一种实现海洋数据区域监测的高精度潜标阵系统的制作方法

本发明涉及海洋观测设备技术领域，尤其涉及一种实现海洋数据区域监测的高精度潜标阵系统。

背景技术：

潜标技术是六十年代由一些海洋发达国家开始使用并发展起来的；系泊在海面以下的长期观测海洋环境要素的系统，声学释放器，可从海面按指令回收。浮标、潜标系统是海洋环境调查的重要技术装备，具有在恶劣的海洋环境条件下，无人值守的长期、连续、同步、自动地对海洋水文、气象诸要素进行全面综合监测的特点，是海洋观测岸站、调查船和调查飞机在空间上和时间上的延伸扩展，是离岸监测的重要手段。具有其他调查方法无法代替的作用。潜标系泊于海面以下，工作一段时间后，通过释放装置回收，具有获取海洋水下环境剖面资料的能力，并具有隐蔽性好不易被破坏的优点，得到了广泛的应用。潜标中的深海传感器收集的水速、温度和盐度能帮助中国潜艇避开有害的紊流和跃层。浮标、潜标系统的重要性越来越受到世界各海洋国家的重视。

海洋潜标系统一般由水下部分和水上机组成，水下部分一般由主浮体、探测仪器、浮子、锚系系统、释放器等组成。通常，主浮体布放在海面下100米左右或更大深度的水层中，因而避免海表面的扰动；锚系系统将整个系统固定在海底某一选定的测点上。在主浮体与锚之间的系留绳索上，根据不同的需要，挂放多层自动观测仪器和浮子，在系留索与锚的连接处安放释放器。海洋潜标系统由工作船布放，观测仪器在水下进行长周期的自动观测并将观测数据储存，达到预定的时间后，仍由工作船到达原设站位，由水上机发出指令，释放器接受指令释放锚块之后，系统上浮回收。用海洋潜标系统能获取水下不同层面上的长期连续的海流、温度、盐度、深度等海洋水文资料，并具有隐蔽、稳定和机动性好等特点，具有其他观测设备不可替代的功效，在海洋环境观测中具有十分重要的作用。

CN1731220A公开了一种深海集成潜标测量系统。它由锚定重块、ADP、电源、CADP、上浮箱体、潜球、上缆绳、仪器框架、释放器、下缆绳组成，其中ADP、电源和CADP分别置放固定在仪器框架的下、中、上部，CADP的测量探头向上安装在仪器框架的上部；ADP的测量探头向下安装在仪器框架的下部，通过上缆绳将仪器框架与上浮箱体相连在一起，潜球置放在上浮箱体中，仪器框架下方设与锚定重块相连的释放器。本发明是能监测深达200多米的、高性价比的深海潜标测量系统，系统既能准确可靠地监测水面、浅层的波高、波向、波周期，又能监测在所深度的整个三维分层剖面流速、流向等水文参数，还能有效地防止流网破坏。上述专利有效确保了数据准确、安全性高的问题，并且投放与回收更加容易、方便。但是对于数据的获取方面，只能每年一次通过人工回收硬盘的方式收集潜标数据，因为数据难以穿透水层与陆地取得无线电联系。海洋实时观测数据长期依靠卫星遥感和浮标。用于观测水下和深海数据的潜标只能每年回收一次，从中获取数据，无法像卫星遥感和浮标那样获得实时数据，这是因为潜标最上面一个浮体距离海平面还有四五百米，这些数据无法穿透海水传输到卫星上。也就是说，上述的潜标无法实现实时传输获取数据。

随着海洋监测技术的持续发展，如何能够实现观测数据的实时传输，是海洋监测领域研发人员亟待解决的问题。CN 102167136 A公开了一种海洋升降潜标系统，在该系统中，浮标通过通信系留缆连接水下绞车；浮标与水下绞车之间的通信系留缆上靠近浮标的部分等间距设置多个剖面测量仪器；水下绞车固定在主浮体上；目标探测系统和ADCP均设置在主浮体上；锚泊系留机构包括采用锚链串接的玻璃浮球、应答释放器和压载锚。控制中心控制浮标系统定时浮出海面和潜入海中；目标探测系统探测活动目标，当判定有活动目标进入预设范围时，控制中心控制浮标系统潜入海中。浮标在浮出海面时，将所接收的各种数据传输给地面岸站。使用本发明既可以实现海洋观测数据的实时传输，又避免了风浪和其他因素对浮标寿命的影响。上述专利虽然能够实现数据的短时间实时传输，但是这种潜标系统只能探测300 的深度，并且“1-北斗卫星终端，2-CTD，3～6-剖面测量仪器”等距离海面较近，极易被过往船舶破坏并导致潜标水下观测单元受到影响，存在很大弊端。

