著录项信息
专利名称 | 基于贯入式探针的深海多要素综合观测系统 |
申请号 | CN201110155700.4 | 申请日期 | 2011-06-10 |
法律状态 | 授权 | 申报国家 | 中国 |
公开/公告日 | 2012-01-25 | 公开/公告号 | CN102331275A |
优先权 | 暂无 | 优先权号 | 暂无 |
主分类号 | G01D21/02 | IPC分类号 | G;0;1;D;2;1;/;0;2查看分类表>
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申请人 | 中国海洋大学 | 申请人地址 | 山东省青岛市崂山区松岭路238号
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权利人 | 中国海洋大学 | 当前权利人 | 中国海洋大学 |
发明人 | 单红仙;郑杰文;刘晓磊;杨忠年;贾永刚 |
代理机构 | 青岛海昊知识产权事务所有限公司 | 代理人 | 张中南 |
摘要
基于贯入式探针的深海多要素综合观测系统,包括上位机,和上下两端分别经由液压分离释放器与布放装置和探杆连接的数据回收仓;布放装置内含小型打桩机,并设有水下探照灯、水下摄像机和水声通讯收发器;数据回收仓顶部设有浮体,内部含有中央控制器,外侧面设有水声换能器;探杆外表面设有与中央控制器相连的10个以上环形电极和2个以上孔隙水压力传感器。本发明结构简单,工作可靠、控制准确、可搭载多种传感器,能够适应深海高压环境,可对水深2000m以上的海水-沉积物界面附近10m深度范围的海水与沉积物状态及变化进行同步自动观测记录,包括海底面下6~7m沉积物状态、海底面上3~4m底层海水状况、及海底面位置的动态变化。
1.基于贯入式探针的深海多要素综合观测系统,包括水面以上的上位机(1),和水面以下的探杆(4),其特征在于还包括设置在所述探杆(4)上端的数据回收仓(3),和设置在该数据回收仓(3)上端的布放装置(2);
所述的布放装置(2)包括顶端设有吊环(5)的第一耐压壳体(7),第一耐压壳体内部设有由打桩控制器(6)控制的小型液压打桩机(8),第一耐压壳体(7)外设有水下探照灯(10)、水下摄像机(27)和水声通讯收发器(28),并且底部经由液压分离释放器(14)与数据回收仓(3)连接;
所述的数据回收仓(3)包括顶部设有浮体(26)的第二耐压壳体(22),该第二耐压壳体(22)内部设有中央控制器(13),第二耐压壳体(22)的外侧面设有与中央控制器(13)相连的水声换能器(12),第二耐压壳体(22)的下部经由液压分离释放器(14)与探杆(4)的顶端相连接,且该数据回收仓(3)经由水下连接器(15)与探杆(4)进行电路连接;
所述的探杆(4)外表面设有等间距的10个以上环形电极(19)和2个以上孔隙水压力传感器(20),所有的环形电极(19)和孔隙水压力传感器(20)经由探杆(4)内部的系统串行总线(17)与水下连接器(15)相连,而后与数据回收仓(3)内的中央控制器(13)相连。
2.如权利要求1所述的观测系统,其特征在于上述数据回收仓(3)外还设有浊度传感器(23)、温度传感器(24)、姿态传感器(25)和海流计(27),且均通过系统串行总线(17)与中央控制器(13)相连。
3.如权利要求1所述的观测系统,其特征在于上述数据回收仓(3)内部采用环氧树脂密封而固定内部中央控制器(13)与系统串行总线(17)。
4.如权利要求1所述的观测系统,其特征在于上述探杆(4)是底部带有锥头(21)的尼龙管,且该锥头(21)是以碳化钽,或碳化铪,或碳化钛制成。
5.如权利要求1所述的观测系统,其特征在于上述探杆(4)上部对称的设有配重块(16)。
