本發(fā)明涉及海洋技術(shù)工程領(lǐng)域，尤其是一種用于基于光伏發(fā)電的剖面觀測與水下接駁系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，開發(fā)、利用海洋的前提是認(rèn)識(shí)海洋本身，而對(duì)海洋的立體觀測則是認(rèn)識(shí)海洋的第一步。然而，構(gòu)建海洋立體觀測網(wǎng)絡(luò)卻是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)、復(fù)雜性很高的技術(shù)，該技術(shù)在海底觀測網(wǎng)絡(luò)、水下運(yùn)載器等方面都有較高的要求。

我國在海洋技術(shù)工程領(lǐng)域的研究工作起步較晚，而構(gòu)建海洋立體觀測網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)上在近幾年才剛剛興起。專利CN201110178669.6公開了一套自主水下航行器與海底觀測網(wǎng)對(duì)接裝置，自主水下航行器經(jīng)過喇叭狀導(dǎo)口導(dǎo)引可以可靠地?？吭诮玉g站主體，實(shí)現(xiàn)自主水下航行器與海底觀測網(wǎng)絡(luò)之間電能和信號(hào)的傳輸。專利CN201410246265.X公開了一套深海AUV接駁平臺(tái)的無線電能與信號(hào)傳輸系統(tǒng)，該對(duì)接平臺(tái)能夠?qū)ν瓿山玉g任務(wù)后的深海AUV進(jìn)行無線電能與信號(hào)的傳輸，增強(qiáng)了深海AUV續(xù)航能力和數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性。專利CN201310597708.5公開了一種水下便攜插針式坐底剖面儀，該類型剖面儀可用于對(duì)海洋的縱剖面進(jìn)行長時(shí)間監(jiān)測。

然而由于海洋的廣闊范圍和水下運(yùn)載器有限的續(xù)航能力，要實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境長時(shí)間、大范圍的立體監(jiān)測，還存在較大的技術(shù)、工程等方面的挑戰(zhàn)。雖然基于海底觀測網(wǎng)的水下對(duì)接裝置在很大程度上能夠解決水下運(yùn)載器續(xù)航能力薄弱的問題，但該裝置、方法還是極大地受制于海底觀測網(wǎng)的布放范圍。而考慮到帶有光伏發(fā)電功能的水面浮標(biāo)具有布放成本較低，布放地點(diǎn)不受限，且能夠?yàn)橛糜诹Ⅲw觀測的水下運(yùn)載器提供電能與信號(hào)的傳輸通路，因此本發(fā)明將具有光伏發(fā)電功能的水面浮標(biāo)與剖面觀測和水下接駁裝置結(jié)合，提出了基于光伏發(fā)電的剖面觀測與水下接駁系統(tǒng)。此系統(tǒng)適用于長期置于海洋環(huán)境且布放地點(diǎn)不受限，對(duì)于提升水下運(yùn)載器的綜合能力，充分光伏發(fā)電、浮標(biāo)和水下運(yùn)載器各自優(yōu)勢，構(gòu)建立體觀測系統(tǒng)具有重要意義。目前尚未見有關(guān)基于光伏發(fā)電的剖面觀測與水下接駁系統(tǒng)的報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有構(gòu)建立體觀測網(wǎng)絡(luò)存在的問題，提供一種基于光伏發(fā)電的剖面觀測與水下接駁系統(tǒng)，充分利用光伏發(fā)電、浮標(biāo)和水下運(yùn)載器的各自優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)布放范圍不受限的立體觀測系統(tǒng)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：一種基于光伏發(fā)電的剖面觀測與水下接駁系統(tǒng)，它包括光伏發(fā)電浮臺(tái)單元、剖面觀測單元和水下接駁單元；

其中光伏發(fā)電浮臺(tái)單元包括衛(wèi)星通訊與定位模塊、風(fēng)向風(fēng)速測量模塊、太陽能電池方陣、浮臺(tái)、信息處理主控模塊、電能傳輸控制模塊、穩(wěn)壓模塊、太陽能充電控制器、浮臺(tái)蓄電池組，所述的太陽能電池方陣將太陽能轉(zhuǎn)換為電能并經(jīng)過穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓處理后通過太陽能充電控制器對(duì)浮臺(tái)蓄電池組進(jìn)行充電儲(chǔ)能；衛(wèi)星通訊與定位模塊、風(fēng)向風(fēng)速測量模塊、電能傳輸控制模塊均與信息處理主控模塊連接；光伏發(fā)電浮臺(tái)單元主要用于基于光伏發(fā)電并給整個(gè)系統(tǒng)分配供電，且作為整個(gè)系統(tǒng)與外界信息交互的終端；