近年来，随着高新技术的发展和海洋环境探测的需要，潜标技术向着综合化、智能化方向发展。数据传输(借助水面浮标)由单一的储存读取方式向卫星传输，无线电通讯和储存读取多种方式发展，增加了数据的可靠性和实时性。潜标系统可搭载ADCP、海流计、温度链等海洋测量设备，进行0～200m海流剖面测量和1000m盐温深流测量。最大使用海域水深 4000m，水下服役期210天，测量数据的存储能力大于210天。在水面上放置一个数据实时传输的浮体，它与潜标通过无线和有线两种方式连接。潜标将数据传输给浮体，浮体发射到卫星上，卫星再反馈回陆地实验室。”

综上所述，结合现有的潜标系统以及目前最新技术不难看出，对于潜标实时传输技术已经完善，中国的海洋监测技术发展得到了辉煌的成绩，我国成功攻克“潜标数据长时间实时传输”世界海洋观测难题！首次实现深海数据长周期稳定实时传输并共享应用！发布“西太平洋深海潜标数据系统”填补了国内空白。改变了传统潜标观测每年只能采集一次的问题，对深海数据的查看模式从“录像回访”变成了“现场直播”。“潜标数据的实时传输将为海洋环境和全球气候研究提供重要技术支撑，实时传输回的数据将提高海洋气候和环境预报的精度。”破解了深海潜标观测数据实时传输的世界性难题。但是，对于潜标领域仍存在两个问题：1、现在深海海洋监测领域通过潜标探测不同水深的仪器基本是固定的，也就是说，ADCP 与TD一般设置在水深300～500米左右，CTD与RCM一般设置在水深800～1000米左右，并且在水面下50～100米左右安装感应耦合温盐链，用来监测各段水深的海水温度、盐度、环流、回声强度等海洋环境参数的剖面测量，由此可知，上述监测设备在布放完成后只能针对具体深度的海水信息进行数据的收集，目前潜标由于总长度上千米甚至几千米，一旦布放完成就不能任意调节。因此获取的数据有限，不能实现不同水深的海洋数据采集，并且，由于系统布放于水下，而且集成了多台珍贵的测量仪器，因此能否可靠地回收便成为潜标系统布放时所需考虑的首要问题。传统的方法采用潜标定位，能够保障潜标系统顺利回收，但是由于海底环境复杂恶劣，不确定因素较多，在定位后收回的过程中，安装在缆绳上的多个浮球将潜标的整条监测链浮起，一旦出现缠绕，不但打捞回收工作的难度加大，而且极易损坏缆绳上的测量仪器。目前采用声学应答释放器来实现对潜标的回收，但是释放器以下连接的锚链、重力锚、抓力锚等部件无法回收，造成浪费。2、目前的潜标系统只能对面积较小的海域进行剖面数据采集，这样一来获得的参数只能用来评价该片小面积海域的海洋状况，如何能够对大片海域进行同步数据监测采集，现在是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种在确保实现深海数据实时传输并确保实时传输的精确性的同时，能对一片海域的整体海洋数据进行同步采集，实现不同深度的海洋环境参数的剖面测量，并且在回收时能有效保护搭载的测量仪器的实现海洋数据区域监测的高精度潜标阵系统。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种实现海洋数据区域监测的高精度潜标阵系统，包括一主潜标及布放于该主潜标周围形成待监测区域的多个副潜标，一与主潜标通过有线或无线连接的用于实时接收水下主潜标接收的剖面测量数据并将该数据上传至双向通讯卫星的水面浮标系统，双向通讯卫星将获取的实时测量数据反馈回陆地实验室，主潜标包括用于向各副潜标同时发送启动信号进行探测工作的同步信号发送单元，以及接收各副潜标回传的监测数据的接收单元，一用于存储各副潜标的剖面测量数据并将该数据发送至水面浮标系统的数据存储单元及数据实时传输单元，在各副潜标上均设置有向主潜标发送实时监测数据的数据发送单元；所述主潜标及副潜标还包括：

