一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统技术方案

本发明专利技术涉及海洋监测设备领域，尤其是一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统。其包括:水帆、波浪能浮标平台、浮球、钢缆和锚块，所述水帆由四块帆板构成，四块帆板呈十字形固定连接于波浪能浮标平台的外框架上，所述浮球与钢缆的顶端相连接，所述锚块与钢缆的底端相连接，所述钢缆穿过波浪能浮标平台，所述波浪能浮标平台沿钢缆爬行。它可随海洋涡旋漂流，实现对海洋涡旋，尤其亚中尺度涡旋三维剖面结构的长时间连续、自适应跟踪、多参数同步、超高时空分辨观测。

A Buoy System Applied to Field Observation of 3-D Profile Structure of Ocean Vortex

The invention relates to the field of marine monitoring equipment, in particular to a buoy system applied to field observation of marine eddy three-dimensional profile structure. The sail consists of four sails, a wave energy buoy platform, a float ball, a steel cable and an anchor block. The sail consists of four sails, four sails are fixed in a cross shape on the outer frame of the wave energy buoy platform, the float ball is connected with the top of the cable, the anchor block is connected with the bottom end of the cable, the steel cable passes through the wave energy buoy platform, and the wave energy buoy platform climbs along the cable. That's ok. It can drift with the ocean eddies and realize the long-time continuous, adaptive tracking, multi-parameter synchronization and ultra-high spatial-temporal resolution observation of ocean eddies, especially the three-dimensional profile structure of sub-mesoscale eddies.