6.如权利要求1、4或5所述的观测系统,其特征在于上述探杆(4)内部用环氧树脂灌封。
7.如权利要求2所述的观测系统,其特征在于上述中央控制器(13)包括分别连接有电源管理模块(38)、数据存储模块(47)、实时时钟(39)、声学MODEM(37)和系统串行总线(17)的单片机(40);单片机(40)通过系统串行总线(17)与各个传感器内的传感控制单元相连,而控制和采集各个传感器的数据。
8.如权利要求7所述的观测系统,其特征在于上述传感器内的传感控制单元包括温度测量单元(43)、浊度测量单元(44)、海流测量单元(45)、姿态测量单元(46)、与探杆(4)上的环形电极(19)数量相对应的电阻率测量单元(41),以及与探杆(4)上的孔隙水压力传感器(20)数量相等的孔隙水压力测量单元(42)。
9.如权利要求7所述的观测系统,其特征在于上述各个孔隙水压力传感器(20)输出的信号通过矩阵开关(48)与系统串行总线(17)输入单片机(40)。
10.如权利要求8所述的观测系统,其特征在于上述电阻率测量单元(41)上的各个环形电极(19)输出的模拟信号通过矩阵模拟开关(49)输入到信号调理模块(50),调理信号通过系统串行总线(17)输入到单片机(40)。
基于贯入式探针的深海多要素综合观测系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种基于贯入式探针的深海多要素综合观测系统,用于深海海水与沉积物相互作用带的动态变化过程的观测,属于海洋观测技术领域。\n背景技术\n[0002] 深海海底现代过程原位长期、连续、定点观测,是海洋科学向深海进军的重要手段,特别是深海海水与沉积物相互作用带动态变化过程的观测,对于揭示深海动力作用下现代沉积物发生的动态响应过程、深入认识深海沉积充填演化史具有重要作用。目前,国际上对于深海海底现场原位长期观测的方法,一类是座底式三脚架,其上固定测试传感器,另一类是贯入式海底探针(杆),贯入海底下一定深度沉积物中,探针(杆)中安装传感器。三脚架观测系统只能进行沉积物界面以上海水水文条件及悬浮泥沙特征的观测;贯入式海底探针(杆)则更侧重于测量底床沉积物界面侵蚀淤积过程的变化,另外,海底电阻率观测探杆,是很有应用前景的观测手段,目前已建立了良好的电阻率值与海水悬沙浓度、海水—沉积物界面及沉积物物理力学性质之间的关系,对于现场掌握海底悬沙浓度、海水—沉积物界面及沉积物状态及变化具有重要作用。但是已有的探针(杆)观测手段均限制于近海水深,且多侧重于单一环境要素的观测。目前尚未有一种能够用于深海的可以观测多种环境要素的观测系统。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的在于提供一种基于贯入式探针的深海多要素综合观测系统,以克服现有技术的不足。\n[0004] 本发明能够适应深海2000m水深的高压环境,可以实现深海海水-沉积物界面上下10m深度范围的海水与沉积物状态与变化的同步自动观测记录,观测内容包括海底面下\n6~7m沉积物状态,即沉积物物理力学性质、沉积物超孔隙水压力累积与消散过程,海底面上\n3~4m底层海水状况,即海水压力、底层流流速、海水浊度、海水悬浮泥沙浓度,及海底面位置的动态变化,即海底面侵蚀与淤积速率。\n[0005] 基于贯入式探针的深海多要素综合观测系统,包括水面以上的上位机,和水面以下的探杆,其特征在于还包括设置在所述探杆上端的数据回收仓,和设置在该数据回收仓上端的布放装置;所述的布放装置包括顶端设有吊环的耐压壳体,耐压壳体内部设有由打桩控制器控制的小型液压打桩机,耐压壳体外设有水下探照灯、水下摄像机和水声通讯收发器,并且底部经由液压分离释放器与数据回收仓连接;所述的数据回收仓包括顶部设有浮体的耐压壳体,该耐压壳体内部设有的中央控制器,外侧面设有与中央控制器相连的水声换能器,下部经由液压分离释放器与探杆的顶端相连接,且该数据回收仓经由水下连接器与探杆进行电路连接;而布放装置与数据回收仓及探杆无需电路连接;所述的探杆外表面设有等间距的10个以上环形电极和2个以上孔隙水压力传感器,所有的环形电极和孔隙水压力传感器经由探杆内部的串行总线与水下连接器相连,而后与数据回收仓内的中央控制器相连。