用于海洋环境观测的轻型深海ARGO浮标

用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标
技术领域
1.本实用新型涉及一种海洋观测调查用设备，具体说是一种用于海洋环境观测用的轻型深海argo浮标。


背景技术：

2.argo计划是一个国际性的海洋观测试验项目，自启动以来已有数千计argo浮标投入全球各个海域，构成了一个全球性的0～2000米深度海域实时观测网，在全球海洋水文要素观测、全球气候变化等领域发挥着举足轻重的作用。argo浮标其整体外形与鱼雷相似，可以在海洋中自由漂移，通过调节自身浮力大小来驱动整机实现水下升沉运动，通过搭载传感器，收集各种海洋信息，如海水温度、盐度、溶解氧以及海水中的叶绿素含量等信息，并可记录自身的漂移轨迹，获得海水的移动速度和方向。近年来，研究发现2000米以下的深海大洋，在整个海洋热含量和热比容导致的海平面上升方面具有举足轻重的地位，因此开展全球深海域水文观测意义重大。目前，国内外现有argo浮标工作深度大都在2000m，其它深海观测手段，如船舶温盐观测、深海潜标观测、深海水下滑翔机观测等，分别存在观测剖面稀疏、数据通讯及时性差、运行维护不便等各类问题，难以满足全球深海域长期、实时、组网式水文观测需求，深海水文数据观测实时性、经济性仍有待提高。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本实用新型目的在于提供一种用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标。
4.为了实现上述目的，本实用新型是通过以下技术方案来实现的：
5.本实用新型提供一种用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标，包括单舱段及依次设置于单舱段内的浮力调节装置、固定能量单元和电控单元，单舱段的艏部设有抛载防触底装置，单舱段的艉部设有海洋信息探测单元和天线；浮力调节装置通过调节载体体积大小，实现深海argo浮标的浮力调节，实现载体的水下升沉剖面运动。
6.所述单舱段包括主耐压舱体及密封连接在主耐压舱体两端的艏部球壳和艉部球壳，其中主耐压舱体为圆柱形结构；
7.所述浮力调节装置设置于艏部球壳上，所述电控单元设置于艉部球壳上。
8.所述浮力调节装置包括外油囊、油泵组件、电控通断阀、真空泵及内油囊，其中内油囊和外油囊分别设置于所述艏部球壳的内、外侧，且内油囊和外油囊之间通过进油管路和回油管路连通；
9.油泵组件、电控通断阀和真空泵均设置于内油囊的底部，油泵组件与进油管路连接，油泵组件用于将内油囊内的油液泵入外油囊内；真空泵用于对内油囊抽真空，实现内油囊的回油过程；进油管路和回油管路上均设有电控通断阀。
10.所述油泵组件包括相互连接的高压柱塞泵和直流电机，直流电机与所述电控单元连接。
11.所述内油囊上设有浮力电位计，浮力电位计用于反馈所述内油囊的浮力调节量。
12.所述主耐压舱体的材质采用碳纤维复合材料；所述艏部球壳和所述艉部球壳采用高强度铝合金材料。
13.所述艏部球壳和所述艉部球壳的外侧分别罩设有艏部导流罩和艉部导流罩。
14.所述艉部球壳的外侧设有沿径向延伸的阻尼盘，阻尼盘位于所述艉部导流罩的内侧。
15.所述抛载防触底装置包括触底铅块、钢丝绳及抛载驱动装置，其中抛载驱动装置设置于所述艏部球壳的外侧，且容置于所述艏部导流罩内，触底铅块通过钢丝绳与抛载驱动装置连接。
16.所述电控单元包括电控固定板及设置于所述电控固定板上的主控制板、无线电模块、gps模块及铱星模块。
17.本实用新型具有以下优点及有益效果：
18.1.本实用新型采用单舱段碳纤维耐压技术方案，具有结构简单、质量轻、抗压能力强的特点。
19.2.本实用新型采用对argo浮标核心执行单元浮力调节系统进行了耐高压结构优化和低功耗、轻量化设计，在实现轻量化的基础上实现了argo浮标在深海压力下的剖面观测能力和续航能力(200个6000米深度剖面)。
20.3.本实用新型采用抛载防触底装置，可以避免深海argo浮标误触海床，同时发生故障可以通过抛载，实现紧急上浮，防止设备丢失。
附图说明
