技术领域
[0001] 本
发明涉及海洋参数监测技术领域，尤其涉及一种海洋剖面浮标及其控制方法。
背景技术
[0002] 海洋剖面浮标，又称为Argo浮标，其能够按照任务要求自动在海洋竖直方向实现上浮下潜运动，依靠剖面浮标内设置的
传感器对海洋剖面浮标的参数进行测量，并将测得数据传输到科考船或岸基接收站，为
气候预警、科学研究、以及将来对海洋的开发提供数据。具体的，剖面浮标在海洋中的上浮下潜运动主要依靠液压系统对油囊体积的控制来实现。在剖面浮标
质量不变的条件下，增大油囊体积即可获得更大的浮
力，当剖面浮标所受
浮力大于重力时，即可上浮；反之，剖面浮标下潜。
[0003]
申请号为CN201310393878.1的发明
专利公布了一种自持式剖面浮标平台往复式浮力调节装置。由于
柱塞泵自吸力不足的问题，其上浮下潜运动采用气泵和柱塞缸共同作用来调节浮力，但这种方式占用剖面浮标内部空间大，增大了剖面浮标的载重，不能快速灵活的控制剖面浮标的上浮下潜运动。
[0004] 常规的海洋剖面浮标探测
水深一般为2000米，并且主要测量的数据为海洋的
温度、
盐度和深度。如申请号为CN201410618620.1的发明专利公布了一种水下剖面探测浮标装置，它披露出一种工作寿命更长的剖面浮标，但是其工作水深较浅并且主要检测浅层海域的温度、盐度和深度，不能够对海洋深层海域的温度、盐度和深度进行测量。这实质上是剖面浮标的海洋检测深度的问题。
[0005] 为了进一步对海洋深层海域进行测量，得到更加准确的海洋数据。申请号为CN201810043448.X的发明专利公布了一种深海自持式剖面智能浮标系统，其最大工作水深可达到6000米，也能满足对海洋温度、盐度和深度的数据的测量。但其不能随着海洋深度的增大，自适应调节剖面浮标的上浮下潜运动，并且不能对海洋温度、盐度和深度以外的参数进行测量，比如对洋流流速的测量。
[0006] 通常，海洋在不同检测
位置检测的参数不同，尤其是在海洋跃层位置海洋参数随深度变化而发生显著的变化。现有的剖面浮标在海洋中检测的
频率固化，不能达到长航程参数测量尤其是在跃层处的精细化测量的要求。因此，需要设计一种在不同位置自适应调节剖面浮标所受的浮力来满足对海洋参数的精细化测量的要求。
[0007] 需要说明的是，上述内容属于
发明人的技术认知范畴，并不必然构成
现有技术。
发明内容
[0008] 本发明提供了一种海洋剖面浮标及其控制方法，它不仅具有自适应调节剖面浮标、水下工作时间长的优点，而且还能够对海洋的洋流流速进行测量，并能弥补了高压柱塞泵吸油能力弱的不足，实现
海水跃层参数的精细测量和流速测量，解决了现有技术中的问题。
[0009] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0010] 一种海洋剖面浮标，包括，
[0011] 壳体、设置于壳体外的至少一个外油囊、以及设置于所述壳体内的至少一个内油囊，所述内油囊与所述外油囊连通；
[0012] 动力单元，所述动力单元驱动地连接所述内油囊，所述动力单元适于驱动所述内油囊以使得油液在所述内油囊和所述外油囊之间移动；
[0013] 体积测量单元，所述体积测量单元适于测量所述内油囊内的油液体积、所述外油囊内的油液体积、和/或在所述外油囊和所述内油囊之间移动的油液体积；
[0014] 控制单元，所述控制单元与所述动力单元连接，所述控制单元接收所述体积测量单元所测量的数据并控制所述动力单元驱动所述内油囊。
[0015] 一种海洋剖面浮标还包括，用于测量海水温盐深数据的温盐深测量单元，所述温盐深测量单元与所述控制单元连接；和/或
