本发明涉及无人船，尤其是基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统。
背景技术：
1、半潜无人船是结合了无人船和潜水器的功能特点，目前主要应用在近海水文测量与地形测绘领域。工作时，与水面无人船相比，此类形式主船体处于水面以下，只有船体的部分附体处于水面之上。可大幅减弱水面风浪干扰，大大提高安全性和稳定性。
2、“湍流”是流体中的一种小尺度不规则运动，被称为“经典物理学中最后一个尚未解决的重要问题”（费曼语，1963），无法用准确的物理和数学表达式进行阐释，是物理海洋学及整个流体力学理论中尚未被突破的瓶颈。造成该现状的原因是缺少足够多的观测数据，无法认清不同条件下小尺度湍流混合发生规律。如，数值模拟结果表明，但模式的分辨率能够更充分地分辨亚中尺度时，海表面湍流热通量呈现系统性改变且其强度接近平均值（suetal，2008），意味着亚中尺度等多尺度海洋过程对湍流的影响，但这些结果还无法从观测中得到证实。因此，如何突破传统思维桎梏，采取创新性技术方案，获取足够多的一手湍流数据，成为实现湍流理论突破的关键，也是国际海洋和流体力学中竞争的焦点之一。
3、湍流除了通过影响海洋热量在垂直方向上的再分布从而对大尺度环流、水团、二氧化碳分布产生影响外，还具有显著的气候学效应。在当前的海洋科学及大气科学研究中，尺度为o(0.1m)–o(1m）的小尺度海洋湍流过程是一个热点方向，其主要通过影响海气界面热通量对气候变化产生影响。比如，当在海洋模式中改变大洋内部的湍流混合系数时，海洋中深层环流结构会发生急剧改变（如simmonsetal，2003）；当在海洋-气候模式中改变海洋障碍层或温跃层湍流混合强度时，厄尔尼诺和南方涛动（enso）的强度会发生显著变化，enso甚至会被压制甚至被消除掉（如maesetal，2005；meehl et al，2011），因此湍流混合被认为是将来增进enso预报的一条重要理论路径（wengeletal，2021）。
4、当前，对湍流混合发生规律，包括其时间、空间分布变异特征及其与多尺度海洋与大气过程的相互关系缺乏深刻认识，不能建立准确的湍流与其他过程的关系，进一步制约了对其所导致的海洋热量、盐度、二氧化碳浓度等再分配过程的认识，使得传统的海洋及海洋-大气动力模式不能很好地实现次网格过程参数化，影响了海洋和海洋-大气数值模式的准确构建，导致了其对台风、enso等高影响时间的预报预测偏差，也影响了对海洋吸收、转存二氧化碳过程的认识。同时，湍流混合影响深度可达上百米，显著改变水体垂直方向上的密度结构，从而影响水声传播方向和强度，对水下平台的运行稳定性、可操控性及通讯安全具有重要影响。对“湍流”过程和机理的认识不足，导致不能准确预测海洋背景变异情况及水声传播场变异情况，限制了水下移动平台的机动性和安全性。
5、cn111486825a公开了一种海洋湍流观测系统，该系统从前至后依次包括湍流观测舱、能源舱、姿态调节舱和推进舱；所述湍流观测舱包括艏部导流罩，在艏部导流罩的前端中心处设置有湍流观测仪，湍流观测仪伸出艏部导流罩一段距离；所述能源舱包括第一耐压舱体，在第一耐压舱体的前端设置有前端球盖，艏部导流罩与前端球盖相连接，在第一耐压舱体的内部设置有固定电池组；所述姿态调节舱包括第二耐压舱体，在第二耐压舱体的内部设置有姿态调节装置和浮力补偿装置；所述推进舱包括尾部导流罩，尾部导流罩与后端球盖连接，在尾部导流罩内设置有转向装置和推进装置。上述专利能够实现海洋湍流的高时空覆盖、高分辨率的长期连续、大范围、自主式立体观测。
6、导致海洋湍流理论长期以来难有突破的原因有三个，首先是缺少长期持续和高频的湍流观测，从而无法充分地观测到湍流过程中所蕴含的所有物理规律，不能找出湍流混合发生变异规律。当前大部分的小尺度湍流观测，多局限于单点单次的剖面观测，类似盲人摸象，不能形成有效的样本，不能发现真正的规律；其次，目前的科学调查船不具备自动同时下放湍流观测设备和温盐深/流观测设备的能力，而湍流与温盐深/流分开观测极为消耗人力，不可持续，不仅使得观测时间不同步，而且极大降低了时间连续性；也就是说，囿于仪器设备的限制，也不能实现湍流与温盐深/流的同步观测和高频的高遍历性采样，妨碍了对湍流生成和变异机理的研究。最后，当前的观测多是单船观测，或相距较远的潜标持续观测，两者都不能实现在亚中尺度及中尺度内的协同观测和高垂向分辨率观测，阻碍了多种尺度过程对湍流影响的研究。
7、cn115290056b公开了一种移动式液压升降海洋湍流观测基座，包括湍流仪绞车、可移动底座、液压托举装置以及通用式船舷安装装置。该移动式液压升降海洋湍流观测基座利用可移动底座运载湍流仪绞车、液压托举装置以及通用式船舷安装装置同步移动，湍流观测仪在观测船甲板上实现自由推动，以适应不同海况下在调查船上选择合适的观测位置安装固定；利用液压托举装置举起湍流仪绞车卡靠在船舷上安装固定，以适应不同高度的船舷，增强通用性；利用通用式船舷安装装置可以匹配不同结构的船舷，并且无需对船舶甲板和船舷进行打孔或焊接安装，减少湍流仪绞车安装作业周期，大幅提高海上观测作业的效率。
