北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统技术方案

本发明专利技术涉及一种北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统。包括：用于气象观测及控制、卫星通信、供电的冰基浮标装置、用于浮力转换与升降控制，进行海水温度、盐度、深度测量的水下剖面探测浮标装置和用于冰基浮标装置和水下剖面探测浮标装置的连接，提供数据信号线、高强度拉力电缆、耐海水腐蚀的硫化接头的高强度拖曳电缆装置。本发明专利技术可以进行水下温盐深剖面测量，测量深度为冰层下0-120米，填补了国际上远海120米以浅观测手段匮乏的空白，实现了同一区域水文和气象同步观测；该系统的采用超大容量的锂电池供电系统，提高了系统的使用寿命，该发明专利技术具有非常大的推广应用价值，可以推广应用到国际上从事极区研究的相关领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于海洋监测技术应用领域，尤其是涉及一种北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统。
技术介绍
近年来，世界海洋科学家们越来越关注北极和北冰洋海洋环境的特征和北极冰雪融化过程对于气候的影响等方面的研究。从事这些研究首先要获得北极和北冰洋海洋环境的温度、盐度和深度的数据和变化规律，而获取这些数据需要相应的观测和监测设备，但目前这种观测设备少之又少，远远不能满足北极科学研究的需要。目前，美国伍兹霍尔海洋研究所研制了一种“缆绳定点式深水剖面监测系统”，其测量深度从水下100米-4000米，用于海洋大深度剖面监测，这种装置有两个问题：一是装置自身带蓄电池，最长能够连续工作3个月，二是水下100以浅的海洋环境无法测量，而恰恰北冰洋浅海环境的变化和测量数据对于海洋科学家是最需要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统。本专利技术利用冰基浮标坐落在冰层上作冰面气象测量，同时冰基浮标随冰层漂移，利用GPS定位模块记录冰层轨迹；冰基浮标连接高强度拖曳电缆拖着冰层下水下剖面测量浮标做水下温盐深剖面测量，测量深度为冰层下0-120米，填补了国际上远海100米以浅观测手段匮乏的空白，由于冰基浮标和水下剖面测量浮标同时开展观测，实现了同一区域水文和气象同步观测；该系统的采用超大容量的锂电池供电系统，提高了系统的使用寿命，该专利技术具有非常大的推广应用价值，可以推广应用到国际上从事极区研究的相关领域。本专利技术提供的北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统包括：冰基浮标装置：用于气象观测及控制、卫星通信、供电。水下剖面探测浮标装置：用于浮力转换与升降控制，进行海水温度、盐度、压力测量。高强度拖曳电缆（零浮力拖曳电缆）装置：用于冰基浮标装置和水下剖面探测浮标装置的连接，提供数据信号线、高强度拉力电缆、耐海水腐蚀的硫化接头。所述的冰基浮标装置安装于冰层上方，实施冰面气象观测、数据通信、Argos卫星通信及电力供给；水下剖面探测浮标装置在冰层下做温盐深剖面测量，测量范围120米，冰基浮标装置与水下剖面探测浮标装置通过零浮力拖曳电缆装置连接，零浮力拖曳电缆装置既能拖着水下剖面探测浮标装置随冰层漂移，又提供电力供给和数据传输。所述的冰基浮标装置为冰面气象监测及控制子系统的载体，该冰基浮标装置由锂电池组、上部信号缆水密接口、温度和相对湿度传感器、气压传感器、GPS定位模块、Argos卫星通信模块、冰上中央控制单元、电池舱、浮标浮力圈、上部电缆拉头铰接环、不锈钢管等组成。冰基浮标装置的上部用不锈钢管组成山字形连接支架，支架左侧支撑气压传感器和GPS定位模块，支架中间支撑温度和相对湿度传感，支架右侧支撑Argos卫星通信模块，各传感器的信号线由不锈钢管连接到冰上中央控制单元。冰上中央控制单元安装在冰基浮标装置标体内部，四周嵌套浮力圈，其作用是当冰层融化时冰基浮标装置掉入水中，也能提供足够的浮力漂浮在海面，继续完成环境监测；电池舱位于冰基浮标装置的下部，锂电池组（300Ah）装在电池舱内部，保证系统工作一年所需的电力，上部电缆拉头铰接环连接高强度拖曳电缆装置的上部拉环，上部信号缆水密接口连接高强度拖曳电缆装置的上部水密接头橡胶缆。