[0016] 用于测量油液压力的压力测量单元，所述
压力传感器与所述控制单元连接；和/或[0017] 用于测量位移的位移测量单元，位移测量单元能够测得海洋剖面浮标的水平位移，所述位移测量单元与所述控制单元连接，控制单元接收位移检测单元测得位移
信号进行进一步处理计算为计算洋流速度提供数据。
[0018] 所述动力单元包括
液压泵，所述液压泵通过管路分别连接所述内油囊和所述外油囊；
[0019] 所述内油囊和所述外油囊设置于所述液压泵上方。
[0021] 在一个
实施例中，所述体积测量单元包括直线位移传感器，所述直线位移传感器适于测量波纹管状的所述内油囊的长度进而计算所述内油囊内的油液体积。
[0022] 在一个实施例中，所述体积测量单元包括流量计，所述流量计设置于连接所述内油囊和所述外油囊的管路中。
[0023] 在一个实施例中，所述动力单元具体还包括，设置于连接所述内油囊和所述外油囊的管路中的溢流
阀和液压
增压器；
[0024] 在一个实施例中，所述液压泵为双向
齿轮泵。
[0025] 一种海洋剖面测量用浮标控制方法，浮标包括壳体、设置于壳体外的至少一个外油囊、以及设置于所述壳体内的至少一个内油囊，所述内油囊与所述外油囊连通；动力单元，所述动力单元驱动地连接所述内油囊，所述动力单元适于驱动所述内油囊以使得油液在所述内油囊和所述外油囊之间移动，所述控制方法包括如下步骤：
[0026] 测量所述油液的压力数据并根据所述压力数据计算当前浮标的深度值和竖直方向的速度值；
[0027] 测量所述浮标所在位置处的海水的温度数据和/或盐度数据并根据所述温度数据和/或盐度数据计算当前浮标的海水跃层位置参数；
[0028] 测量所述内油囊内的油液体积、所述外油囊内的油液体积、和/或在所述外油囊和所述内油囊之间移动的油液体积，获得油液体积数据；
[0029] 根据所述深度值、所述竖直方向的速度值、海水跃层位置参数以及油液体积数据控制所述动力单元。
[0030] 一种海洋剖面测量用浮标控制方法中包括海水跃层位置参数的控制方法具体为：
[0031] 测量所述浮标所在位置处的海水的温度数据和/或盐度数据并根据所述温度数据和/或盐度数据计算当前浮标的海水跃层位置参数，具体包括，
[0032] 记录所述浮标测量的海水的温度历史数据和/或盐度历史数据；
[0033] 测量所述浮标测量的海水的温度当前数据和/或盐度当前数据；
[0034] 计算温度和/或盐度的变化速度；
[0035] 根据所述温度和/或盐度的变化速度判断所述浮标的当前位置是否进入海水跃层位置；
[0036] 若所述浮标进入海水跃层位置，则控制所述动力单元驱动所述内油囊，使得所述内油囊中的油液进入外油囊。
[0037] 一种海洋剖面测量用浮标控制方法中包括洋流速度检测的控制方法具体为：
[0038] 使得所述浮标从第一位置以第一竖直速度下潜至预定深度的第二位置处；
[0039] 使得所述浮标在所述预定深度的上
悬停预定时间，并随洋流运动至第三位置处；
[0040] 使得所述浮标从预定深度以第二竖直速度上浮至第四位置处；
[0041] 测量所述第一位置和所述第四位置之间的距离；
[0042] 根据所述第一竖直速度、所述预定深度、所述预定时间、所述第二竖直速度和所述第一位置和所述第四位置之间的距离确定所述预定深度处的洋流速度。
[0043] 所述预定深度h处的洋流速度为：
[0044]
[0045] 其中，h为预定深度，vh为预定深度h处的洋流速度，vAB为浮标从第一位置到第二位置处的直线速度，vvAB为为浮标从第一位置到第二位置处的竖直方向上的速度，vCD为浮标从第三位置到第四位置处的直线速度，vvCD为为浮标从第三位置到第四位置处的竖直方向上的速度，tAD为浮标从第一位置到第四位置的运动时间，LAD为第一位置到第四位置的直线距离。
