一种基于大型浮标的自由伸缩式海洋剖面观测装置及方法与流程

本发明涉及海洋观测领域，特指一种基于大型浮标的自由伸缩式海洋多参数剖面观测装置及方法。

背景技术：

海洋科学是一门基于观测的科学。目前，随着观测技术的日新月异，海洋科学发展所依赖的海洋数据获取方式正在从“考察”向“观测”转变，不断出现的海洋气象、海面表层、水体剖面以及海底的新观测技术，最终可实现对海洋环境进行全方位、全天候的立体监测，使未被完全探知的海洋成为“透明”的世界。然而，我国大部分的海洋环境观测至今仍然依靠船舶走航式观测和台站定点观测技术周期性的采集海洋表层或有限水层的要素数据所支撑，缺少对海洋次表层以及深层水体进行长期连续的剖面观测，这主要是实施连续剖面观测的有效技术手段缺乏所致。随着人们对海洋科学认知需求的提升，仅仅依靠船舶走航式周期性获取海洋表层或有限水层的观测数据，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，无法满足现代海洋科学的发展对全方位立体监测的要求，更不能适应我国海洋经济发展的需要。

虽然我国在近海观测和水下观测系统技术方面取得了长足进步，但大多都是依靠海洋波浪能提供动力或者滑翔机技术，稳定性较差；还有的基于水下绞车方式，则难以将观测数据实时传回岸站；再由于当前我国近海随意捕捞的情况仍然比较普遍，渔民对海洋观测设备的保护意识较弱，导致各类海洋设备遭受渔船撞击或渔网拖拽的情况经常发生，严重影响了观测数据的连续有效获取。

本发明是基于直径10米的大型圆盘形海洋资料浮标，客服了海洋环境载荷复杂和能源供应不足的缺点，同时借助大型浮标作为显著标志物有效降低了被渔船破坏的风险，从而解决了对我国近海水体的多项海洋参数进行长期、连续、定点、实时剖面观测的科研需求，并具有结构简单、安全稳定、可推广性强等优点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于大型浮标的自由伸缩式海洋多参数剖面观测装置及方法，通过大型浮标作为载体，提供足够的电力供应，提供稳定的作业平台，集成多种直读式水文、水质参数等观测设备，通过自由、精确的控制水下观测模块的层深位置，实现在无人值守的情况下，在一定水深范围内进行海洋水体剖面环境参数的长期、连续、定点、实时观测，打破现有实时观测参数仅限表层位置的现状。并将观测数据通过通信模块发送到陆基站，实现在办公室能够对水体观测数据进行实时查看和处理。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于大型浮标的自由伸缩式海洋剖面观测装置，包括：自由伸缩装置、水下观测模块、数据采集控制模块、供电模块、通信模块、数据接收处理模块；

自由伸缩装置，设于浮标设备井内，用于为水下剖面观测提供动力和伸缩升降功能，实现对剖面数据的获取；

水下观测模块，安装于自由伸缩装置下端，搭载多种海洋观测传感器，用于观测水下各种剖面参数，并将剖面参数传输至数据采集控制模块；

数据采集控制模块，用于根据海况控制自由伸缩装置动作和水下观测模块的数据采集，并将水下观测模块采集的剖面数据转发至通信模块；

通信模块，用于通过dtu或北斗卫星与陆基站的数据接收处理模块通信；

供电模块，包括蓄电池以及与其连接的太阳能板；用于通过蓄电池为水下观测模块、数据采集控制模块、通信模块、自由伸缩装置的绞车供电。

自由伸缩装置包括水上支撑架、水下伸缩模块、绞车、传输缆，其中水上支撑架及绞车分别安装在浮标体上，所述水下伸缩模块包括多节伸缩杆，各所述伸缩杆由内向外依次可相对伸缩地插接，最外层一节的伸缩杆的上端安装在所述水上支撑架上，最内层一节的伸缩杆的下端与水下观测模块连接，所述传输缆的一端连接于绞车上，另一端由各节伸缩杆的内部穿过与水下观测模块相连；所述最外层一节的伸缩杆的下端设有外锁装置，所述最内层一节的伸缩杆的上端设有内锁装置，中间各节的伸缩杆的上端均设有内锁装置、下端均设有外锁装置，相邻两伸缩杆中位于内层的伸缩杆上端的内锁装置在伸长时与位于外层的伸缩杆下端的外锁装置抵接，相邻两伸缩杆中位于内层的伸缩杆下端的外锁装置在回收时与位于外层的伸缩杆下端的外锁装置抵接。

