海底熱液冷泉觀測潛標(biāo)水下控制系統(tǒng)及相關(guān)觀測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及海底熱液冷泉觀測潛標(biāo)水下控制系統(tǒng)及相關(guān)觀測方法，屬于海洋觀測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代海底熱液的研究始于1977年，當(dāng)時(shí)，美國的阿爾文號載人潛艇在東太平洋洋中脊的軸部采得由黃鐵礦、閃鋅礦和黃銅礦組成的硫化物。1979年又在同一地點(diǎn)約2610-1650米的海底熔巖上，發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個(gè)冒著黑色和白色煙霧的煙囪，約350°C的含礦熱液從直徑約15厘米的煙囪中噴出，與周圍海水混合后，很快產(chǎn)生沉淀變?yōu)椤昂跓焽琛?，沉淀物主要由磁黃鐵礦、黃鐵礦、閃鋅礦和銅鐵硫化物組成。這些海底硫化物堆積形成直立的柱狀圓丘，稱為“黑煙囪”。
[0003]海底冷泉活動的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)海洋科學(xué)的一個(gè)科學(xué)熱點(diǎn)，對冷泉活動的研究提升了人們對深海資源的認(rèn)識和利用。海底冷泉之廣泛發(fā)育于活動和被動大陸邊緣斜坡海底，海底沉積界面之下，以水、碳?xì)浠衔?天然氣和石油)、硫化氫、細(xì)粒沉積物為主要成分，溫度與海水相近的流體，以噴涌和滲漏方式注入盆地，并產(chǎn)生一系列的物理、化學(xué)及生物作用，這種作用及產(chǎn)物稱為冷泉。冷泉區(qū)別于熱液噴口的地方是，噴泉噴射出的液體和周圍海水溫度大體一致，而海底熱液噴出的液體則高于周圍海水溫度。巴西Campos盆地大型油氣田的發(fā)現(xiàn)，引起對海底冷泉的關(guān)注；在深海海底冷泉周圍發(fā)現(xiàn)了生命跡象對生物起源有重要的研究意義；在我國，在鄂霍次克海域海底冷泉上方發(fā)現(xiàn)天然氣水合物(欒錫武等，2006 ;欒錫武等，2008)，在東海發(fā)現(xiàn)巨型海底冷泉，在南海發(fā)現(xiàn)了眾多海底冷泉的證據(jù)(陳忠等，2006)。海底冷泉上方的天然氣水合物富含大量的甲烷，一旦溢出對環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞。
[0004]因此，對海底熱液冷泉的研究十分重要，但是海底熱液冷泉一般發(fā)生在深海幾千米處，需要特殊的儀器進(jìn)行觀測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種能夠?qū)嵋豪淙獓娍诘奈锢?、化學(xué)特性進(jìn)行海上實(shí)際觀測的潛標(biāo)水下控制系統(tǒng)，并提供利用該系統(tǒng)進(jìn)行海底熱液冷泉觀測的方法。該系統(tǒng)能夠控制CN201210292082.2所述的海洋觀測用潛標(biāo)下潛到熱液或者冷泉區(qū)，對噴口區(qū)進(jìn)行溫度等物理場結(jié)構(gòu)測量，并直接測量熱液冷泉噴口上方流體的運(yùn)動特征，測量數(shù)據(jù)能夠存儲并實(shí)時(shí)傳輸定位。
[0006]具體技術(shù)方案為:系統(tǒng)包括主控芯片、聲通信模塊、聲信標(biāo)模塊、液壓控制模塊、拋載控制模塊、無線定位模塊、電源模塊、微結(jié)構(gòu)測量模塊和CTD (Conductivity, Temperature，D印th，溫鹽深系統(tǒng)，用于測量水體的電導(dǎo)率，溫度及深度三個(gè)基本的水體物理參數(shù))模塊；聲通信模塊、聲信標(biāo)模塊、液壓控制模塊、拋載控制模塊、無線定位模塊、電源模塊、微結(jié)構(gòu)測量模塊和CTD模塊分別與主控芯片相連接。
[0007]其中，聲通信模塊采用Modem UWM3000水聲通信器，用于與上位機(jī)進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)傳輸，最長通信距離3km。
[0008]聲信標(biāo)模塊包括TC10000HA型收發(fā)器和TN10010C型信標(biāo)機(jī)，用于科學(xué)考察船對潛標(biāo)的水下定位。
[0009]液壓控制模塊包括:拉緊機(jī)構(gòu)、內(nèi)皮囊、電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、由液壓缸和活塞等組成的柱塞栗、支撐架、電磁換向閥、電池組和外皮囊。主控芯片發(fā)出信號給電磁換向閥和電機(jī)，使得電磁換向閥打開到需要位置，同時(shí)控制電路驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)的轉(zhuǎn)動經(jīng)過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動活塞在液壓缸內(nèi)作直線運(yùn)動，由于外皮囊經(jīng)過電磁換向閥和外皮囊油管與液壓缸相通，進(jìn)而傳遞液壓油流入或流出外皮囊。如果需要潛標(biāo)下沉，則控制信號控制電磁閥處于適當(dāng)?shù)奈恢?，且電機(jī)帶動活塞向上運(yùn)動使得液壓油流出外皮囊，浮標(biāo)浮力減小，開始下沉。如果需要潛標(biāo)上浮，則控制信號控制電磁閥處于適當(dāng)?shù)奈恢茫译姍C(jī)帶動活塞向下運(yùn)動使得液壓油流入外皮囊，浮標(biāo)浮力增大，開始上浮。