[0046] 本发明的有益效果在于，利用压力变送器的监测数据实时推算剖面浮标的上浮下潜速度，并自适应调节油囊体积，对剖面浮标进行匀速、悬停等速度控制，实现海水跃层参数的精细测量和流速测量；并具体将油囊设计在柱塞泵上方，弥补了高压柱塞泵吸油能力弱的不足，能够实现4000米深海浮力调节；，在深海采用分段浮力调节策略，降低
能量消耗，延长剖面浮标的水下工作时间，另外，通过在控制剖面浮标在海洋剖面的四个不同位置来实现对海洋洋流速度的检测，弥补了传统剖面浮标在海洋洋流速度参数检测的欠缺。
附图说明
[0047] 图1为剖面浮标的结构示意图；
[0048] 图2为计算洋流速度剖面浮标在海洋中的运动状态图；
[0049] 图3为控制单元的逻辑图；
[0050] 图4为实施例1中的液压油路图；
[0051] 图5为实施例2中的液压油路图；
[0052] 图6为实施例3中动力单元及液压油路图。
[0053] 图中，1、天线，2、外油囊，3、压力变送器，4、内油囊，5、控制板，6、
定位通讯模
块，7、柱塞泵，8、
电机，9、直线位移传感器，10、
电磁阀A，11、电磁阀B，12、电磁阀C，13、电磁阀D，14、流量计，15、液压
增压器，16、双向齿轮泵，17、溢流阀，18、运算单元A，19、运算单元B，20、运算单元C，21、分析单元，22、温盐深传感器，23、上端盖，24、筒体，25、下端盖。
具体实施方式
[0054] 为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明进行详细阐述。
[0055] 实施例1
[0056] 如图1-6所示，一种海洋剖面浮标，包括，
[0057] 壳体、所述壳体由上端盖23、筒体24和下端盖25组成，上端盖23和下端盖25与筒体24之间设有
密封圈来实现密封的目的，将该壳体设置成三部分拆卸方便，便于维修。设置于壳体外的一个外油囊2，具体将外油囊2设置在筒体24上部的外壁上，将外油囊2设置在筒体
24的上部可以克服柱塞泵7自吸力不足的问题。外油囊2环绕筒体24外围形成环状，壳体内设置一个内油囊4，具体将内油囊4设置在筒体24内上部位置，同样可以弥补柱塞泵7压力不足导致的自吸力不足的问题。同时将内油囊4设置成波纹管状，所述的波纹管状内油囊4一端通过动力单元与外油囊2连通；另一端与体积测量单元相连，体积测量单元将内油囊4的体积变化信号传递给控制单元，控制单元经处理、分析控
制动力单元对内油囊4和外油囊2内的油液体积的变化来实现剖面浮标的上浮下潜。
[0058] 进一步的，在本实施例中，在壳体的上端盖23上设有能够发送信号的天线1，该天线1能够将该剖面浮标检测的参数数据发送给科考船或岸基接收站。
[0059] 进一步的，上述所说的动力单元具体包括设置在筒体24内底部的电机8，以及由电机8带动的柱塞泵7，所述的柱塞泵7通过液压油路将内油囊4与外油囊2连通，柱塞泵7驱动内油囊4以使得油液在内油囊4和外油囊2之间移动；
[0060] 进一步的，如附图4所示的，上述所称的液压油路具体包括通过油管连接在柱塞泵7两端的两组电磁阀即第一电磁阀组和第二电磁阀组。第一电磁阀组具体包括连接在柱塞泵7一端的电磁阀A10和电磁阀C12；第二电磁阀组具体包括连接在柱塞泵7另一端的电磁阀B11和电磁阀D13。将电磁阀A10和电磁阀B11通过设置在筒体24内的压力变送器3与外油囊2连接；将电磁阀C12和电磁阀D13与内油囊4连接。其具体实现上浮下潜的油路中油液的移动如下：