所述内锁装置位于伸缩杆上端的外侧，为多个内锁条，沿所述伸缩杆的圆周方向均布；各所述内锁条相平行，且平行于所述伸缩杆的轴向中心线，各所述内锁条的长度相等。

所述内锁装置为安装于伸缩杆上端外侧的内锁环。

所述外锁装置位于伸缩杆下端的内侧，为多个外锁条，沿所述伸缩杆内壁的圆周方向均布；各外锁条相平行，且平行于所述伸缩杆的轴向中心线，各所述外锁条的长度相等。

所述外锁装置为安装于伸缩杆下端的外锁环，该外锁环的轴向截面呈中空倒置的“t”形，该“t”形的竖边位于所述伸缩杆下端内，横边位于伸缩杆下端端部的下方。

所述最内层一节的伸缩杆的下端通过端部连接件与水下观测模块相连，所述传输缆的另一端连接于该端部连接件上；所述最外层一节的伸缩杆的上端穿过浮标体、安装于水上支撑架上，该最外层一节的伸缩杆的外壁与浮标体之间设有避免所述水下伸缩模块在伸缩过程中晃动的填充物。

一种基于大型浮标的自由伸缩式海洋剖面观测方法，包括以下步骤：

1)数据采集控制模块通过读取浮标体实时采集的海洋环境参数及浮标体自身姿态参数得到当前海况；

2)当当前海况未超过三级海况时，数据采集控制模块判断当前为正常工作状态，控制自由伸缩装置下放水下伸缩模块，并根据实时海况控制水下观测模块的下放速度：当前海况为一级海况时，控制水下观测模块以速度v1下放和回收；当前海况为二级海况时，控制水下观测模块以速度v2下放和回收；当前海况为三级海况时，控制水下观测模块以速度v3下放和回收；其中，v1<v2<v3；

水下观测模块连续采集不同水深的剖面数据；数据采集控制模块将水下观测模块观测到的水下剖面数据经通信模块传回陆基站；陆基站的数据接收处理模块接收水下剖面数据并存储、显示；

3)当当前海况超过三级海况时，数据采集控制模块判断当前为危险状态，控制自由伸缩装置回收水下伸缩模块，使自由伸缩装置缩回至浮标设备井内。

所述数据采集控制模块控制自由伸缩装置下放水下伸缩模块包括以下步骤：

数据采集控制模块控制绞车启动，放松传输缆，在水下伸缩模块自身重力和水下观测模块自身重力的共同作用下，水下伸缩模块和水下观测模块随着绞车的转动下降；

当一节伸缩杆下降到设定程度后，该内锁装置则自动顶住下一节伸缩杆的外锁装置的顶端，使内层的伸缩杆不再下降。

所述控制伸缩动力装置回收水下伸缩模块包括以下步骤：

数据采集控制模块控制绞车启动，回收传输缆，从而带动水下观测模块和水下伸缩模块随着绞车的回收而上升；

外锁装置随着本节伸缩杆上升至顶住上一节伸缩杆的底部的外锁装置时，使上一节伸缩杆一起上升，实现回收。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明的自由伸缩装置能够自由、精确的控制水下观测模块采集各个水深层位，实现对剖面水体各个层位的有效观测。

2.本发明能够突破普通剖面观测动力来源不稳定的现状，客服复杂海洋环境因素的影响，通过机械动力方式对剖面水体进行观测。

3.本发明能够根据主浮标端获取的实时环境参数，实现智能判断控制剖面观测装置是否工作并控制其工作速度，从而实现观测装置在不同天气条件下采取不同观测方案的智能判断功能。