所述的冰上中央控制单元包括：主控与时钟电路单元、电能补给与电源管理单元、数据采集与存储单元以及数据通讯与传输单元。主控与时钟电路单元：主控制器采用多串口51单片机，该系列单片机具有高速、低功耗、抗干扰性强、输入输出接口丰富等优点。主控制器相当于整个监测系统的大脑，在预设时钟周期内控制冰基浮标各主要单元的工作进程并协调管理冰基浮标与水下剖面探测浮标之间的控制时序和数据传输。主控制器具备上电复位以及看门狗复位功能，避免程序运行过程中跑飞所导致的系统死机。时钟电路选用低频时钟芯片，其外围电路简单、定时准确，能实现无干扰、全周期准确的启动以及长持续时间定时等功能。时钟电路的定时周期由主控制器预置，每个时钟周期产生的脉冲信号反馈给主控制器，用于主控制器的休眠唤醒，以有效控制数据采集周期。电能补给与电源管理单元：考虑到长期工作后的锂电池在低温下的放电能力有限，采用超级电容器对其进行补偿。超级电容器具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好等优点，将其并联于卫星通讯电源以及电机电源端，在数据卫星通讯以及电机启动过程中能够提供瞬间大电流，从而保证数据的可靠传输以及电机的可靠启动。电源管理中的DC/DC变换模块采用输出电压可调的降压型DC/DC开关电源芯片，该类型芯片具有输入输出电压范围宽、转换效率高、工作温度范围宽、静态电流和关断电流极低等优点。由DC/DC开关电源芯片组成的电源管理单元为系统各主要单元提供高效、准确、可靠的供电电平。数据采集与存储单元：冰基浮标装置中的温湿和气压传感器构成气象数据采集单元，输出气象数据模拟量，通过Σ-Δ调制型A/D转换芯片获得气象数据的数字量输出给主控制器处理。存储器采用非易失性NVRAM，为气象与水文数据压缩提供可靠的存储空间。主控制器将捕获的有效GPS时间和位置信息与处理完毕的有效气象和水文数据加密打包，暂存于NVRAM中，待有效时刻将其发送至卫星通讯单元。数据通讯与传输单元：冰基浮标装置中的数据卫星通讯单元采用ARGOS-3 PMT-RFM模块，该模块能实现卫星过顶预测并自动唤醒，在实现数据有效传输的同时优化数据卫星通讯系统的功耗。GPS卫星定位模块基于SiRF Star IV，具有低功耗、高定位精度、高灵敏度和高性能等优点，为主控制器提供准确的时间与位置信息。冰基浮标装置与水下剖面探测浮标装置之间的通讯为长缆数据传输，为保证其可靠通讯，采用RS485协议来实现。所述的水下剖面探测浮标装置由下部电缆拉头铰接环，温度、盐度、压力测量传感器、传感器保护罩、浮力舱体、水下控制单元、内油囊、直流电机、电动旋转阀、单向阀、液压马达、后端盖、外油囊、油囊保护罩、浮标水密接口、姿态传感器等组成。    水下剖面探测浮标装置的壳体为圆柱体，由铝合金管料加工而成。其上部连接温度、盐度、压力测量传感器，传感器四周套CTD保护罩，保护罩顶端的下部电缆拉头铰接环固定高强度拖曳电缆装置的下部拉环；水下剖面探测浮标装置的中部是浮力舱，浮力舱上端安装水下控制单元，内油囊设置在浮标舱体内部，外油囊设置在浮标舱体外部，内油囊与外油囊之间有一液压马达，即液压马达通过油管与内油囊、外油囊连接，油马达和外油囊之间装有单向阀，外油囊和内油囊之间还装有电动旋转阀，微型直流电机带动油马达旋转；浮力舱后端盖连接外油囊，外油囊的安全性由外油囊保护罩承担，浮标的水密接口连接高强度拖曳缆的下端水密接头，保证数据信号的通路。所述的水下控制单元包括：子控制器与时钟电路单元、电源管理单元、数据采集与存储单元以及电机控制单元。子控制器与时钟电路单元：子控制器也采用多串口51单片机，根据冰基浮标主控制器发送的指令控制水下剖面探测浮标各主要单元的工作进程。子控制器具备上电复位以及看门狗复位功能，避免程序运行过程中跑飞所导致的系统死机。时钟电路依然选用低频时钟芯片，其定时周本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统，包括：1）冰基浮标装置：用于气象观测及控制、卫星通信、供电；2）水下剖面探测浮标装置：用于浮力转换与升降控制，进行海水温度、盐度、深度测量；所述的水下剖面探测浮标装置包括下部电缆拉头铰接环，温度测量传感器、盐度测量传感器、压力测量传感器、传感器保护罩、浮力舱体、水下控制单元、内油囊、直流电机、电动旋转阀、单向阀、液压马达、后端盖、外油囊、油囊保护罩、浮标水密接口、壳体；壳体内部初始状态设定为负压，使内油囊与外油囊形成压力差