专利名称：极区冰水界面探测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及海洋测量系统，特别是涉及适用于极区冰水混合层海洋要素采集 的测量系统。
背景技术：
极区是地球系统的重要组成部分，极区海洋环境要素的测量对研究全球海洋环境 的变化具有重要意义。大量浮冰的存在是极区海洋环境的主要特点，极区冰水混合层的探 测成为极区海洋环境考察的重要方面。海冰生成时盐分的析出及海冰融化时表面海水的淡化使得全球温盐环流受到较 大影响，其增长和衰退不仅强烈影响海气之间的热交换，而且影响海水表面的水平衡，进而 影响全球海洋环流。测量冰水混合层的温盐变化和海水流动，可以确定海冰消融后溶入海 水中的淡水量和海冰消融速度，这对研究冰盖变化及大洋环流非常重要，对了解北冰洋进 入大西洋和太平洋的海水流量和流动路径起着重要的作用。科学家们通常采用冰上钻孔、布放极区浮标和潜标等方法测量极区冰层下混合层 的温盐和海流数据，以确定海水和淡水的交换量、交换速度以及对冰下海流的影响。但是， 在极区恶劣的环境下，上述现有的方法都存在诸多问题，冰上钻孔是非常困难和危险的，布 放的浮标会被流冰碰坏。因此，开展极区海洋考察需要更适宜的冰水探测系统进行浮冰区 冰水混合界面的剖面测量。
发明内容针对现有技术难以对极区浮冰区冰水混合界面进行剖面测量的问题，本实用新型 推出一种可以在极区浮冰下进行循环探测的剖面测量系统，其目的在于，通过探测系统主 浮体上的电动滚筒控制探测系统上端置于浮冰下的升降平台做上下剖面运动，由升降平台 上的测量仪器在升降过程中采集温、盐、深、海流数据，实现浮冰区冰水混合界面的剖面测量。本实用新型所涉及的极区冰水界面探测系统，包括系留系统、主浮体、系缆和升降 平台。主浮体和升降平台为具有正浮力的壳体结构，由系留系统系留在海底。从主浮体内 引出并收放的系缆连接升降平台，通过系缆的收放实现升降平台的上升和下降。系留系统为单点绷紧型结构，包括系留索、玻璃浮球、释放器、锚链和重力锚。重力 锚位于系留系统的底端，沉在海底，用于将整个探测系统系留在海底。系留系统上部的系留 索连接探测系统的主浮体，系留索下端连接玻璃浮球，玻璃浮球下部连接释放器，释放器连 接在重力锚的锚链上。主浮体为椭球形壳体结构，为探测系统提供较大的集中浮力，保持系留索绷紧向 上，使系留系统保持绷紧状态。主浮体的外壳为玻璃微珠泡沫塑料，椭球形状使其在水中能适应水平流的方向， 以便将水平流所产生的阻力降至最低。主浮体内部安装电动滚筒，电动滚筒由固定支架固定在主浮体内。电动滚筒是一密封圆筒，由铝合金材料制成，“0”形圈密封。电动滚筒的内部安装 有电机、减速器、主浮体控制器、主浮体电源等。利用钟摆原理和内齿轮设计使电动滚筒外 壳转动，而内部所有部件都不随外壳转动。电动滚筒外壳上缠绕系缆，系缆的一端固定在滚筒上，另一端穿出主浮体固定在 升降平台上。电机通过减速器减速将扭矩传递给滚筒，使滚筒转动，滚筒的转动带动升降平 台系缆的收放，实现升降平台的上升和下降。升降平台为塑料成形外壳结构，呈流线型，尾部带导流尾翼。升降平台上设置测量 传感器、平台数据采集舱、配重和浮球，调整升降平台内的部件重量及布放位置，使升降平 台在水中处于水平状态，并保持一定的净浮力。测量传感器包括温盐深传感器、海流计和仰视声纳，温盐深传感器测量海水不同 深度的温度盐度值，海流计测量海水的流速和流向，仰视声纳通过声学换能器探测升降平 台与浮冰和海面的距离。传感器探头充分暴露在升降平台外的海水中，并使仰视声纳的波 束发射方向与垂直线成向前倾20°，使其能够提前观测到顺流而来的浮冰。平台数据采集舱内装由平台采集器和平台电源。测量传感器与平台采集器用电缆 连接，平台采集器通过系缆与主浮体控制器的控制模块连接。在升降平台的上升和下降过 程中，传感器按预定时序进行剖面测量。所有的观测数据通过系缆传输给主浮体控制器储 存。升降平台的升降循环由主浮体的电动滚筒驱动，电动滚筒驱动由主浮体控制器内 的控制模块控制。