21.图1为本实用新型一种用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标的等轴测剖视图；
22.图2为本实用新型一种用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标的主视图；
23.图3为本实用新型中浮力调节装置的结构示意图；
24.图4为本实用新型中抛载防触底装置的结构示意图；
25.其中：1、抛载防触底装置；2、艏部导流罩；3、艏部球壳；4、浮力调节装置；5、固定能量单元；6、主耐压舱体；7、阻尼环；8、电控单元；9、艉部球壳；10、艉部导流罩；11、海洋信息探测单元；12、天线；13、外油囊；14、高压柱塞泵；15、直流电机；16、电控通断阀；17、浮力电位计；18、真空泵；19、内油囊；20、触底铅块；21、钢丝绳；22、抛载驱动装置。
具体实施方式
26.为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。
27.如图1-2所示，本实用新型提供一种用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标，包括单舱段及依次设置于单舱段内的浮力调节装置4、固定能量单元5和电控单元8，单舱段的艏部设有抛载防触底装置1，单舱段的艉部设有海洋信息探测单元11和天线12，浮力调节装置4通过调节载体体积大小实现深海argo浮标的浮力调节，实现载体的水下升沉剖面运动。
28.本实用新型的实施例中，单舱段包括主耐压舱体6及密封连接在主耐压舱体6两端的艏部球壳3和艉部球壳9，其中主耐压舱体6为圆柱形结构；浮力调节装置4设置于艏部球
壳3上，电控单元8设置于艉部球壳9上。
29.如图3所示，本实用新型的实施例中，浮力调节装置4包括外油囊13、油泵组件、电控通断阀16、真空泵18及内油囊19，其中内油囊19和外油囊13分别设置于艏部球壳3的内、外侧，且内油囊19和外油囊13之间通过进油管路和回油管路连通；油泵组件、电控通断阀16和真空泵18均设置于内油囊19的底部，油泵组件与进油管路连接，油泵组件用于将内油囊19内的油液泵入外油囊13内；真空泵18用于对内油囊19抽真空，实现内油囊19的回油过程。进油管路和回油管路上均设有电控通断阀16，电控通断阀16用于控制进油管路和回油管路的通断。
30.具体地，油泵组件包括相互连接的高压柱塞泵14和直流电机15，直流电机15与电控单元8连接。
31.进一步地，内油囊19上设有浮力电位计17，浮力电位计17用于反馈内油囊19的浮力调节量。
32.本实用新型的实施例中，主耐压舱体6的材质采用碳纤维复合材料，具有重量轻强度高的特点；艏部球壳3和艉部球壳9采用高强度铝合金材料。
33.进一步地，艏部球壳3和艉部球壳9的外侧分别罩设有艏部导流罩2和艉部导流罩10。艉部球壳9的外侧设有沿径向延伸的阻尼盘7，阻尼盘7位于艉部导流罩10的内侧。阻尼盘7增加浮标升沉运动稳定性，减少因不规则洋流造成浮标位姿变化。
34.本实用新型的实施例中，浮力调节装置4采用紧凑化的设计方案，以艏部球壳3为依托，浮力调节装置4的所有元器件均安装在艏部球壳3上。泵油过程是：开启进油管路上的电控通断阀16，直流电机15带动高压柱塞泵14将内油囊19中的油液泵向外油囊13内；停止泵油：关闭直流电机15，通过电控通断阀16切断进油管路；回油过程是：打开回油管路上的电控通断阀16，采用真空泵18在内油囊产生负压，油液在内外压差力作用下流回内油囊19内，浮力调节量通过浮力电位计17进行反馈控制。
35.如图4所示，本实用新型的实施例中，抛载防触底装置1包括触底铅块20、钢丝绳21及抛载驱动装置22，其中抛载驱动装置22设置于艏部球壳3的外侧，且容置于艏部导流罩2内，触底铅块20通过钢丝绳21与抛载驱动装置22连接。深海argo浮标接近海床时，触底铅块20首先与海床接触，从而使载体浮力大于重力，下沉停止。当argo浮标发生故障，在水下无法上升，通过预先编写在电控单元8内的控制程序，抛弃触底铅块20和钢丝绳21，实现紧急上浮，防止设备丢失。本实施例中，抛载驱动装置22为现有技术，在此不再赘述。