4.本发明由于自由伸缩式结构设计的优势，通过不停的伸缩运动有效避免了普通海洋观测作业中由于海生物附着导致观测设备卡死的现象。

5.本发明具备拓展性强的优势，维护人员的技术门槛低，在我国近海具有极强的技术推广性。

附图说明

图1为本自由伸缩装置伸长状态的结构示意图；

图2为本自由伸缩装置回收状态的结构示意图；

图3为图1中a处的局部放大图；

图4为图1中b处的局部放大图；

图5是本发明的整体结构伸长状态总体示意图；

图6是本发明的整体结构回收状态总体示意图；

图7是本发明的整套装置工作流程示意图；

图8是整套装置工作路线图；

其中，1为水上支撑架，2为水下伸缩模块，201为水密紧固螺栓，202为端部连接件，203为紧固螺栓，204为伸缩杆，205为内锁装置，206为外锁装置，3为绞车，4为传输缆，5为水下观测模块，6为浮标体、11为自由伸缩装置、13为数据采集控制模块、14为供电模块、15为通信模块、16为数据接收处理模块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图5～图8所示，一种基于大型浮标的自由伸缩式剖面观测装置包括自由伸缩装置11、水下观测模块5、数据采集控制模块13、供电模块14、通信模块15、数据接收处理模块16，其中自由伸缩装置11由水上支撑架1、水下伸缩模块2、绞车3、传输缆4组成。数据采集控制模块13设于浮标体内部。

本发明首次提出自由伸缩式海洋多参数剖面观测方式，其中自由伸缩装置11负责为水下剖面观测提供升降动作和动力来源，保证水下观测模块5按照预定程序稳定上升和下降，从而实现对剖面数据的获取；

水下观测模块5集成了多种要素传感器和姿态参数观测传感器，安装于水下伸缩模块2的最下端，通过自由伸缩装置11的升降运动带动其对水下不同水层位置进行多参数的数据获取；

供电模块14由蓄电池为整套系统供应电能，同时利用太阳能为蓄电池供电，保证了电能长期稳定的供应；

数据采集控制模块13负责数据的采集、处理、存储、传输功能，负责对整套装置的运行过程进行智能判断和控制，实现模块化、低功耗、高性能、高可靠的中枢控制功能。

本发明首次提出剖面观测装置的智能控制功能，数据采集控制模块13根据主浮标体自身实时采集的风、浪、流等海洋环境参数，进行智能分析判断，因风速、波高、流速以及浮标体自身的姿态参数均根据不同海况设定了不同的阈值，因此根据上述参数和阈值的比较得到当前海况的级数。如：当风速、波高、流速分别超过各自的三级阈值，并且浮标体自身的姿态参数也超过阈值时，则认为当前海况超过三级海况。

根据实时海况情况控制水下观测模块的下放速度：当前海况为一级海况时，控制水下观测模块5以速度v1下放和回收；当前海况为二级海况时，控制水下观测模块5以速度v2下放和回收；当前海况为三级海况时，控制水下观测模块5以速度v3下放和回收；其中，v1<v2<v3。

若当前海况超过三级海况，则判断当前为危险状态，对自由伸缩装置11发出指令，回收水下伸缩模块2，暂时进入休眠状态等待海况转好，保障整套伸缩装置的安全性。若当前海况未超过三级海况，则判断当前为正常工作状态，此时对自由伸缩装置11发出指令，正常下放水下伸缩模块2，采集水体的剖面观测数据。

通信模块15负责将水体剖面观测的数据发送至陆地的数据接收处理模块16；

数据接收处理模块16负责将接收到剖面数据进行显示、分析和存储，为科学研究和重大社会民生问题的解决提供可靠数据支撑。其中，剖面数据为不同水深的水文、水质等海洋数据，包括温度、盐度、溶解氧、浊度、叶绿素、ph等。

如图5～图8所示，本发明提供一种基于大型浮标的自由伸缩式剖面观测装置，包括：自由伸缩装置11、水下观测模块5、数据采集控制模块13、供电模块14、通信模块15、数据接收处理模块16，其中自由伸缩装置11由水上支撑架1、水下伸缩模块2、绞车3、传输缆4组成。