剖面觀測單元包括浮力球、與浮臺(tái)和浮力球連接的電能與信號(hào)復(fù)合鎧裝纜、與接駁站耐壓密封腔體和浮力球連接的電能與信號(hào)復(fù)合零浮力纜、沿電能與信號(hào)復(fù)合零浮力纜運(yùn)動(dòng)的纜系剖面儀、固定于纜系剖面儀的剖面儀側(cè)非接觸電能與信號(hào)傳輸模塊，其中浮力球用于轉(zhuǎn)接電能與信號(hào)復(fù)合鎧裝纜和電能與信號(hào)復(fù)合零浮力纜，并在浮力作用下保持電能與信號(hào)復(fù)合零浮力纜保持豎直拉伸狀態(tài)；剖面觀測單元用于連接光伏發(fā)電浮臺(tái)單元和水下接駁單元，并提供電能與信號(hào)傳輸?shù)耐?，且剖面觀測單元的纜系剖面儀可對(duì)水質(zhì)進(jìn)行剖面監(jiān)測；

水下接駁單元包括接駁站底座及接駁站導(dǎo)筒，固定于接駁站導(dǎo)筒的接駁站側(cè)非接觸電能與信號(hào)傳輸模塊、電子羅盤和超短基線，水下自主航行器，固定于接駁站導(dǎo)筒一端的接駁站喇叭口，設(shè)置于接駁站底座上的深度計(jì)及接駁站耐壓密封腔體，接駁站耐壓密封腔體內(nèi)設(shè)有接駁站主控模塊、接駁站充電控制器和接駁站蓄電池組；水下接駁單元用于從光伏發(fā)電浮臺(tái)單元獲取電能并與光伏發(fā)電浮臺(tái)單元進(jìn)行信息交互、完成水下自主航行器與接駁站的接駁任務(wù)、實(shí)現(xiàn)接駁站與纜系剖面儀的非接觸電能與信號(hào)的傳輸。

本發(fā)明的基于光伏發(fā)電的剖面觀測與水下接駁系統(tǒng)，工作過程有如下部分：

光伏發(fā)電浮臺(tái)單元將太陽能電池方陣捕獲的太陽能轉(zhuǎn)換為電能并經(jīng)過穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓處理后通過太陽能充電控制器對(duì)浮臺(tái)蓄電池組進(jìn)行充電儲(chǔ)能，當(dāng)信息處理主控模塊通過電能與信號(hào)復(fù)合鎧裝纜和電能與信號(hào)復(fù)合零浮力纜接收到接駁站主控模塊反饋的接駁站蓄電池組電量不足的信息，信息處理主控模塊控制電能傳輸控制模塊，使浮臺(tái)蓄電池組通過電能與信號(hào)復(fù)合鎧裝纜和電能與信號(hào)復(fù)合零浮力纜將電能傳輸至接駁站并通過接駁站充電控制器給接駁站蓄電池組進(jìn)行充電。

纜系剖面儀能量充足時(shí)，沿著電能與信號(hào)復(fù)合零浮力纜進(jìn)行剖面運(yùn)動(dòng)，對(duì)水體環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測；當(dāng)纜系剖面儀能量不足時(shí)，纜系剖面儀下潛至接駁站，此時(shí)剖面儀側(cè)非接觸電能與信號(hào)傳輸模塊和接駁站側(cè)電能與信號(hào)傳輸模塊完成對(duì)接匹配；接駁站蓄電池組通過完成匹配的非接觸模塊對(duì)纜系剖面儀進(jìn)行充電，接駁站主控模塊通過完成匹配的非接觸模塊與纜系剖面儀進(jìn)行信息交互，如從纜系剖面儀下載監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)、上傳相關(guān)任務(wù)。

水下自主航行器根據(jù)電子羅盤、深度計(jì)的信息，并在超短基線的導(dǎo)引作用下，完成回塢任務(wù)；通過利用CN201410246265.X公開的深海AUV接駁平臺(tái)的無線電能與信號(hào)傳輸系統(tǒng)，接駁站蓄電池組對(duì)水下自主航行器進(jìn)行充電，接駁站主控模塊與水下自主航行器進(jìn)行信息交互。