36.本实用新型的实施例中，海洋信息探测单元11包括温、盐、深探测传感器。电控单元8包括电控固定板及设置于电控固定板上的主控制板、无线电模块、gps模块及铱星模块，主控制板控制通过预编程的方式控制各执行机构的动作并采集argo浮标在作业过程中各项数据，无线电模块、gps、铱星模块用于载体的定位通讯，主控制板及各模块固定在一块塑料材质的电控固定板上，形成一个整体，并通过螺钉固定于载体上。主控制板控制载体的浮力调节装置4，实现深海argo浮标的升沉剖面运动。天线12包括两段刚性段，分别是：容纳gps天线、铱星天线的刚性透波通信段和与载体相连接的中空耐压连接杆，刚性透波通信段位于顶部，为peek高强度刚性段；中空耐压连接杆位于下端，为铝合金刚性段，用于与载体进行密封连接。
37.本实用新型提供一种用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标，采用单舱段结构设
计方案，结构坚实紧凑，降低了整体重量和系统设计的复杂性。整机仅一个密封舱段，圆柱形结构的主耐压舱体6采用碳纤维复合材料，碳纤维复合材料具有比强度高，比刚度大的特点，在保证强度和稳定性前提下，可以最大程度为载体提供浮力。艏部球壳3和艉部球壳9由于需要进行开口处理，采用高强度铝合金材料。浮力调节装置4、固定能量单元5、电控单元8均安装于主密封舱段中，密封舱段采用o型圈密封，可以满足最大工作深度6000米的技术要求。固定能量单元5为深海argo浮标提供能源，供电电压为12v。浮力调节装置4采用紧凑化的设计方案，以艏部球壳3为依托，所有元器件均安装在艏部球壳3上，直流电机15带动高压柱塞泵14将内油囊19中的液压油充入外油囊13内，使得载体体积变大浮力增加；回油过程采用真空泵18在内油囊19内产生负压，同时打开电控通断阀16，外油囊13的液压油在大气压的作用下流回内油囊19内，进行低功耗回油，有效减小液压系统功耗。浮力电位计17可以时刻监控内油囊19内液压油容量，检测载体浮力的改变量。浮标下潜过程中接近海床时，触底铅块20首先与海床接触，避免浮标触底。浮标发生故障，在水下无法上升，抛载驱动装置22工作，抛弃触底铅块20和钢丝绳21，兼顾防触底和紧急上浮功能。
38.本实用新型的工作过程是：
39.本实用新型中的用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标，利用科考船进行大量部署，当航行至指定布放区域，将轻型深海argo浮标投放入水，入水后载体与岸基通讯并接受指定任务开始作业。首先，浮力调节装置4开始工作，减小轻型深海argo浮标自身浮力，此时argo浮标开始下潜，当下潜至指定深度时(比如3000米)，此时浮力调节装置4停止减小浮力，argo浮标再此深度停留若干天，进行水平剖面水文测量。随后浮力调节装置4继续减小浮力，argo浮标继续下潜，直至6000米深度，随后浮力调节装置4开始增大浮力，浮标上浮，并进行垂直剖面水文测量。当浮标到达海面后，会在海面漂浮足够长的时间，以便向argos系统或铱星系统传输采集的数据。随后，浮标再次下潜到漂移深度，开始下一个循环水文数据采集，直至电量耗尽，浮标沉入海底。
40.本实用新型采用单舱段碳纤维耐压技术方案，总体布局坚实紧凑；轻质耐压低功耗浮力系统最大程度实现了argo浮标在深海压力下的剖面观测能力和续航能力；采用抛载防触底装置，同时具备避免误触海床和故障紧急上浮功能，最大限度保障设备安全。本实用新型重量仅50公斤，可以实现6000米深海剖面观测，有效剖面数不小于200个，未来可用于全球深海域长效实时观测。
41.以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本实用新型的保护范围内。

技术特征：