\n[0006] 由于设置在探杆上端的数据回收仓无需插入海底,故数据回收仓外可以搭载可测量多种海洋参数的传感器,如数据回收仓还可设有浊度传感器、温度传感器、姿态传感器和海流计,且均通过串行总线与中央控制器相连。\n[0007] 考虑到水密性与绝缘效果,上述数据回收仓内部采用环氧树脂密封而固定内部中央控制器与系统串行总线。\n[0008] 上述探杆是底部带有锥头的尼龙管,且该锥头是以碳化钽,或碳化铪,或碳化钛制成。\n[0009] 为了与浮体相配合,增加投放稳定性与贯入海底的效果,上述探杆上部对称的设有配重块,可保持仪器在水下的姿态。\n[0010] 考虑到水密性与绝缘效果,上述探杆内部用环氧树脂灌封。\n[0011] 上述布放装置还可设置保护框架,而将水下探照灯和水下摄像机安放在保护框架内。上述数据回收舱也可设置保护框架,而将数据回收仓上部的浮体26与海流计安放在保护框架内。\n[0012] 上述数据回收仓的中央控制器包括分别连接有电源管理模块、数据存储模块、实时时钟、声学MODEM 和系统串行总线的单片机;单片机通过系统串行总线与各个传感器内的传感控制单元相连,而控制和采集各个传感器的数据。\n[0013] 所述的声学MODEM 用于与上位机进行通讯,由单片机控制电源管理模块向各个传感器组供电。\n[0014] 上述传感器内的传感控制单元包括温度测量单元、浊度测量单元、海流测量单元、姿态测量单元、与探杆上的环形电极数量相对应的电阻率测量单元,以及与探杆上的孔隙水压力传感器数量相等的孔隙水压力测量单元。\n[0015] 上述各个孔隙水压力传感器输出的信号通过矩阵开关与系统串行总线输入单片机。\n[0016] 上述电阻率测量单元上的各个环形电极输出的模拟信号通过矩阵模拟开关输入到信号调理模块,调理信号通过系统串行总输入到单片机。模拟信号的数字化由单片机自带的模数转化器完成,分辨率为12Bits,有3个量级的动态范围,根据测得的电阻率值,选用适合于观测区域沉积物类型的界面判定模型及反演函数即可得到海水—沉积物界面、海水悬浮泥沙浓度及海底沉积物状态参数及变化。\n[0017] 所述的上位机用于与数据回收仓及布放装置进行数据通讯以及数据分析;包括分别连接有对外接口、电源管理模块、数据存储模块、实时时钟和声学MODEM的单片机。上位机可以采用16Bit单片机,9600波特率声学MODEM,数据存储模块采用16GBytes MicroSD卡,实时时钟采用高精度实时时钟芯片,对外接口采用RS232、RS422/485、USB与无线方式。\n[0018] 本发明结构简单,工作可靠、控制准确、可搭载多种传感器,能够适应深海2000m水深高压环境。可对水深2000m以上的海水-沉积物界面附近10m深度范围的海水与沉积物状态及变化进行同步自动观测记录,包括海底面下6~7m沉积物状态、海底面上3~4m底层海水状况、及海底面位置的动态变化。\n[0019] 本发明的布放模块带有水下摄像系统及小型液压打桩机,不仅可以上传仪器姿态、深度信息,使布放过程中系统的运行状况及时被掌控,还可以有效降低仪器贯入到沉积物内预定深度的难度并提高贯入速度,同时可以避免布放不成功仪器的丢失及损坏。数据回收仓顶部设置浮体材料,与探杆配重相配合,可以有效保持仪器在水下的姿态;另外,在设定的观测时间结束后,数据回收仓可与探杆分离,在水中自然上浮至水面,报告自身GPS定位信息,有利于观测数据回收。