一竖向布置的包塑钢缆，在包塑钢缆的顶端设有用于提供浮力的子浮体，底端设有用于回收该系统的锚泊系留与释放单元；

一设于子浮体下方的包塑钢缆上的用于搭载浅水测量仪器的主浮体；

一设于主浮体与释放单元之间的多个用于向包塑钢缆提供平衡力的玻璃浮球，

还包括一设于主浮体与释放单元之间用于搭载深水测量仪器的架体，在架体上设置有一用于驱动各深水测量仪器沿包塑钢缆上下移动测量不同水深处剖面测量数据的升降调节机构，所述升降调节机构包括一与架体连接的壳体，在壳体内横向设置一允许包塑钢缆缠绕的辊轴，壳体上部及下部分别开设有允许上端包塑钢缆及下端包塑钢缆进入及伸出的开孔，以及一驱动所述辊轴转动向上移动回收上端包塑钢缆并释放下端包塑钢缆或向下移动释放上端包塑钢缆并回收下端包塑钢缆的伺服电机，在伺服电机上设置有用于接收信号的编码器，以及控制器，所述控制器通过预先设定的行程上限及下限发送信号至编码器，编码器接收信号后驱动伺服电机沿包塑钢缆上行或下行，到达行程上限或行程下限时控制器发送驱动伺服电机停止并返回的信号至编码器，编码器驱动伺服电机反转并回到上行或下行起始点。

上述的实现海洋数据区域监测的高精度潜标阵系统，所述包塑钢缆经壳体上部、下部的开孔进入壳体在辊轴上的缠绕方向为顺时针或逆时针。

上述的实现海洋数据区域监测的高精度潜标阵系统，所述升降调节机构上方及下方均设置有分别与上端包塑钢缆及下端包塑钢缆连接的当伺服电机移动时减小壳体及架体重量的升降调节辅助部件。

上述的实现海洋数据区域监测的高精度潜标阵系统，所述升降调节辅助部件包括一具有内腔的球形壳体，在内腔中设有一与球形壳体的内壁相连的弹性密封膜，所述弹性密封膜将球形壳体的内腔分为进液腔及空气腔，在球形壳体上开设有允许海水进入进液腔内的水孔，以及允许上端包塑钢缆或下端包塑钢缆进入进液腔内的连接孔，在进液腔内的弹性密封膜表面设置有用于连接当壳体及架体上行时牵拉弹性密封膜，将进液腔内的海水排出的上端包塑钢缆的或当壳体及架体下行时牵拉弹性密封膜，将进液腔内的海水排出的下端包塑钢缆的柔性粘接片，所述上端包塑钢缆或下端包塑钢缆经连接孔与柔性粘接片固定。

上述的实现海洋数据区域监测的高精度潜标阵系统，所述弹性密封膜采用高强度橡胶材料制成，弹性密封膜的外径与球形壳体的内壁直径一致。

上述的实现海洋数据区域监测的高精度潜标阵系统，所述球形壳体的内壁均匀设置有一层当进液腔内的海水排出时，用于增强弹性密封膜与球形壳体内壁贴合度的橡胶层。

上述的实现海洋数据区域监测的高精度潜标阵系统，其特征是：所述升降调节机构下方的升降调节辅助部件与锚泊系留之间连接有一当释放单元收到信号指令打开回收潜标系统时，辅助牵拉锚泊系留的预紧绳索。

上述的实现海洋数据区域监测的高精度潜标阵系统，所述锚泊系留包括与包塑钢缆底端相连的锚链，锚链末端通过卸扣连接一重力锚，在卸扣上连接有一末端具有抓力锚的锚索，所述释放单元包括一连接于锚链与包塑钢缆之间的声学应答释放器，锚链顶端通过连接扣与声学应答释放器相连，所述预紧绳索分别设于球形壳体与声学应答释放器的两侧，在球形壳体的两侧分别横向设置牵拉横杆，两侧的预紧绳索顶部分别与两侧牵拉横杆固定，底部分别与连接重力锚的卸扣固定。