控制模块由数据采集和存储电路、驱动控制电路、数据传输控制电路组 成。通过控制电机的正反转、收放系缆，实现升降平台的上升和下降。每次系统布放前可根 据具体情况和需求设置系统的开机时间、剖面循环次数和传感器采样频率。升降平台与主浮体间的系缆有三种功能，牵引升降平台做剖面循环、传输传感器 数据和传输主浮体控制器唤醒和休眠命令。系缆为选用聚酰铵纤维绳芯的耐磨聚氨酯电 缆，考虑到海流作用，电缆直径尽可能小。电缆密度与海水接近，在水中重量接近0。电动滚筒上的系缆在无人干预情况下自动、可靠、整齐地排放到滚筒上，由自动收 排线装置保证系缆沿滚筒收放线的位置左右自动运行。特别是在收缆时，自动收排线装置 可以自动按照系缆左右运行的速度排缆，到左右限位块时自动切换方向。自动收排线装置 由滑杆、滑块、丝杆和换向拨叉机构组成。在排缆滑块上有一小孔，系缆穿过小孔，跟随滑块 左右滑动，均勻排布在滚筒上。主浮体下的系留索通过圆环连接件与玻璃浮球连接。玻璃浮球为释放器提供浮力 支撑，使释放器远离海底，防止被磨损。释放器用于回收探测系统，释放器通过转环连接重 力锚上面的锚链。当释放器接收到甲板单元(释放器水上机)发出的释放信号后，转环与 锚链脱离，探测系统包括升降平台和主浮体就浮到水面，以便回收。本实用新型所述的极区冰水界面探测系统，应用时锚定在海底并置于海面浮冰以 下。在探测系统布放前设置了开机时间、采样间隔、每天剖面测量次数等。每次开机时，值 班电路唤醒主浮体控制器和平台采集器，平台采集器给传感器加电，传感器开始测量。测量 数据经平台采集器处理后通过系缆发送给主浮体控制器，主浮体控制器接收到数据后，判 断海流数据。当海流流速大于设定阀值(0.6米/秒)时，系统停止工作，进入休眠状态；当海流流速小于设定阀值(0.6米/秒)时，滚筒启动，放出系缆，升降平台在浮力作用下缓慢 上升。在升降平台上升过程中，传感器沿途采集海流、水温、盐度、深度和浮冰距离等参数， 平台采集器将剖面数据处理储存并通过系缆传输给主浮体控制器。主浮体控制器不断比较 升降平台距浮冰的距离数值，当数值小于3米时，电动滚筒停止转动，5秒钟后，电动滚筒反 转，回收系缆，升降平台下降。升降平台下降过程中，主浮体控制器不断比较升降平台深度 值和主浮体深度值之差，当差值小于1米时，电动滚筒停止转动，主浮体发出休眠命令，除 值班外系统全部进入休眠状态，等待下一次开机。本实用新型用于极区海洋考察，对研究海冰融化和形成、弄清北冰洋环流及其对 海洋、气候的影响有着重要的帮助。本系统不仅适用于极区海洋考察，也可以通过调整系统 的配置用于其他海域，还可根据具体科学研究的需要配置相应的传感器后，用于海洋污染、 生态、光学、声学、地质等研究领域，具有较强的扩展能力。
图1为极区冰水界面探测系统结构示意图。图中标记说明1、海冰3、海流计5、浮力球7、温盐传感器9、系缆11、主浮体13、玻璃浮球15、释放器17、锚链19、海底
具体实施方式
现结合附图说明本实用新型的具体实施方式
。图1显示极区冰水界面探测系统的 基本组成结构。如图所示，本实用新型所涉及的极区冰水界面探测系统，包括系留系统、主浮体 11、系缆9和升降平台4。系留系统包括系留索12、玻璃浮球13、释放器15、锚链14和重力锚18。重力锚18 位于系留系统的底端，用于将整个探测系统系留在海底19。系留系统上部的系留索连接探 测系统的主浮体11，系留绳下端连接玻璃浮球13，玻璃浮球13下部连接释放器15，释放器 15连接在重力锚18的锚链14上。主浮体11的外壳为椭球形状，主浮体11内部安装电动滚筒10，电动滚筒10由固 定支架固定在主浮体11内。电动滚筒10的内部安装有电机、减速器、主浮体控制器、主浮体电源等。主浮体11内的电动滚筒10外壳上缠绕系缆9，系缆9的一端固定在电动滚筒10
