s)相接近而发生共振，从而使海表面浮标1产生较大幅度的上下振动。张紧锤5的引入，可以使承重通信缆3在水中尽可能的处于可上下振动性绷直状态，便于温度探头处于设计的深度。增加了锚链7，可以在涨潮、退潮时以及较大风浪的极限水深情况下，使海表面浮标1仍然处于漂浮在海面上的状态，有效地进行蓄电池太阳能充电和数据通信，整个自治式水温垂直剖面定点自动连续观测系统仍旧可以传递海表面波浪势能。根据需要选择重力锚8可以达到使整个观测系统达到定位的功能。