接駁站主控模塊將收集得到的相關(guān)信息，包括纜系剖面儀進(jìn)行剖面運(yùn)動(dòng)監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)、水下自主航行器航行游弋監(jiān)測的數(shù)據(jù)、接駁站主控模塊記錄的接駁站蓄電池組狀況數(shù)據(jù)，通過電能與信號(hào)復(fù)合鎧裝纜和電能與信號(hào)復(fù)合零浮力纜上傳至信息處理主控模塊；信息處理主控模塊打包浮臺(tái)位置狀況、風(fēng)向風(fēng)速狀況、浮臺(tái)蓄電池組電池狀況、接駁站主控模塊上傳的數(shù)據(jù)等信息，通過衛(wèi)星通訊與定位模塊上傳至云端服務(wù)器。

本發(fā)明的基于光伏發(fā)電的剖面觀測與水下接駁系統(tǒng)考慮到帶有光伏發(fā)電功能的水面浮臺(tái)具有布放成本較低，布放地點(diǎn)不受限，且能夠?yàn)橛糜诹Ⅲw觀測的水下運(yùn)載器提供電能與信號(hào)的傳輸通路的特點(diǎn)，將具有光伏發(fā)電功能的水面浮臺(tái)與剖面觀測和水下接駁裝置結(jié)合。此系統(tǒng)適用于長期置于海洋環(huán)境且布放地點(diǎn)不受限，對(duì)于提升水下運(yùn)載器的綜合能力，充分光伏發(fā)電、浮標(biāo)和水下運(yùn)載器各自優(yōu)勢，構(gòu)建立體觀測系統(tǒng)具有重要意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明系統(tǒng)的電氣、信號(hào)原理框圖(實(shí)線箭頭連線代表電氣連接，虛線箭頭連線代表信號(hào)連接，雙虛線表示非接觸方式傳輸)；

圖中：1.衛(wèi)星通訊與定位模塊，2.風(fēng)向風(fēng)速測量模塊，3.太陽能電池方陣，4.浮臺(tái)，5.信息處理主控模塊，6.電能傳輸控制模塊，7.穩(wěn)壓模塊，8.太陽能充電控制器，9.浮臺(tái)蓄電池組，10.電能與信號(hào)復(fù)合鎧裝纜，11.浮力球，12.電能與信號(hào)復(fù)合零浮力纜，13.纜系剖面儀，14.剖面儀側(cè)非接觸電能與信號(hào)傳輸模塊，15.接駁站側(cè)非接觸電能與信號(hào)傳輸模塊，16.接駁站導(dǎo)筒，17.電子羅盤，18.超短基線，19.水下自主航行器，20.接駁站喇叭口，21.深度計(jì)，22.接駁站耐壓密封腔體，23.接駁站主控模塊，24.接駁站底座，25.接駁站充電控制器，26.接駁站蓄電池組。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

參照?qǐng)D1-圖2，本發(fā)明的基于光伏發(fā)電的剖面觀測與水下接駁系統(tǒng)，它包括光伏發(fā)電浮臺(tái)單元、剖面觀測單元和水下接駁單元；

其中光伏發(fā)電浮臺(tái)單元包括衛(wèi)星通訊與定位模塊1、風(fēng)向風(fēng)速測量模塊2、太陽能電池方陣3、浮臺(tái)4、信息處理主控模塊5、電能傳輸控制模塊6、穩(wěn)壓模塊7、太陽能充電控制器8、浮臺(tái)蓄電池組9，光伏發(fā)電浮臺(tái)單元主要用于基于光伏發(fā)電并給整個(gè)系統(tǒng)分配供電，且作為整個(gè)系統(tǒng)與外界信息交互的終端；

剖面觀測單元包括浮力球11、與浮臺(tái)4和浮力球11連接的電能與信號(hào)復(fù)合鎧裝纜10、與接駁站耐壓密封腔體22和浮力球11連接的電能與信號(hào)復(fù)合零浮力纜12、沿電能與信號(hào)復(fù)合零浮力纜12運(yùn)動(dòng)的纜系剖面儀13、固定于纜系剖面儀13的剖面儀側(cè)非接觸電能與信號(hào)傳輸模塊14，其中浮力球11用于轉(zhuǎn)接電能與信號(hào)復(fù)合鎧裝纜10和電能與信號(hào)復(fù)合零浮力纜12，并在浮力作用下保持電能與信號(hào)復(fù)合零浮力纜12保持豎直拉伸狀態(tài)；剖面觀測單元用于連接光伏發(fā)電浮臺(tái)單元和水下接駁單元，并提供電能與信號(hào)傳輸?shù)耐罚移拭嬗^測單元的纜系剖面儀可對(duì)水質(zhì)進(jìn)行剖面監(jiān)測；