水上支撑架1保证水下伸缩模块2在海洋复杂环境下的安全性，以及在浮标体上搭建的稳固性；水下伸缩模块2则注重水下自由伸缩性、抗生物附着性，以及受海洋环境载荷影响的可靠性；绞车3考虑功耗和使用稳定性，同时绞车3的运动根据数据采集控制模块13的指令进行工作；传输缆4则既要提供拉力也要负责水下观测模块5与数据采集控制模块13的信号传输，是一款集受力、供电和通信多功能的线缆。

自由伸缩装置11安装于已有大型浮标设备井内，既可伸长也可缩短，从而在水深一定范围内实现精确达到水下各个观测层位。

水下观测模块5安装于水下伸缩模块2的最下端，随着水下伸缩模块2的运动而实现自身升降，从而实现对各个水深层位的实时观测。

水下观测模块5是扩展性很强的设备载体，可搭载剖面观测所需的各种仪器设备，实现对多项海洋环境参数同时进行观测，并且水下观测模块5中集成了压力传感器和姿态传感器，为观测数据的校正和数据采集控制模块13的智能判断提供数据支撑。

供电模块14是由太阳能板和蓄电池组合供电的方式，通过蓄电池为绞车3、水下观测模块5和数据采集控制模块13等整套装置提供能源，而太阳能板则可源源不断的为蓄电池补充能量，从而保证整套装置长期稳定运行所需的能量供应。

数据采集控制模块13不仅可以完成数据的采集、处理、存储、传输功能，还可以对装置的运行过程进行智能判断和控制，实现模块化、低功耗、高性能、高可靠的中枢控制功能。

数据采集控制模块13根据一定时序控制整套装置运行，通过读取主浮标体实时采集的风、浪、流等海洋环境参数并智能分析，判断是否超过三级海况，若当前海况超过三级海况，则数据采集控制模块13判断当前为危险状态，对自由伸缩装置11发出指令，回收水下伸缩模块2，保障整套伸缩装置的安全性。若当前海况未超过三级海况，则数据采集控制模块13判断当前为正常工作状态，对自由伸缩装置发出指令，正常下放水下伸缩模块2，同时，水下观测模块5连续采集获取剖面水体的各项观测参数。

通信模块15将整套装置观测到的水下剖面数据通过dtu(cdma或gprs)或“北斗”卫星的方式传回陆基站。

数据接收处理模块16接收到通信模块15传回的数据，通过相应软件对接收数据进行实时校验，对正确的数据进行实时解析和处理，并经过相应分析进行可视化展示，保证科学家可以在办公室实时查看处理海洋剖面观测数据。

如图1～4所示，自由伸缩装置11包括水上支撑架1、水下伸缩模块2、绞车3、传输缆4，其中水上支撑架1及绞车3分别安装在浮标体6上，绞车3与水上支撑架1相邻，水上支撑架1固定于浮标体6的设备井内，保证整套自由伸缩装置结构坚固，运行安全稳定。

水下伸缩模块2包括水密紧固螺栓201、端部连接件202、紧固螺栓203及多节伸缩杆204(本实施例为六节)，各伸缩杆204均为中空圆柱状，由内向外依次可相对伸缩地插接(即各伸缩杆204的直径由内向外逐渐变大)。利用浮标体6上已有设备井，最外层一节的伸缩杆204的上端穿过浮标体6上的设备井、安装在水上支撑架1上，该最外层一节的伸缩杆204的外壁与浮标体6的井壁之间设有填充物，可避免水下伸缩模块2在伸缩过程中发生晃动。最内层一节的伸缩杆204的下端可直接与水下观测模块5连接，也可通过端部连接件202与水下观测模块5相连；传输缆4的一端连接于绞车3上，另一端由各节伸缩杆204的内部穿过与水下观测载体5相连，或连接于端部连接件202。本实施例最内层一节的伸缩杆204的下端是通过端部连接件202与水下观测模块5连接的，端部连接件202通过紧固螺栓203与水下观测模块5连接，传输缆4的另一端通过水密紧固螺栓201与端部连接件202进行紧固，同时水密紧固螺栓201作为一个最主要的受力点，绞车3拉动传输缆4，带动水下伸缩模块2上升和下降，从而实现水下观测模块5对整个剖面水体的多参数观测。