上述的实现海洋数据区域监测的高精度潜标阵系统，水面浮标系统包括水面浮标体、卫星通讯终端、系留兼通讯缆、卫星通讯模块、浮标电源，其中浮标电源、卫星通讯模块、卫星通讯终端安装于水面浮标体内。

上述的实现海洋数据区域监测的高精度潜标阵系统，所述子浮体下方的包塑钢缆上安装有由依次排列的多个温盐传感器组成的温盐链，所述主浮体搭载两台声学多普勒流速剖面仪、温深仪以及温度仪，搭载于所述架体上的深水测量仪器包括海流计、温盐深仪。

本发明实现海洋数据区域监测的高精度潜标阵系统的优点是：不但实现了水下监测数据实时传输的目的，能对一片海域的整体海洋数据进行同步采集，相对传统的局部海洋剖面数据能够更加准确的评价该片海域水体的状况。而且通过设置的搭载深水测量仪器的架体，利用升降调节机构能够实现水下预定深度距离段的连续数据监测，填补了目前无法针对不同水深中各项温盐深水下剖面信息的连续采集，而且采用控制器自动控制，结构合理，并且运行平稳，通过设置的升降调节辅助部件，使得架体在沿包塑钢缆上行或下行的过程中阻力更加小，运行更加平稳，在潜标系统回收阶段，利用升降调节辅助部件增加浮力的作用，能够将释放单元释放后留在海底的锚泊系留平稳的升起一并回收，解决了传统潜标系统设备能回收，但是锚泊系留无法回收的问题，而且锚泊系留在预紧绳索的涨紧牵拉作用下上升时，能够对整条包塑钢缆起到一个向下的稳定性，使得包塑钢缆在绷紧的状态下缓缓上浮，避免了传统的上升回收过程中设备碰撞缠绕造成损坏的问题。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图

图2为主潜标的结构放大示意图；

图3为升降调节机构的局部结构放大图；

图4为升降调节辅助部件的结构放大图；

图5为升降调节辅助部件在水下的使用状态图；

图6为升降调节机构上行过程的结构放大图；

图7为升降调节机构下行过程的结构放大图；

图8为升降调节机构上行过程升降调节辅助部件的放大状态图；

图9为潜标系统回收时升降调节辅助部件与预紧绳索相连的工作状态图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；

如图1-9所示，一种实现海洋数据区域监测的高精度潜标阵系统，包括一主潜标43及布放于该主潜标43周围形成待监测区域44的多个副潜标45，一与主潜标43通过有线或无线连接的用于实时接收水下主潜标43接收的剖面测量数据并将该数据上传至双向通讯卫星1的水面浮标系统2，双向通讯卫星1将获取的实时测量数据反馈回陆地实验室3，水面浮标系统 2包括水面浮标体、卫星通讯终端、系留兼通讯缆、卫星通讯模块、浮标电源，其中浮标电源、卫星通讯模块、卫星通讯终端安装于水面浮标体内。主潜标43包括用于向各副潜标45 同时发送启动信号进行探测工作的同步信号发送单元，以及接收各副潜标45回传的监测数据的接收单元，一用于存储各副潜标45的剖面测量数据并将该数据发送至水面浮标系统2的数据存储单元及数据实时传输单元，在各副潜标45上均设置有向主潜标43发送实时监测数据的数据发送单元；所述主潜标43及副潜标45还包括一竖向布置的包塑钢缆4，在包塑钢缆4 的顶端设有用于提供浮力的子浮体5，所述子浮体5下方的包塑钢缆4上安装有由依次排列的多个温盐传感器组成的温盐链6，包塑钢缆4的底端设有用于回收该系统的锚泊系留7与释放单元8；锚泊系留7包括与包塑钢缆4的底端相连的锚链9，锚链9的末端通过卸扣连接一重力锚10，在卸扣上连接有一末端具有抓力锚11的锚索12，所述释放单元8包括一连接于锚链9与包塑钢缆4之间的声学应答释放器13，锚链9的顶端通过连接扣与声学应答释放器13相连。在子浮体5下方的包塑钢缆4上设置有用于搭载浅水测量仪器的主浮体14，所述主浮体14搭载两台分别向上和向下打的声学多普勒流速剖面仪、温深仪以及温度仪，主浮体14包括一用于存储各测量仪器采集的剖面测量数据并将该数据发送至水面浮标系统2的数据存储发送单元；