水下接駁單元包括接駁站導(dǎo)筒16，固定于接駁站導(dǎo)筒的接駁站側(cè)非接觸電能與信號(hào)傳輸模塊15、電子羅盤17和超短基線18，水下自主航行器19，接駁站喇叭口20，接駁站底座24，固定于接駁站底座24的深度計(jì)21，固定于接駁站底座24的接駁站耐壓密封腔體22，固定于接駁站耐壓密封腔體22內(nèi)部的接駁站主控模塊23、接駁站充電控制器25和接駁站蓄電池組26；水下接駁單元用于從光伏發(fā)電浮臺(tái)單元獲取電能并與光伏發(fā)電浮臺(tái)單元進(jìn)行信息交互、完成水下自主航行器19與接駁站的接駁任務(wù)、實(shí)現(xiàn)接駁站與纜系剖面儀13的非接觸電能與信號(hào)的傳輸。

本發(fā)明的基于光伏發(fā)電的剖面觀測與水下接駁系統(tǒng)，工作過程有如下部分：

光伏發(fā)電浮臺(tái)單元將太陽能電池方陣捕獲的太陽能轉(zhuǎn)換為電能并經(jīng)過穩(wěn)壓模塊7穩(wěn)壓處理后通過太陽能充電控制器8對(duì)浮臺(tái)蓄電池組9進(jìn)行充電儲(chǔ)能，當(dāng)信息處理主控模塊5通過電能與信號(hào)復(fù)合鎧裝纜10和電能與信號(hào)復(fù)合零浮力纜12接收到接駁站主控模塊23反饋的接駁站蓄電池組26電量不足的信息，信息處理主控模塊5控制電能傳輸控制模塊6，使浮臺(tái)蓄電池組9通過電能與信號(hào)復(fù)合鎧裝纜10和電能與信號(hào)復(fù)合零浮力纜12將電能傳輸至接駁站并通過接駁站充電控制器25給接駁站蓄電池組26進(jìn)行充電。

纜系剖面儀13能量充足時(shí)，沿著電能與信號(hào)復(fù)合零浮力纜12進(jìn)行剖面運(yùn)動(dòng)，對(duì)水體環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測；當(dāng)纜系剖面儀13能量不足時(shí)，纜系剖面儀下潛至接駁站，此時(shí)剖面儀側(cè)非接觸電能與信號(hào)傳輸模塊14和接駁站側(cè)電能與信號(hào)傳輸模塊15完成對(duì)接匹配；接駁站蓄電池組26通過完成匹配的非接觸模塊對(duì)纜系剖面儀13進(jìn)行充電，接駁站主控模塊25通過完成匹配的非接觸模塊與纜系剖面儀13進(jìn)行信息交互，如從纜系剖面儀13下載監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)、上傳相關(guān)任務(wù)。

水下自主航行器19根據(jù)電子羅盤17、深度計(jì)21的信息，并在超短基線18的導(dǎo)引作用下，完成回塢任務(wù)；通過利用專利CN201410246265.X公開的深海AUV接駁平臺(tái)的無線電能與信號(hào)傳輸系統(tǒng)，接駁站蓄電池組26對(duì)水下自主航行器19進(jìn)行充電，接駁站主控模塊23與水下自主航行器19進(jìn)行信息交互。

接駁站主控模塊23將收集得到的相關(guān)信息，包括纜系剖面儀13進(jìn)行剖面運(yùn)動(dòng)監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)、水下自主航行器19航行游弋監(jiān)測的數(shù)據(jù)、接駁站主控模塊23記錄的接駁站蓄電池組26狀況數(shù)據(jù)，通過電能與信號(hào)復(fù)合鎧裝纜10和電能與信號(hào)復(fù)合零浮力纜12上傳至信息處理主控模塊5；信息處理主控模塊5打包浮臺(tái)4位置狀況、風(fēng)向風(fēng)速狀況、浮臺(tái)蓄電池組9電池狀況、接駁站主控模塊23上傳的數(shù)據(jù)等信息，通過衛(wèi)星通訊與定位模塊1上傳至云端服務(wù)器。