探杆环状电极结构及测量单元,兼顾了高测量效率与低能耗两方面的考虑,另外,密封材料的选择使其能够适用于长时间的深海观测。电子学系统的设计既兼顾了低功耗和系统的简洁性,又保证了足够的性能,并且系统通信方式简单、高效、稳定性高。水下装置的电子系统采用系统串行总线,可以大大减少电缆的用量和系统复杂程度,也降低机械、防水设计难度,增加系统安全性。\n附图说明\n[0020] 图1是本发明的总体结构示意图。\n[0021] 图2是本发明的探杆与数据回收仓的分解结构示意图。\n[0022] 图3是本发明的数据回收仓与布放装置的分解结构示意图。\n[0023] 图4是本发明的上位机的结构示意图。\n[0024] 图5是本发明的中央控制器的结构示意图。\n[0025] 图6是本发明的孔隙水压力传感器单元结构示意图。\n[0026] 图7是本发明的电阻率传感器单元结构示意图。\n[0027] 其中,1、上位机,2、布放装置,3、数据回收仓,4、探杆,5、吊环,6、打桩控制器,7、耐压壳体,8、小型液压打桩机,9、保护框架,10、水下探照灯,11、保护框架,12、水声换能器,\n13、中央控制器,14、液压分离释放器,15、水下连接器,16、配重,17、系统串行总线,18、尼龙管,19、环形电极,20、孔隙水压力传感器,21、锥头,22、耐压壳体,23、浊度传感器,24、温度传感器,25、姿态传感器,26、浮体材料,27、海流计,28、水下摄像机,29、水声通讯收发器,\n30、单片机,31、对外接口,32、电源管理,33、数据存储,34、实时时钟,35、声学MODEM, 36、声学MODEM,37、电源管理模块,38、实时时钟,39、单片机,40、电阻率测量单元,41、孔隙水压力测量单元,42、温度测量单元,43、浊度测量单元,44、海流测量单元,45、姿态测量单元,46、数据存储模块,47、矩阵开关,48、矩阵模拟开关,49、信号调理模块。\n具体实施方式\n[0028] 如图1~3所示,基于贯入式探针的深海多要素综合观测系统,包括水面以上的上位机1,和水面以下的探杆4,其特征在于还包括设置在所述探杆4上端的数据回收仓3,和设置在该数据回收仓3上端的布放装置2;所述的布放装置2包括顶端设有吊环5的耐压壳体7,耐压壳体内部设有由打桩控制器6控制的小型液压打桩机8,耐压壳体7外设有水下探照灯10、水下摄像机28和水声通讯收发器29,并且底部经由液压分离释放器14与数据回收仓3连接;所述的数据回收仓3包括顶部设有浮体26的耐压壳体22,该耐压壳体22内部设有的中央控制器13,外侧面设有与中央控制器13相连的水声换能器12,下部经由液压分离释放器14与探杆4的顶端相连接,且该数据回收仓3经由水下连接器15与探杆4进行电路连接;而布放装置2与数据回收仓3及探杆4无需电路连接;所述的探杆4外表面设有等间距的10个以上环形电极19和2个以上孔隙水压力传感器20,所有的环形电极19和孔隙水压力传感器20经由探杆4内部的串行总线17与水下连接器15相连,而后与数据回收仓3内的中央控制器13相连。\n[0029] 由于设置在探杆4上端的数据回收仓3无需插入海底,故数据回收仓3外可以搭载可测量多种海洋参数的传感器,如数据回收仓3还可设有浊度传感器23、温度传感器24、姿态传感器25和海流计27,且均通过串行总线17与中央控制器13相连。\n[0030] 考虑到水密性与绝缘效果,上述数据回收仓3内部采用环氧树脂密封而固定内部中央控制器13与系统串行总线17。\n[0031] 上述探杆4是底部带有锥头21的尼龙管,且该锥头21是以碳化钽,或碳化铪,或碳化钛制成。