[0061] 当剖面浮标上浮时，电磁阀B11和电磁阀C12闭合(电磁阀A10和电磁阀D13常开)，电机8驱动柱塞泵7，内油囊4的油液经过电磁阀C12，流经柱塞泵7进入到外油囊2内，外油囊2体积增大，剖面浮标的所受浮力增大，剖面浮标上浮。
[0062] 当剖面浮标下潜时，电磁阀A10和电磁阀D13闭合(电磁阀B11和电磁阀C12常开)，电机8驱动柱塞泵7，外油囊2的油液进入电磁阀A10，电磁阀A10流经柱塞泵7进入内油囊4内，内油囊4体积增大，剖面浮标所受浮力减小，剖面浮标下潜。
[0063] 上述剖面浮标在具体调节内油囊4和外油囊2的油液体积时，尤其是在深海环境下剖面浮标在下潜的过程中，控制板5能够根据剖面浮标所处的水深假设初始状态为H1，此时内油囊的油液体积为V1，当下潜到目标深度H2，此时内油囊的油液体积为V2，控制板5控制柱塞泵7工作，电磁阀C12、电磁阀B11打开，外油囊2内的油液进入到内油囊4中的油液体积为V2-V1，由于外油囊2承受海水压力较大，一次性将外油囊2内的油液进入到内油囊4中，耗能较大。因此，控制板5根据剖面浮标所处的水深控制电机8分阶段驱动柱塞泵7工作，利用多次调节将V1体积的油液调节至V2体积的油液，将深海一次性较大浮力调节分解为不同水深的多次较小的浮力调节，以节省能量，延长剖面浮标的水下工作时间。
[0064] 进一步的，所述体积测量单元适于测量所述内油囊4内的油液体积，在本实施例中附图1中所示，体积测量单元可采用直线位移传感器9，该直线位移传感器9一端与波纹管状的内油囊4的一端固定，另一端与波纹管状的内油囊4的另一端相连。如此，内油囊4内的油液体积的增减具体表现在波纹管的长度的伸长与缩短，波纹管的伸缩带动直线位移传感器9的伸缩，直线位移传感器9将位移信号传递给控制单元，控制单元控制电机8、柱塞泵7，进而控制内油囊4的吸液与排液。
[0065] 进一步的，所述控制单元与所述动力单元连接，所述控制单元接收所述体积测量单元所测量的数据并控制所述动力单元驱动所述内油囊4。如附图1和附图3所示的，所述控制单元具体包括设置在壳体内的控制板5以及定位通讯模块6，控制板5上分别设有接收直线位移传感器9信号的运算单元A18、运算单元B19和运算单元C20；运算单元A18、运算单元B19和运算单元C20同时与分析单元21相连，分析单元21具体控制动力单元驱动内油囊4，具体表现在剖面浮标的浮力大小实现剖面浮标上浮下潜。
[0066] 进一步的，上述所述的测量单元具体包括用于测量海水温盐深数据的温盐深测量单元，所述温盐深测量单元与所述控制单元连接；温盐深测量单元具体采用温盐深传感器22，温盐深传感器22设置筒体24的外部，温盐深传感器22具体与控制单元中控制板5上的运算单元C20相连，运算单元C20接收温盐深传感器22的信号将信号传递给分析单元21，分析单元21接收数据判断剖面浮标是否进入海洋跃层，若是则控制动力单元，动力单元进而驱动内油囊4将内油囊4的油液进入到外油囊2内增加剖面浮标的浮力，增加在海洋跃层处的
采样频率，实现精细化测量的目的。
[0067] 进一步的，上述所述的测量单元还包括用于测量油液压力的压力测量单元，压力测量单元具体采用压力变送器3或者压力表，将压力变送器3或者压力表设置在电磁阀A10、电磁阀B11与外油囊2之间，压力变送器3或者压力表具体与控制单元上控制板5上的运算单元B19连接，运算单元B19接收压力变送器3或者压力表的压力信号传递给分析单元21，通过分析单元21将油液压力信号进行处理获得剖面浮标所处位置的深度，为洋流速度提供所需数据。