；壳体上部连接温度、盐度、压力测量传感器，传感器四周套CTD保护罩，保护罩顶端的下部电缆拉头铰接环固定拖曳电缆装置的下部拉环；该装置的中部是浮力舱，浮力舱上端安装水下控制单元，内油囊设置在舱体内部，外油囊设置在舱体外部，内油囊与外油囊之间有液压马达，液压马达通过油管与内油囊、外油囊连接，液压马达和外油囊之间装有单向阀，外油囊和内油囊之间装有电动旋转阀，微型直流电机带动油马达旋转；浮力舱后端盖连接外油囊，水下剖面探测浮标装置的水密接口连接拖曳缆装置的下端水密接头；所述的水下控制单元包括：子控制器与时钟电路单元、电源管理单元、数据采集与存储单元以及电机控制单元；3）拖曳电缆装置：用于冰基浮标装置和水下剖面探测浮标装置的连接；其特征在于：所述的冰基浮标装置包括锂电池组、上部信号缆水密接口、温度和相对湿度传感器、气压传感器、GPS定位模块、Argos卫星通信模块、冰上中央控制单元、电池舱、浮标浮力圈、上部电缆拉头铰接环、不锈钢管；冰基浮标装置的上部用不锈钢管组成山字形连接支架，支架左侧支撑气压传感器和GPS定位模块，支架中间支撑温度和相对湿度传感，支架右侧支撑Argos卫星通信模块，各传感器的信号线连接冰上中央控制单元；冰上中央控制单元安装在冰基浮标装置标体内部，四周嵌套浮力圈；电池舱位于冰基浮标装置的下部，锂电池组装在电池舱内部，上部电缆拉头铰接环连接拖曳电缆装置的上部拉环，冰基浮标装置上部信号缆水密接口连接拖曳电缆装置的上端水密接头；所述的拖曳电缆装置由两根电源线加两对信号线成缆，每根缆芯外绕包聚酯，电源线和信号线绞和后套隔离层，沿隔离层编织芳纶拉力层，最外层是聚氨酯护套。...

【技术特征摘要】
1.一种北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统，包括：
1）冰基浮标装置：用于气象观测及控制、卫星通信、供电；
2）水下剖面探测浮标装置：用于浮力转换与升降控制，进行海水温度、盐度、深度测量；所述的水下剖面探测浮标装置包括下部电缆拉头铰接环，温度测量传感器、盐度测量传感器、压力测量传感器、传感器保护罩、浮力舱体、水下控制单元、内油囊、直流电机、电动旋转阀、单向阀、液压马达、后端盖、外油囊、油囊保护罩、浮标水密接口、壳体；
壳体内部初始状态设定为负压，使内油囊与外油囊形成压力差；壳体上部连接温度、盐度、压力测量传感器，传感器四周套CTD保护罩，保护罩顶端的下部电缆拉头铰接环固定拖曳电缆装置的下部拉环；该装置的中部是浮力舱，浮力舱上端安装水下控制单元，内油囊设置在舱体内部，外油囊设置在舱体外部，内油囊与外油囊之间有液压马达，液压马达通过油管与内油囊、外油囊连接，液压马达和外油囊之间装有单向阀，外油囊和内油囊之间装有电动旋转阀，微型直流电机带动油马达旋转；浮力舱后端盖连接外油囊，水下剖面探测浮标装置的水密接口连接拖曳缆装置的下端水密接头；所述的水下控制单元包括：子控制器与时钟电路单元、电源管理单元、数据采集与存储单元以及电机控制单元；
3）拖曳电缆装置：用于冰基浮标装置和水下剖面探测浮标装置的连接；其特征在于：
所述的冰基浮标装置包括锂电池组、上部信号缆水密接口、温度和相对湿度传感器、气压传感器、GPS定位模块、Argos卫星通信模块、冰上中央控制单元、电池舱、浮标浮力圈、上部电缆拉头铰接环、不锈钢管；
冰基浮标装置的上部用不锈钢管组成山字形连接支架，支架左侧支撑气压传感器和GPS定位模块，支架中间支撑温度和相对湿度传感，支架右侧支撑Argos卫星通信模块，各传感器的信号线连接冰上中央控制单元；冰上中央控制单元安装在冰基浮标装置标体内部，四周嵌套浮力圈；电池舱位于冰基浮标装置的下部，锂电池组装在电池舱内部，上部电缆拉头铰接环连接拖曳电缆装置的上部拉环，冰基浮标装置上部信号缆水密接口连接拖曳电缆装置的上端水密接头；
所述的拖曳电缆装置由两根电源线加两对信号线成缆，每根缆芯外绕包聚酯，电源线和信号线绞和后套隔离层，沿隔离层编织芳纶拉力层，最外层是聚氨酯护套。
2.根据权利要求1所述的北冰洋浅水型拖曳式温盐深监测系统，其特征在于：
所述的拖曳电缆装置上端连接冰基浮标装置的上部电...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗晓玲，张静，杨庆保，刘颖，
申请(专利权)人：天津远讯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12