\n[0032] 如图1~3所示,为了与浮体26相配合,增加投放稳定性与贯入海底的效果,上述探杆4上部对称的设有配重块16,可保持仪器在水下的姿态。\n[0033] 考虑到水密性与绝缘效果,上述探杆4内部用环氧树脂灌封。\n[0034] 如图1~3所示,上述布放装置2还可设置保护框架9,而将水下探照灯10和水下摄像机28安放在保护框架9内;上述数据回收舱3也可设置保护框架11,而将数据回收仓\n3上部的浮体26与海流计27安放在保护框架11内。\n[0035] 如图4所示,所述的上位机1用于与数据回收仓3及布放装置2进行数据通讯以及数据分析;包括分别连接有对外接口31、电源管理模块32、数据存储模块33、实时时钟34和声学MODEM 35的单片机30。上位机1可以采用16Bit单片机,既兼顾了低功耗和系统的简洁性,又保证了足够的性能;声学MODEM 35采用9600波特率的商业化产品,进行数据回收仓3及布放装置2与上位机1的通信,并满足观测系统在水下2000m每天通信一次的要求;数据存储模块采用16GBytes MicroSD卡,一方面有足够的容量,另一方面标准的存储器兼容性好;实时时钟34为上位机系统电路提供时标,以与观测系统水下装置电子学系统时标同步,保持整个系统的一致性,采用高精度实时时钟芯片,年误差在10s以内;对外接口采用RS232、RS422/485、USB与无线方式;电源管理模块32为上位机系统电路提供稳定的直流电源。为满足低功耗要求,在单片机30的控制下,声学MODEM 35、数据存储模块33只有在需要工作时才供电。\n[0036] 如图5所示,上述数据回收仓3的中央控制器13负责传感器数据的采集,包括分别连接有电源管理模块37、数据存储模块46、实时时钟38、声学MODEM 36和系统串行总线\n17的单片机39;单片机39通过系统串行总线17与各个传感器内的传感控制单元相连,而控制和采集各个传感器的数据,为保证整个系统的统一,所述单片机39、声学MODEM 36、电源管理模块37、实时时钟38和数据存储模块46与上位机电子学系统中一致。\n[0037] 中央控制器13通过声学MODEM 36与上位机1电子学系统通讯,采用主从式通信,上位机1为主机,中央控制器13为从机,主机发起通信请求,从机进行应答,主机和从机采用相同的时标,按照预先设定,每天在规定的时间通信,这样除了信号采集时段,在其他时段,中央控制器13中的单片机39通过电源管理模块37关闭供电,满足自容式仪器功低耗设计要求。串行总线17控制和采集各传感器的数据,各个传感器单元按照统一标准的智能化单元设计,挂在系统串行总线17上,每个传感器单元分配一个地址,系统设计中,预留充足的地址资源,以满足传感器单元冗余设计需求。单片机39与各个传感器单元通信时,采用“问答”方式进行,即单片机39以地址激活要访问的传感器单元,发出访问指令,传感器单元回复相应的数据。\n[0038] 如图5所示,上述传感器内的传感控制单元包括温度测量单元42、浊度测量单元\n43、海流测量单元44、姿态测量单元45、与探杆4上的环形电极19数量相对应的电阻率测量单元40,以及与探杆4上的孔隙水压力传感器20数量相等的孔隙水压力测量单元41。\n[0039] 如图6所示,上述各个孔隙水压力传感器20输出的信号通过矩阵开关47与系统串行总线17输入单片机39。孔隙水压力传感器20选用商业化的深海压力传感器,测量沉积物中孔隙水压力和海底面附近海水压力,深海压力传感器内部自带温度传感器,输出为经过温度修正的压力值,单片机39通过系统串行总线17与矩阵开关47选择要访问的孔隙水压力传感器20,读取相应的数据。\n[0040] 如图7所示,上述电阻率测量单元40上的各个环形电极19输出的模拟信号通过矩阵模拟开关48输入到信号调理模块49,调理信号通过系统串行总17输入到单片机39。