[0068] 进一步的，上述所述的测量单元还包括用于测量位移的位移测量单元，位移测量单元具体采用定位通讯模块6或者GPS定位仪都能够测得海洋剖面浮标的水平位移，该定位通讯模块6或GPS定位仪与所述控制单元连接，控制单元接收定位通讯模块6或者GPS定位仪测得位移信号进行进一步处理计算为计算洋流速度提供数据。
[0069] 在一个实施例中，所述体积测量单元包括流量计14，如附图5所示的，所述流量计14设置于连接所述内油囊4和所述外油囊2的管路中，具体设置在外油囊2与压力变送器3之间。
[0070] 在一个实施例中，如附图6所示的，所述动力单元具体还可在连接所述内油囊4和所述外油囊2的管路中的溢流阀17和液压增压器15；
[0071] 在一个实施例中，如附图6所示的液压泵采用双向齿轮泵16。
[0072] 一种海洋剖面测量用浮标控制方法，浮标包括壳体、设置于壳体外的一个外油囊2、以及设置于所述壳体内的一个内油囊4，所述内油囊4与所述外油囊2通过液压油路连通；
动力单元，所述动力单元驱动地连接所述内油囊4，所述动力单元适于驱动所述内油囊4以使得油液在所述内油囊4和所述外油囊2之间移动，所述控制方法包括如下步骤：
[0073] 测量所述油液的压力数据并根据所述压力数据计算当前浮标的深度值和竖直方向的速度值；
[0074] 测量所述浮标所在位置测得的海水的温度数据和/或盐度数据并根据所述温度数据和/或盐度数据计算当前浮标的海水跃层位置参数；
[0075] 根据直线位移传感器9的位移数据，测量所述内油囊4内的油液体积、所述外油囊2内的油液体积、和/或在所述外油囊2和所述内油囊4之间移动的油液体积，获得油液体积数据；
[0076] 根据浮标所述深度值、所述竖直方向的速度值、海水跃层位置参数以及油液体积数据控制所述动力单元。
[0077] 上述控制方法包括海水跃层位置参数的控制方法具体为：
[0078] 温盐深传感器22测量所述浮标所在位置测量海水的温度数据和/或盐度数据并根据所述温度数据和/或盐度数据计算当前浮标的海水跃层位置参数，具体包括，
[0079] 记录所述浮标测量的海水的温度历史数据和/或盐度历史数据；
[0080] 测量所述浮标测量的海水的温度当前数据和/或盐度当前数据；
[0081] 计算温度和/或盐度的变化速度；
[0082] 根据所述温度和/或盐度的变化速度判断所述浮标的当前位置是否进入海水跃层位置；
[0083] 若所述浮标进入海水跃层位置，则控制单元控制电机8降低其转速，使得所述内油囊4中进入外油囊2中的油液量较少，控制剖面浮标的上浮速度，使其在海水跃层位置增加参数采集
密度，提高精确度。
[0084] 上述控制方法还包括洋流速度检测的控制方法如附图2所示的具体为：
[0085] 使得所述浮标从第一位置A点开始下潜以第一竖直速度vvAB下潜至预定深度h的第二位置处B处；
[0086] 控制浮标在所述预定深度h上的悬停预定时间tBC，并随洋流运动至第三位置处C处；
[0087] 使得所述浮标从预定深度h以第二竖直速度vvCD上浮至第四位置D处；
[0088] 测量所述第一位置A和所述第四位置D之间的距离为LAD；
[0089] 根据所述第一竖直速度vvAB、所述预定深度h、所述预定时间tBC、所述第二竖直速度vvCD和所述第一位置A和所述第四位置D之间的距离确定所述预定深度处的洋流速度vh。
[0090] 所述预定深度h处的洋流速度的推算公式如下：
[0091]
[0092] 根据时间关系，可列等式：
[0093]
[0094] 因此，可以得到水深h处海洋洋流的平均速度vh：
[0095]
[0096] 当对长航程的浅层海洋流速进行测量时，即LAD＞＞h时，有：
[0097]