在主浮体14与释放单元8之间连接有多个用于向包塑钢缆4提供平衡力的玻璃浮球15，还包括一设于主浮体14与释放单元8之间用于搭载深水测量仪器的架体16，本发明中搭载于所述架体16上的深水测量仪器包括海流计17、温盐深仪18。在架体16上设置有一用于驱动各深水测量仪器沿包塑钢缆4上下移动测量不同水深处剖面测量数据的升降调节机构19，所述升降调节机构19包括一与架体16连接的壳体20，在壳体20内横向设置一允许包塑钢缆4缠绕的辊轴21，壳体20的上部及下部分别开设有允许上端包塑钢缆41及下端包塑钢缆 42进入及伸出的开孔22，以及一驱动所述辊轴21转动向上移动回收上端包塑钢缆41并释放下端包塑钢缆42或向下移动释放上端包塑钢缆41并回收下端包塑钢缆42的伺服电机23，在伺服电机23上设置有用于接收信号的编码器，以及控制器，所述控制器通过预先设定的行程上限及下限发送信号至编码器，编码器接收信号后驱动伺服电机23沿包塑钢缆4上行或下行，到达行程上限或行程下限时控制器发送驱动伺服电机23停止并返回的信号至编码器，编码器驱动伺服电机23反转并回到上行或下行起始点。所述包塑钢缆4经壳体20上部、下部的开孔22进入壳体20在辊轴21上的缠绕方向为顺时针或逆时针。本发明为伺服电机23供电的方式可以采用蓄电池24的方式，并且水面浮标系统2可以安置太阳能电池板持续为蓄电池24供电，或者采用足量电量的蓄电池24，满足所需监测时间的供电需要。

在升降调节机构19的上方及下方均设置有分别与上端包塑钢缆41及下端包塑钢缆42连接的当伺服电机23移动时减小壳体20及架体16重量的升降调节辅助部件25、36。升降调节辅助部件25包括一具有内腔26的球形壳体27，在内腔26中设有一与球形壳体27的内壁28相连的弹性密封膜29，所述弹性密封膜29将球形壳体27的内腔26分为进液腔30及空气腔31，在球形壳体27上开设有允许海水进入进液腔30内的水孔32，以及允许上端包塑钢缆41或下端包塑钢缆42进入进液腔30内的连接孔33，在进液腔30内的弹性密封膜29 表面设置有用于连接当壳体20及架体16上行时牵拉弹性密封膜29，将进液腔30内的海水排出的上端包塑钢缆41的或当壳体20及架体16下行时牵拉弹性密封膜29，将进液腔30内的海水排出的下端包塑钢缆42的柔性粘接片34，所述上端包塑钢缆41或下端包塑钢缆42 经连接孔33与柔性粘接片34固定。所述弹性密封膜29采用高强度橡胶材料制成，弹性密封膜29的外径与球形壳体27的内壁直径一致。球形壳体27的内壁均匀设置有一层当进液腔 30内的海水排出时，用于增强弹性密封膜29与球形壳体27内壁贴合度，增强密封效果的橡胶层35。

所述升降调节机构19下方的升降调节辅助部件36与锚泊系留7之间连接有一当释放单元8收到信号指令打开回收潜标系统时，辅助牵拉锚泊系留7的预紧绳索37。所述预紧绳索 37分别设于球形壳体38与声学应答释放器13的两侧，在球形壳体38的两侧分别横向设置牵拉横杆39，两侧的预紧绳索37的顶部分别与两侧牵拉横杆39固定，底部分别与连接重力锚10的卸扣40固定。本发明的升降调节辅助部件25与升降调节机构19下方的升降调节辅助部件36的结构实际为完全相同，只是安装的方向相反，具体请参考图4、图8。

新技术能使深海潜标通过光缆或无线声波将数据传至浮标。然后浮标将数据传至一颗通讯卫星。在深海潜标回收作业中，潜标主浮体和玻璃浮球浮出水面。剖面仪搭载海流计和CTD，进行海流和温盐深的剖面测量，每个剖面的测量数据通过水下声学数据通讯传输到主浮体中存储，在极地调查时，再通过水下声学数据通讯提取主浮体中存储的测量数据。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。