\n电极环状结构可有效增加测量分辨率,提高测量精度。\n[0041] 环形电极19的输出信号为模拟信号,通过精密的矩阵模拟开关48输入到信号调理模块49,由于各个环形电极19公用相同的后续处理电路,因此测量数据一致性好。信号调理模块49将信号进行放大、滤波,并调整输出电阻,以与后续电路阻抗匹配。模拟信号的数字化由单片机39自带的 分辨率为12Bits,有3个量级动态范围的AD(模数转化器)完成,环形电极19的排列和电阻率测量按照Wenner方式;根据测得的电阻率值,选用适合于观测区域沉积物类型的界面判定模型及反演函数即可得到海水—沉积物界面、海水悬浮泥沙浓度及海底沉积物状态参数及变化。\n[0042] 本发明的工作过程如下,通过绞盘与电缆从科考船上吊放入海,或通过CTD布放设备布放入海(绞盘、电缆与CTD布放设备属于科考船自带工具),到达深海海床底面后,利用仪器自重和配重的作用使仪器在保持姿态的前提下以一定的速度贯入海底沉积物中,若贯入未达到预定深度,起动小型液压打桩机运作,使探杆贯入至海底预定深度,水下摄像机通过观测水下装置姿态,并上传信息到上位机系统,确保正常工作后,布放模块分离吊起,若布放姿态不符合要求,实施例可利用科考船上绞车或CTD布放设备提起后,重新布放。\n[0043] 水下装置贯入至海底预定深度,通讯测试确保正常工作后,布放模块分离吊起,数据仓与探杆按照预先设定的时间间隔采集存储数据,数据回收仓3与探杆4使用水下连接器15进行电路连接,在观测时为探杆4提供电源,并发出测量指令。\n[0044] 观测结束,数据回收仓3收到水声信号,耐压壳体22下部与探杆4的连接部分安装有液压分离释放器14,可在接收到上位机1系统“返回”命令后将数据回收仓3与下部探杆4分离,数据回收仓3密度小于水体,可在水中自然上浮,上浮过程中,固定于耐压壳体22上部的水声换能器12仍可工作,可实时报告自身所处位置的信息,也可在数据回收仓3设置GPS模块来报告定位信息,以便回收,探杆4则弃置海底。\n实施例\n[0045] 为了充分利用现有的设备,降低制造成本和使用成本,本发明采用了使各个部件能够利用商业化市售产品的设计形式。其中,实现测量各种深海参数的传感器,如浊度传感器23、温度传感器24、姿态传感器25、海流计27以及孔隙水压力传感器20均为商业化传感器;用于布放和通讯的部件,如水下探照灯10、水声换能器12、水下连接器15、水下摄像机\n28与水声通讯收发器29均为商业化的市售产品;用于实现回收功能的液压分离释放器14是通过现有技术实现液压分离功能,也可直接采用市售的液压分离释放装置。\n[0046] 布放装置2内部设置的小型液压打桩机8,也可采用现有技术,如圆柱形结构、由电力驱动的小型液压打桩机,通过打桩控制器6改变液流方向,实现冲程与回程动作,使打桩机发挥打桩功能;如被发明所选的小型液压打桩机8的工作参数为:冲程时间为0.33s, \n2\n回程时间为0.67s,回程最大速度为3.94m/s,冲程加速度为242.4m/s。\n[0047] 探杆3总长10.6m、直径为12cm,锥头长30cm, 布设环形电极19的尼龙管长10m,其上均匀设置500个环形电极19,间距为2cm,分辨率为1cm;环形电极19宜采用铜电极环,如海军铜;在探杆下部7m埋入海底面以下的部分,均匀布设10个孔隙水压力传感器20,间距为0.7m。
法律信息
- 2013-03-20
- 2012-03-14
实质审查的生效
IPC(主分类): G01D 21/02
专利申请号: 201110155700.4
申请日: 2011.06.10
- 2012-01-25
引用专利(该专利引用了哪些专利)
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