最外层一节的伸缩杆204的下端设有外锁装置206，最内层一节的伸缩杆204的上端设有内锁装置205，中间各节的伸缩杆204的上端均设有内锁装置205、下端均设有外锁装置206，相邻两伸缩杆204中位于内层的伸缩杆204上端的内锁装置205在伸长时与位于外层的伸缩杆204下端的外锁装置205抵接，相邻两伸缩杆204中位于内层的伸缩杆204下端的外锁装置206在回收时与位于外层的伸缩杆204下端的外锁装置205抵接。

内锁装置205位于伸缩杆204上端的外侧，可为多个内锁条，沿伸缩杆204的圆周方向均布。各内锁条相平行，且平行于伸缩杆204的轴向中心线，各内锁条的长度相等。或者，内锁装置205可为安装于伸缩杆204上端外侧的内锁环。

外锁装置206位于伸缩杆204下端的内侧，为多个外锁条，沿伸缩杆204内壁的圆周方向均布。各外锁条相平行，且平行于伸缩杆204的轴向中心线，各外锁条的长度相等。或者，外锁装置206为安装于伸缩杆204下端的外锁环，该外锁环的轴向截面呈中空倒置的“t”形，该“t”形的竖边位于伸缩杆204下端内，横边位于伸缩杆204下端端部的下方。

当内锁装置205为内锁条而外锁装置206为外锁条时，内锁条和外锁条的数量相同、且一一上下对应。此种情况的水下伸缩模块2应使内锁装置205的外表面与上一节伸缩杆204内壁抵接，保证各伸缩杆204之间只能伸缩而不能相对转动。

水下伸缩模块2极大降低了海洋生物附着的风险，保障了整体自由伸缩装置运行的安全稳定性。传输缆4集承受拉力、供电、信号传输功能于一体，负责水下伸缩模块2的伸长和回收，还负责为水下观测模块5提供电能供应，同时将水下观测模块5观测到的海洋多参数剖面数据进行回传。水下观测模块5为现有技术，包括载体及安装在载体上进行水文、水质参数等观测的观测设备。

自由伸缩装置11的工作原理为：

当绞车3正转时，传输缆4收紧，水下伸缩模块2回收，整套自由伸缩装置处于回收状态；当绞车3反转时，传输缆4放松，水下伸缩模块2在水下观测模块5和自身重力的作用下伸长，实现对水体剖面的观测。具体为：

自由伸缩装置11的工作分为两个阶段的观测过程，下降阶段和上升阶段。

下降阶段：绞车3启动，放松传输缆4，由于传输缆4放松，在水下伸缩模块2自身重力和水下观测模块5自身重力的共同作用下，水下伸缩模块2和水下观测模块5随着绞车3的转动节奏缓慢下降。如图4所示，每节伸缩杆204都设有内锁装置205，用来卡住下一节的伸缩杆204。当一节伸缩杆204下降到设定程度后，该内锁装置205则自动顶住下一节伸缩杆204的外锁装置206的顶端，使内层的伸缩杆204不再下降。同时，在这个缓慢下降的过程中，水下观测模块5也根据自己的工作频率采集到了各个剖面层位的各项参数数据，经传输缆4将剖面数据上传至浮标体6内部的相应装置。

上升阶段：绞车3启动，收紧传输缆4，传输缆4收紧从而带动水下观测模块5和水下伸缩模块2随着绞车3的收紧而上升，回收状态如图2所示。其中每节伸缩杆204都设有外锁装置206，当水下伸缩模块2回收时，外锁装置206随着本节伸缩杆204上升至顶住上一节伸缩杆204的底部的外锁装置206时，使上一节伸缩杆204一起上升，从而达到总体回收的目的。同时，水下观测模块5连续采集到各个剖面层位的各项参数数据，经传输缆4将剖面数据上传至浮标体6内部并发回陆基站。