[0010]拋載控制模塊是指潛標(biāo)拋除攜帶的重物，通過潛標(biāo)本體和拋載重物之間快速、可靠的分離，控制潛標(biāo)下沉以及上浮運(yùn)動，提升潛標(biāo)下沉以及上浮運(yùn)動的速度，節(jié)省水下作業(yè)時(shí)間。包括陰極導(dǎo)線、陽極導(dǎo)線、陰極鎖緊螺母、外殼、彈簧、陽極鎖緊螺母、不銹鋼絲、載重塊和溶斷艙。陰極導(dǎo)線與陽極導(dǎo)線分別通過陰極鎖緊螺母和陽極鎖緊螺母固定在外殼上，陰極導(dǎo)線下端與不銹鋼絲相連，不銹鋼絲下面懸掛載重塊，彈簧位于外殼與載重塊之間，作用是當(dāng)不銹鋼絲溶斷后，利用彈簧的預(yù)緊力迅速將載重塊彈開。陰極導(dǎo)線與陽極導(dǎo)線與電源相連，拋載系統(tǒng)溶斷艙內(nèi)灌裝導(dǎo)電液體，所以當(dāng)電源通電時(shí)陽極導(dǎo)線、陰極導(dǎo)線、鹽水將充當(dāng)電解質(zhì)溶液。而金屬材料不銹鋼絲與電解質(zhì)溶液材料接觸，不銹鋼絲由于與陰極導(dǎo)線相連，電位較低，于是不銹鋼絲將發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)中的陽極反應(yīng)，不銹鋼絲將被氧化導(dǎo)致溶斷，完成拋載。
[0011 ] 無線定位模塊發(fā)射定位信號，用于潛標(biāo)浮至水面回收時(shí)搜尋潛標(biāo)位置。
[0012]電源模塊用于給各模塊供電。
[0013]CTD模塊能夠?qū)崟r(shí)測量傳感器周圍的溫度、鹽度和深度；微結(jié)構(gòu)測量模塊用于實(shí)時(shí)測量潛標(biāo)的通訊狀態(tài)、通訊功率、警報(bào)狀態(tài)、電壓及時(shí)間。
[0014]本系統(tǒng)主控芯片采用型號為LPC2292的ARM7芯片。
[0015]利用海底熱液冷泉觀測潛標(biāo)水下控制系統(tǒng)控制潛標(biāo)進(jìn)行海洋觀測的方法步驟如下:
[0016]a.潛標(biāo)電源啟動，系統(tǒng)初始化；
[0017]b.CTD模塊、聲通信模塊和聲信標(biāo)模塊啟動，開始布放潛標(biāo)；
[0018]c.潛標(biāo)下潛:在拋載系統(tǒng)兩個(gè)重塊的作用下，潛標(biāo)下潛到任務(wù)指定深度附近；
[0019]d.定深漂流:通過拋載控制模塊拋掉下降重塊，潛標(biāo)基本處于中性浮力，通過液壓控制模塊改變浮標(biāo)浮力，開始定深調(diào)節(jié)，潛標(biāo)保持在指定深度開始漂流；
[0020]e.潛標(biāo)上浮:接受到上浮命令或完成任務(wù)則通過拋載控制模塊拋掉上升重塊，上浮到海洋表面；否則繼續(xù)定深漂流并采集數(shù)據(jù)；
[0021]f.結(jié)束任務(wù)，潛標(biāo)回收:上浮至海面后CTD模塊和微結(jié)構(gòu)測量模塊關(guān)閉，無線定位模塊工作，發(fā)射定位信號，通過無線搜尋器搜尋并回收潛標(biāo)。
[0022]其中，步驟b中的CTD模塊實(shí)時(shí)測量周圍溫度、鹽度和深度，聲通信模塊用于傳遞CTD模塊和微結(jié)構(gòu)測量模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及上位機(jī)下達(dá)的指令，聲信標(biāo)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對潛標(biāo)的水下定位，聲通信模塊和聲信標(biāo)模塊交替工作。
[0023]本發(fā)明的海底熱液冷泉系統(tǒng)觀測潛標(biāo)水下控制系統(tǒng)及相關(guān)觀測方法能夠控制潛標(biāo)進(jìn)行深海觀測，測量海洋垂直剖面的溫度、鹽度和深度數(shù)據(jù)，同時(shí)在測量過程中能夠?qū)摌?biāo)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并實(shí)時(shí)調(diào)整潛標(biāo)的任務(wù)規(guī)劃。同時(shí)，系統(tǒng)能夠完成最大2000米的任意深度的定深測量，獲取特定深度的水平剖面海洋動力參數(shù)信息，對我國海底熱液活動、海底冷泉調(diào)查研究，以及海流模擬計(jì)算、渦旋特性直接觀測，科氏力驅(qū)動下的高溫渦旋運(yùn)動，厄爾尼諾現(xiàn)象觀測研究等一系列科學(xué)問題提供最直接的觀測手段和第一手觀測資料。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的功能模塊圖；
[0025]圖2是利用本發(fā)明所述系統(tǒng)進(jìn)行觀測的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0027]實(shí)施例:南海海試
[0028]駕船由三亞港務(wù)局出發(fā)，沿125°航向向SE方向航行約96海里，進(jìn)行系統(tǒng)測試。系統(tǒng)包括主控芯片、無線定位模塊、電源模塊、聲通信模塊、聲信標(biāo)模塊、液壓控制模塊、拋載控制模塊、微結(jié)構(gòu)測量模塊和CTD模塊；各模塊與主控芯片相連接。
[0029]1.各模塊上電，起吊潛標(biāo)并布放入水:
[0030]首先用吊鉤將裝配好的潛標(biāo)吊到船尾舷上，將潛標(biāo)主體的電源打開，然后利用吊鉤將潛標(biāo)放入海水中，并利用繩纜將沒入海水中的潛