[0098] 当对深层海洋流速进行测量时，即LAD～h时，可控制剖面浮标竖直方向的速度，使得vAB～vvAB且vCD～vvCD，有
[0099]
[0100] 其中，LAD和tAD可通过定位通讯模块6测量，vvAB和vvCD可通过压力变送器3所测量的数据推算，h可通过温盐深传感器22测量，从而能够实现对海洋洋流的平均速度求解。
[0101] 其中，假设，vAB为浮标从第一位置到第二位置处的直线速度，vCD为浮标从第三位置到第四位置处的直线速度，tAD为浮标从第一位置到第四位置的运动时间。
[0102] 实施例2：
[0103] 如附图5所示，本实施例是对实施例1中的直线位移传感器9的替换，具体将直线位移传感器9替换为流量计14使用，其具体连接及油路控制如下：
[0104] 将流量计14安装在外油囊2与压力变送器3之间或者安装在内油囊4与外油囊2的管路中。
[0105] 当剖面浮标上浮时，电磁阀B11和电磁阀C12闭合(电磁阀A10和电磁阀D13常开)，电机8驱动柱塞泵7，内油囊4的油液经过电磁阀C12，依次流经柱塞泵7、电磁阀B11、压力变送器3以及流量计14进入到外油囊2内，外油囊2体积增大，剖面浮标的所受浮力增大，剖面浮标上浮。
[0106] 当剖面浮标下潜时，电磁阀A10和电磁阀D13闭合(电磁阀B11和电磁阀D13常开)，电机8驱动柱塞泵7，外油囊2的油液依次流经流量计14、压力变送器3进入电磁阀A10，电磁阀A10流经柱塞泵7进入内油囊4内，内油囊4体积增大，剖面浮标所受浮力减小，剖面浮标下潜。
[0107] 所用流量计20可以直接测量出外油囊2中液压油的体积或者内油囊4外油囊2之间的变化量。
[0108] 上述剖面浮标的上浮下潜也是采用如实施例1中的分阶段调节的方式，将深海一次性较大浮力调节分解为不同水深的多次较小浮力调节，降低能耗，延长剖面浮标的水下工作时间。
[0109] 实施例3：
[0110] 如附图6所示，本实施例对实施例1中的动力单元中柱塞泵7更换为双向齿轮泵16，同时在液压油路中加入液压增压器15和溢流阀17，具体的连接方式及油路控制如下：
[0111] 上述电机8驱动连接有双向齿轮泵16，在双向齿轮泵16双向齿轮泵16两端分别连接有溢流阀17和
单向阀，溢流阀17能够保护液压油路以免存在液压油路中压力过大而破坏整个动力单元工作；双向齿轮泵16两端还连接有内油囊4和外油囊2，外油囊2与双向齿轮泵16之间连接有液压增压器15，双向齿轮泵16和液压增压器15能够解决柱塞泵7存在的自吸力不足的问题。该液压系统的油路控制如下：
[0112] 当剖面浮标上浮时，电机8带动双向齿轮泵16，内油囊4的油液经过双向齿轮泵16进入液压增压器15，从液压增压器15输出的油液进入外油囊2内，外油囊2体积增大，剖面浮标的所受浮力增大，剖面浮标上浮。
[0113] 当剖面浮标下潜时，电机8带动双向齿轮泵16，外油囊2的油液依次流经压力变送器3、单向阀和双向齿轮泵16进入到内油囊4中，内油囊4体积增大，剖面浮标所受浮力减小，剖面浮标下潜。
[0114] 上述剖面浮标的上浮下潜也是采用如实施例1中的分阶段调节的方式，将深海一次性较大浮力调节分解为不同水深的多次较小浮力调节，降低能耗，延长剖面浮标的水下工作时间。
[0115] 上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于
本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
[0116] 本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。