【技术实现步骤摘要】
一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统
本专利技术涉及海洋监测设备领域，尤其是一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统。
技术介绍
海洋涡旋是海洋环流的重要组成部分，其空间尺度通常从几千米到几百千米，时间尺度从几天到几年，对海洋中的物质、能量、热量等传输和混合起着重要作用，同时对海洋中多尺度运动、海洋生态、大气环境及气候变化等都有着十分重要的影响。因此，海洋涡旋已成为当前海洋科学研究的前沿和热点问题之一。海洋涡旋研究的重要前提是准确获取其随时间变化的三维流场、温盐、生化参数等结构信息。目前，获取海洋涡旋信息的主要途径分为海洋卫星遥感和现场观测两种手段。首先，海洋卫星遥感手段通常根据卫星高度计数据，进行海面高度异常统计，以实现对涡旋的识别和追踪。这种手段对全球海洋涡旋长时间尺度下的基本特征统计较为有效，但缺点也较为明显。一方面受制于当前卫星遥感分辨率限制，还无法实现对海洋亚中尺度涡旋的识别观测(亚中尺度涡旋是实现不同尺度动力过程物质循环和能量级联的关键纽带，其机理对提高全球气候的精细化预报水平具有至关重要作用)；另一方面当前海洋遥感技术还不足以穿透海洋表面，无法直接探测涡旋内部三维结构。因此，当前卫星遥感观测手段只能满足对海洋涡旋的初步观测。其次，现场观测手段主要包括潜标、水下滑翔机、漂流浮标、船测等手段。其中，潜标观测是一种“守株待兔”方式，无法实现对运动涡旋的跟踪观测，观测数据有限，且成本极高；水下滑翔机技术往往依赖于卫星对涡旋识别追踪数据以进行路径规划，同时也无法实现自适应跟涡观测(跟流效果有限)，存在跟涡滞后性，而且搭载传感器能力有限，无法实现多参数同步观测，对短周期涡旋(几天)观测时间分辨率仍稍显不足；漂流浮标具备较好的跟涡效果，但通常只能测量表面流场，而无法真实反映涡旋内部的三维流场结构(深度可达几百米)，同时涡旋其它三维参数根本无从获取；船测通常仅能获取涡旋局部的三维流场分布，受制于成本，还无法作为常用有效手段。因此，发展一种高时空分辨率、具备跟涡自适应、多参数同步的现场观测系统对海洋涡旋三维结构信息获取具有重要价值。
技术实现思路
本专利技术旨在解决上述问题，提供了一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，它一方面可随海洋涡旋漂流，可实现对海洋涡旋，尤其亚中尺度涡旋三维剖面结构的长时间连续、自适应跟踪、多参数同步、超高时空分辨观测；一方面解决了小驱动力作用下单/双向状态无法正常切换的问题，即具有高灵敏性；一方面解决了恶劣海况下单/双向状态切换控制部件的误触发问题，即具有防误触发设计；再一方面解决了高频次剖面连续工作的严重磨损问题，即具有防磨损设计；可以在波浪的作用下，波浪能浮标平台沿钢缆上下运动，往复不断，可搭载不同类型的传感器，完成海洋三维剖面参数测量，布放/回收方便、搭载(负载)能力强、不消耗电源、工作深度从几米至几百米、且能获取长时间序列、超时空高分辨率剖面信息，其采用的技术方案如下：一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于，包括:水帆、波浪能浮标平台、浮球、钢缆和锚块，所述水帆由四块帆板构成，四块帆板呈十字形固定连接于波浪能浮标平台的外框架上，所述浮球与钢缆的顶端相连接，所述锚块与钢缆的底端相连接，所述钢缆穿过波浪能浮标平台，所述波浪能浮标平台沿钢缆爬行。在上述技术方案基础上，所述钢缆上固定有上触发块和下触发块，所述上触发块靠近浮球，所述下触发块靠近锚块，所述波浪能浮标平台包括支撑柱、隔离架、大浮块、主支撑板、钢缆单/双向控制单元、杠杆单元、同心限位单元，所述隔离架和支撑柱构成一可搭载各种传感器的搭载平台，所述隔离架固接于支撑柱上，所述主支撑板为两块，固定安装于隔离架上；所述大浮块可拆卸对称连接于隔离架左右两侧上，所述钢缆单/双向控制单元、杠杆单元和同心限位单元设置于两主支撑板之间，所述钢缆穿过同心限位单元和钢缆单/双向控制单元，由钢缆单/双向控制单元控制钢缆可双向运动或仅可单向运动，所述波浪能浮标平台完全浸没于海水中所受的浮力大于其自重。在上述技术方案基础上，所述钢缆单/双向控制单元包括基板、契形框、卡轮、卡轮框、切换板和卡块，所述切换板、卡轮框、契形框和基板由前至后依次排列，所述契形框固接于基板上，所述契形框具有导向槽，所述导向槽上宽下窄，所述卡轮框滑动连接于契形框上，可相对契形框上下滑动；所述卡轮框具有与导向槽等数量的框槽，框槽之间由横板分隔，所述卡轮位于导向槽和框槽中，每个导向槽中具有两个卡轮，所述切换板与卡轮框相固接，所述切换板下部两侧各具有一条弹性条，所述弹性条的尾端均具有一三角形凸起，所述卡块为两个，固定安装于基板上；所述卡块具有止挡弹性条三角形凸起的凸起部，所述凸起部为三角形，顶面和底面均为斜面；所述三角形凸起的顶面和底面均为斜面，所述杠杆单元包括杠杆、杠杆架、转轴和连接块，所述连接块固定安装于切换板上，所述杠杆与连接块相固接，所述杠杆架的两端分别与两主支撑板转动连接，所述转轴连接于杠杆架上，所述杠杆的两端开设有安装通孔，所述安装通孔的孔径大于转轴的直径，所述转轴穿过杠杆的安装通孔，所述基板与主支撑板相固接，所述杠杆架、转轴、同心限位单元均为两个，两同心限位单元分设于钢缆单/双向控制单元上下两侧，两杠杆架分设于杠杆的上下两端处。在上述技术方案基础上，所述杠杆架由左横杆部、右横杆部和U形臂一体构成，所述左横杆部与左侧主支撑板转动连接，所述右横杆部与右侧主支撑板转动连接，转轴连接于U形臂上，所述左横杆部和右横杆部的轴线重合，所述转轴的轴线与左横杆部的轴线平行但不重合，钢缆穿过U形臂和转轴围成的闭合区域。在上述技术方案基础上，所述同心限位单元包括：上安装框、下安装框、支撑块、固定板、第一销轴、第一滚筒、第二销轴和第二滚筒，所述上安装框、下安装框、支撑块通过螺栓由上至下依次固接于一起，所述支撑块与主支撑板相固接，所述第一销轴固定安装于上安装框上，所述第一销轴为两条，平行布设；所述第一滚筒套装于第一销轴上，所述第二销轴固定安装于下安装框上，所述第二销轴为两条，平行布设；所述第二滚筒套装于第二销轴上，所述第一销轴的轴线与第二销轴的轴线相垂直，所述固定板的底部通过螺栓与下安装框相固接，固定板的头端与上安装框相卡接，所述钢缆穿于两第一滚筒之间及两第二滚筒之间，所述支撑块通过螺栓与主支撑板相固接。在上述技术方案基础上，所述钢缆单/双向控制单元还包括等高柱和螺钉，所述基板的两侧处开设有螺纹孔，所述契形框的两侧处开设有通孔，所述卡轮框和切换板的两侧处开设有长条形限位槽，所述等高柱具有中空的头部和杆部，所述等高柱的杆部依次穿过切换板上的长条形限位槽、卡轮框上的长条形限位槽和契形框上的通孔，所述螺钉穿入等高柱中并与基板上的螺纹孔螺纹连接，所述螺钉的螺头压紧等高柱的头部，所述卡轮被夹于基板和切换板之间且卡轮的前端面与切换板的后端面之间具有间隙。在上述技术方案基础上，当切换板处于向下最大行程处时，卡轮夹于导向槽底边和框槽顶边之间，此时导向槽的底边、与导向槽对应的框槽的顶边及导向槽的两侧边围成一上宽下窄的区域，所述区域的高度大于卡轮的直径，两卡轮位于区域的最底部处时，两卡轮之间的最近距离小于钢缆的直径，两卡轮位于区域的最顶部处时，两卡轮之间的最近距本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于，包括:水帆(600)、波浪能浮标平台(500)、浮球(6)、钢缆(7)和锚块(9)，所述水帆(600)由四块帆板构成，四块帆板呈十字形固定连接于波浪能浮标平台的外框架上，所述浮球(6)与钢缆(7)的顶端相连接，所述锚块(9)与钢缆(7)的底端相连接，所述钢缆(7)穿过波浪能浮标平台(500)，所述波浪能浮标平台(500)沿钢缆(7)爬行。