1.一种用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标，其特征在于，包括单舱段及依次设置于单舱段内的浮力调节装置(4)、固定能量单元(5)和电控单元(8)，单舱段的艏部设有抛载防触底装置(1)，单舱段的艉部设有海洋信息探测单元(11)和天线(12)；浮力调节装置(4)通过调节载体体积大小，实现深海argo浮标的浮力调节，实现载体的水下升沉剖面运动。2.根据权利要求1所述的用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标，其特征在于，所述单舱段包括主耐压舱体(6)及密封连接在主耐压舱体(6)两端的艏部球壳(3)和艉部球壳(9)，其中主耐压舱体(6)为圆柱形结构；所述浮力调节装置(4)设置于艏部球壳(3)上，所述电控单元(8)设置于艉部球壳(9)上。3.根据权利要求2所述的用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标，其特征在于，所述浮力调节装置(4)包括外油囊(13)、油泵组件、电控通断阀(16)、真空泵(18)及内油囊(19)，其中内油囊(19)和外油囊(13)分别设置于所述艏部球壳(3)的内、外侧，且内油囊(19)和外油囊(13)之间通过进油管路和回油管路连通；油泵组件、电控通断阀(16)和真空泵(18)均设置于内油囊(19)的底部，油泵组件与进油管路连接，油泵组件用于将内油囊(19)内的油液泵入外油囊(13)内；真空泵(18)用于对内油囊(19)抽真空，实现内油囊(19)的回油过程；进油管路和回油管路上均设有电控通断阀(16)。4.根据权利要求3所述的用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标，其特征在于，所述油泵组件包括相互连接的高压柱塞泵(14)和直流电机(15)，直流电机(15)与所述电控单元(8)连接。5.根据权利要求3所述的用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标，其特征在于，所述内油囊(19)上设有浮力电位计(17)，浮力电位计(17)用于反馈所述内油囊(19)的浮力调节量。6.根据权利要求2所述的用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标，其特征在于，所述主耐压舱体(6)的材质采用碳纤维复合材料；所述艏部球壳(3)和所述艉部球壳(9)采用高强度铝合金材料。7.根据权利要求2所述的用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标，其特征在于，所述艏部球壳(3)和所述艉部球壳(9)的外侧分别罩设有艏部导流罩(2)和艉部导流罩(10)。8.根据权利要求7所述的用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标，其特征在于，所述艉部球壳(9)的外侧设有沿径向延伸的阻尼盘(7)，阻尼盘(7)位于所述艉部导流罩(10)的内侧。9.根据权利要求7所述的用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标，其特征在于，所述抛载防触底装置(1)包括触底铅块(20)、钢丝绳(21)及抛载驱动装置(22)，其中抛载驱动装置(22)设置于所述艏部球壳(3)的外侧，且容置于所述艏部导流罩(2)内，触底铅块(20)通过钢丝绳(21)与抛载驱动装置(22)连接。10.根据权利要求1所述的用于海洋环境观测的轻型深海argo浮标，其特征在于，所述电控单元(8)包括电控固定板及设置于所述电控固定板上的主控制板、无线电模块、gps模块及铱星模块。

技术总结
本实用新型涉及一种海洋观测调查用设备，具体说是一种用于海洋环境观测用的轻型深海ARGO浮标。包括单舱段及依次设置于单舱段内的浮力调节装置、固定能量单元和电控单元，单舱段的艏部设有抛载防触底装置，单舱段的艉部设有海洋信息探测单元和天线。单舱段包括主耐压舱体及密封连接在主耐压舱体两端的艏部球壳和艉部球壳，其中主耐压舱体为圆筒形结构；浮力调节装置设置于艏部球壳上，电控单元设置于艉部球壳上。本实用新型总体布局坚实紧凑，采用轻质、耐压、低功耗浮力系统最大程度实现了ARGO浮标在深海压力下的剖面观测能力和续航能力；采用抛载防触底装置，同时具备避免误触海床和故障紧急上浮功能，最大限度保障设备安全。全。全。


技术研发人员：谭智铎 金文明 任楷 王瑾 张煜东
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：2023.01.09
技术公布日：2023/6/7