8、然而，湍流观测仪在观测时，需要保持自由状态，否则会影响湍流观测仪的观测准确度，上述现有技术采用湍流仪绞车进行湍流观测仪的下放，如果不对缆绳进行控制，湍流仪绞车产生向上牵引力会影响湍流观测仪的观测准确度。
技术实现思路
1、针对上述现有技术存在的不足，提供了基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统，通过搭载集成式湍流观测系统，解决了小尺度湍流观测频率不足或时间分辨率低的问题，满足长期持续观测需求，并且实现了湍流与温盐深/流的同步观测，且保证集成式湍流观测系统的观测准确度。
2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是，基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统，包括无人船本体，所述无人船本体自艏向艉依次设置有艏尖舱、仪器设备舱、月池舱、后电池舱、机舱、艉舱，在仪器设备舱下方设有前电池舱，在前电池舱两侧设有燃油箱舱，在月池舱两侧设有前压载舱，在两前压载舱内分别设有一具有正反转功能的且用于将两前压载舱注满海水或排空的压载水泵，以及用于检测两前压载舱内液位的液位传感器，在月池舱内设有集成有湍流剖面观测仪、下放式声学多普勒海流剖面仪及温盐深仪的集成式湍流观测系统，在机舱上方设有用于将集成式湍流观测系统升降的升降机构，在月池舱底部设有允许集成式湍流观测系统通行的通行口，在集成式湍流观测系统底部两侧设有用于启闭通行口的自动开合式盖板，还包括控制器，以及用于与升降机构配合，使集成式湍流观测系统观测时保持自由状态的检测系统。
3、上述的基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统，所述集成式湍流观测系统包括仪器舱和探头舱，在仪器舱上部设有浮台，在仪器舱底部设有支架，在仪器舱内设有固定板，在固定板上设有微型电池仓，以及湍流剖面观测仪，在仪器舱的外壁上通过一定位块垂直设有温盐深仪，在仪器舱底部设有一连接件，在连接件上对应设有下放式声学多普勒海流剖面仪及电池仓，在浮台下方对应设有减速翅膀。
4、上述的基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统，所述升降机构包括设于机舱上方的绞车座，设于绞车座上的绞车本体，缆绳以及两对应设置的导辊，还包括设于月池舱外部的第一座板，在第一座板下方设有第一滑轮及第一滑轮架，在第一滑轮架上设有与第一滑轮架转动连接的导杆，在导杆上设有导轮，在月池舱的内壁上设有第二座板，在第二座板上设有第二滑轮及第二滑轮架，在月池舱的舱壁上设有允许缆绳通行的导管，在微型电池仓上方设有吊板，在吊板上设有吊孔。
5、上述的基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统，所述检测系统包括在月池舱内部的正上方设置的高清相机，在月池舱内壁上设置的紫外照明灯，在缆绳上涂覆的荧光涂层，以及放缆控制模块，所述放缆控制模块包括缆绳释放余量计算模块、升降机构控制模块以及放缆完成模块；
6、所述缆绳释放余量计算模块：对高清相机实时采集到的图像数据进行逐帧分析，并计算当前的释放余量；
7、升降机构控制模块: 根据缆绳释放余量控制电机速度来进行放缆操作；
8、放缆完成模块：循环进行缆绳释放余量计算模块和升降机构控制模块，直至放缆操作完成；
9、所述放缆控制模块的工作步骤为：
10、s1:
11、（1）、 对图像进行预处理，去除噪点；
12、（2）、 根据图像中缆绳独特的亮度特征，对处理后的图像进行区域分割，然后对每个子区域进行亮度特征比对，标记出符合缆绳亮度特征的像素点，将所有存在符合缆绳亮度特征像素点的子区域进行拼接即可得到缆绳的位置；
13、（3）、从图像边缘找到缆绳的起始位置，然后沿着缆绳的轨迹进行分段处理；
14、（4）、针对每一段的缆绳，拟合出匹配度最高的圆形并得到对应的圆心；
15、（5）、通过该段缆绳的起始点以及圆心点的位置，计算出对应的弧长作为该段缆绳的长度；
16、（6）、 将全部分段缆绳的长度相加得到当前图像中缆绳的长度；
17、（7）、根据预设的缆绳最大释放长度阈值以及当前图像中的缆绳长度计算出当前的释放余量，
18、释放余量=释放长度阈值-当前图像中缆绳长度；
19、s2:根据缆绳释放余量控制绞车本体速度来进行放缆操作；
20、s3:循环进行s1和s2，直至放缆操作完成。