【技术特征摘要】
1.一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于，包括:水帆(600)、波浪能浮标平台(500)、浮球(6)、钢缆(7)和锚块(9)，所述水帆(600)由四块帆板构成，四块帆板呈十字形固定连接于波浪能浮标平台的外框架上，所述浮球(6)与钢缆(7)的顶端相连接，所述锚块(9)与钢缆(7)的底端相连接，所述钢缆(7)穿过波浪能浮标平台(500)，所述波浪能浮标平台(500)沿钢缆(7)爬行。2.根据权利要求1所述的一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于：所述钢缆(7)上固定有上触发块(87-1)和下触发块(87-2)，所述上触发块(87-1)靠近浮球(6)，所述下触发块(87-2)靠近锚块(9)，所述波浪能浮标平台(500)包括支撑柱(50)、隔离架(51)、大浮块(52)、主支撑板(80)、钢缆单/双向控制单元(100)、杠杆单元(200)、同心限位单元(300)，所述隔离架(51)和支撑柱(50)构成一可搭载各种传感器的搭载平台，所述隔离架(51)固接于支撑柱(50)上，所述主支撑板(80)为两块，固定安装于隔离架(51)上；所述大浮块(52)可拆卸对称连接于隔离架(51)左右两侧上，所述钢缆单/双向控制单元(100)、杠杆单元(200)和同心限位单元设置于两主支撑板(80)之间，所述钢缆(7)穿过同心限位单元(300)和钢缆单/双向控制单元(100)，由钢缆单/双向控制单元(100)控制钢缆可双向运动或仅可单向运动，所述波浪能浮标平台(500)完全浸没于海水中所受的浮力大于其自重。3.根据权利要求2所述的一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于：所述钢缆单/双向控制单元(100)包括基板(1)、契形框(2)、卡轮(21)、卡轮框(3)、切换板(4)和卡块(10)，所述切换板(4)、卡轮框(3)、契形框(2)和基板(1)由前至后依次排列，所述契形框(2)固接于基板(1)上，所述契形框(2)具有导向槽(20)，所述导向槽(20)上宽下窄，所述卡轮框(3)滑动连接于契形框(2)上，可相对契形框(2)上下滑动；所述卡轮框(3)具有与导向槽(20)等数量的框槽(30)，框槽(30)之间由横板(32)分隔，所述卡轮(21)位于导向槽(20)和框槽(30)中，每个导向槽(20)中具有两个卡轮(21)，所述切换板(4)与卡轮框(3)相固接，所述切换板(4)下部两侧各具有一条弹性条(40)，所述弹性条(40)的尾端均具有一三角形凸起(41)，所述卡块(10)为两个，固定安装于基板(1)上；所述卡块(10)具有止挡弹性条(40)三角形凸起(41)的凸起部，所述凸起部为三角形，顶面和底面均为斜面；所述三角形凸起(41)的顶面和底面均为斜面，所述杠杆单元(200)包括杠杆(82)、杠杆架(83)、转轴(84)和连接块，所述连接块固定安装于切换板(4)上，所述杠杆(82)与连接块相固接，所述杠杆架(83)的两端分别与两主支撑板(80)转动连接，所述转轴(84)连接于杠杆架上，所述杠杆(82)的两端开设有安装通孔(82a)，所述安装通孔(82a)的孔径大于转轴(84)的直径，所述转轴(84)穿过杠杆(82)的安装通孔(82a)，所述基板(1)与主支撑板(80)相固接，所述杠杆架(83)、转轴(84)、同心限位单元(300)均为两个，两同心限位单元(300)分设于钢缆单/双向控制单元(100)上下两侧，两杠杆架(83)分设于杠杆(82)的上下两端处。4.根据权利要求3所述的一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于：所述杠杆架(83)由左横杆部(83-1)、右横杆部(83-2)和U形臂(83-3)一体构成，所述左横杆部(83-1)与左侧主支撑板(80)转动连接，所述右横杆部(83-2)与右侧主支撑板(80)转动连接，转轴(84)连接于U形臂(83-3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨杰，陈戈，于方杰，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东,37