2、海面 4、升降平台 6、仰视声纳 8、平台数据采集舱 10、电动滚筒 12、系留索 14、锚链 16、转环 18、重力锚上，另一端穿出主浮体11固定在升降平台4上。升降平台4呈流线型，尾部带导流尾翼。升降平台4上设置测量传感器、平台数据 采集舱8、配重和浮力球5。测量传感器包括温盐深传感器7、海流计3和仰视声纳6，温盐深传感器7测量海 水不同深度的温度盐度值，海流计3测量海水的流速和流向，仰视声纳6通过声学换能器探 测升降平台与浮冰和海面的距离。传感器探头充分暴露在升降平台4外的海水中，并使仰 视声纳6的波束发射方向与垂直线成向前倾20°，使其能够提前观测到顺流而来的浮冰1。平台数据采集舱8内装平台采集器和平台电源。测量传感器与平台采集器用电缆 连接，平台采集器通过系缆9与主浮体控制器的控制模块连接。主浮体11下的系留索12通过圆环连接件与玻璃浮球13连接，为玻璃浮球13下 的释放器15提供浮力支撑，使释放器15远离海底，防止被海底磨损。释放器15通过转环 16连接重力锚18上面的锚链17。当释放器15接收到甲板单元(释放器水上机)发出的 释放信号后，与锚链17脱离，探测系统包括升降平台和主浮体就浮到水面，以便回收。
权利要求1.一种极区冰水界面探测系统，其特征在于所述探测系统包括系留系统、主浮体 (11)、系缆(9)和升降平台⑷；主浮体(11)和升降平台⑷为具有正浮力的壳体结构， 由系留系统系留在海底(19)，从主浮体(4)内引出并收放的系缆(9)连接升降平台(4)， 通过系缆(9)的收放实现升降平台(4)的上升和下降；系留系统上部的系留索连接主浮体 (11)，系留系统底端的重力锚(18)沉在海底，重力锚(18)连接的锚链(14)上端连接释放 器(15)；主浮体(11)内部安装电动滚筒(10)，电动滚筒(10)外壳上缠绕系缆(9)，系缆(9) 的一端固定在电动滚筒(10)上，另一端穿出主浮体(11)固定在升降平台(4)上；升降平台 (4)上安装测量传感器，测量传感器包括温盐深传感器(7)、海流计(3)和仰视声纳(6)，测 量海水温度盐度深度值、海水的流速和流向以及升降平台与浮冰和海面的距离，测量传感 器与平台采集器(8)通过电缆连接，平台采集器(8)通过系缆(9)与主浮体控制器的控制 模块连接。
2.根据权利要求1所述的极区冰水界面探测系统，其特征在于，传感器探头充分暴露 在升降平台(4)外的海水中，并使仰视声纳(6)的波束发射方向与垂直线成向前倾20°，使 其能够提前观测到顺流而来的浮冰(1)。
3.根据权利要求1所述的极区冰水界面探测系统，其特征在于主浮体(11)的外壳为 椭球形状；升降平台(4)呈流线型，尾部带导流尾翼。
4.根据权利要求1所述的极区冰水界面探测系统，其特征在于主浮体(11)下的系留 索(12)通过圆环连接件与玻璃浮球(13)连接，为玻璃浮球(13)下的释放器(15)提供浮 力支撑，使释放器(15)远离海底，防止被磨损。
5.根据权利要求1所述的极区冰水界面探测系统，其特征在于释放器(15)的与声接 收器连接的脱钩通过转环(16)连接重力锚(18)上面的锚链(17)，接收相应的声信号后，脱 钩与转环(16)脱离，探测系统浮到水面，以便回收。
专利摘要本实用新型涉及的极区冰水界面探测系统，系留在海底，包括系留系统、主浮体、系缆和升降平台。通过主浮体的电动滚筒控制浮冰下的升降平台做上下剖面运动，实现浮冰区冰水混合界面剖面测量。主浮体内的电动滚筒外壳上缠绕系缆，系缆的一端固定在滚筒上，另一端穿出主浮体固定在升降平台上。电机通过减速器减速将扭矩传递给滚筒，使滚筒转动，滚筒的转动带动升降平台系缆的收放，实现升降平台的上升和下降。测量传感器包括温盐深传感器、海流计和仰视声纳，测量海水不同深度的温度盐度值、海水的流速和流向以及升降平台与浮冰和海面的距离。所有的观测数据通过系缆传输给主浮体控制器储存。本探测系统对研究海冰融化和形成以及其对海洋、气候的影响有着重要帮助。
文档编号G01F23/00GK201852611SQ201020584988
公开日2011年6月1日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者周达, 商红梅, 张文良, 贾立双, 邬海强 申请人:国家海洋技术中心