21、上述的基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统，在浮台上环形阵列有无线充电发射线圈，在无线充电发射线圈下方环形阵列有无线充电接收线圈装置，所述无线充电接收线圈装置包括第一圆座，在第一圆座内设有防水灌胶层，在防水灌胶层上方设有第二圆座，在第二圆座内设有耐压灌胶层，在耐压灌胶层上方设有无线充电接收线圈，还包括独立充电控制器。
22、上述的基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统，所述微型电池仓的数量为六个，在各微型电池仓内设有锂电池，在固定板上还设有无线数传模块及8路独立充电控制模块。
23、上述的基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统，在机舱两侧设有向后方延伸的用于辅助船舶自扶正的后压载舱，还包括两用于调节后压载舱内水量的调节水泵。
24、上述的基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统，在机舱内设有2台船用柴油发动机，2台船用齿轮箱，以及2套喷泵。
25、本发明基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统的有益效果是，船体与集成式湍流观测系统采用共形一体化设计，采取嵌入式安装集成式湍流观测系统，保证了船体结构的完整性以及水密性。
26、可通过搭载母船（“科学”号）而至调查区域，灵活释放至目标位置后，可自动完成观测设备下放和回收动作，实现自动观测。设备经过集成，下放一次便可完成湍流/温盐深/流（vmp/ctd/ladcp）三位一体的同步观测，下放至目标深度后可快速回收，然后迅速开始第二次释放，循环往复。据测算，其可实现一小时5–8次的高频观测，是人工观测速度的10倍，从而很好地解决小尺度湍流观测频率不足或时间分辨率低的问题。
27、无人船因不影响母船的其他作业，可以专门针对湍流开展集中观测。在无人船自动观测期间，母船可航行至其他站点开展作业，而无需就近照料无人船。无人船也可与“科学”号母船可组成编队，开展同步协同观测，既可实现双方都固定位置的协同观测，也可实现同步移动位置的协同观测，且其相互位置和距离可据海洋现场情况灵活设定，从而很好地解决观测空间分辨率低的问题。
28、通过设置前压载舱、压载水泵、液位传感器、控制器，以及在机舱内设置2台船用柴油发动机，2台船用齿轮箱，在2台船用柴油发动机后方设有两具有动力定位功能的喷泵，实现水面高速航行状态和半潜低速航行状态，便于对台风、涡旋的快速跟踪、多点、高频的测量，实现一艘船相当于多艘船的同步检测。
29、在半潜航行时，船体处于水面以下，只有船体的部分附体处于水面之上。可大幅减弱水面风浪干扰，大大提高安全性和稳定性。在机舱两侧设有向后方延伸的用于辅助船舶自扶正的后压载舱，还包括两用于调节后压载舱内水量的调节水泵，加大船体底部的触水面积，起到减摇鳍的作用。改善半潜状态恒稳性，从而为湍流观测设备的精确测量提供一个稳定的环境。在双模态下都具有自扶正能力，成为海上“不倒翁”，满足3级海况下正常作业和4级海况下安全航行。根据双模态作业需求，兼顾船体重量、航速及续航力性能，双模态转换顺畅、耗时少。
1.基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统，包括无人船本体，其特征在于：所述无人船本体自艏向艉依次设置有艏尖舱、仪器设备舱、月池舱、后电池舱、机舱、艉舱，在仪器设备舱下方设有前电池舱，在前电池舱两侧设有燃油箱舱，在月池舱两侧设有前压载舱，在两前压载舱内分别设有一具有正反转功能的且用于将两前压载舱注满海水或排空的压载水泵，以及用于检测两前压载舱内液位的液位传感器，在月池舱内设有集成有湍流剖面观测仪、下放式声学多普勒海流剖面仪及温盐深仪的集成式湍流观测系统，在机舱上方设有用于将集成式湍流观测系统升降的升降机构，在月池舱底部设有允许集成式湍流观测系统通行的通行口，在集成式湍流观测系统底部两侧设有用于启闭通行口的自动开合式盖板，还包括控制器，以及用于与升降机构配合，使集成式湍流观测系统观测时保持自由状态的检测系统。
2.根据权利要求1所述的基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统，其特征是，所述集成式湍流观测系统包括仪器舱和探头舱，在仪器舱上部设有浮台，在仪器舱底部设有支架，在仪器舱内设有固定板，在固定板上设有微型电池仓，以及湍流剖面观测仪，在仪器舱的外壁上通过一定位块垂直设有温盐深仪，在仪器舱底部设有一连接件，在连接件上对应设有下放式声学多普勒海流剖面仪及电池仓，在浮台下方对应设有减速翅膀。
3.根据权利要求2所述的基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统，其特征是，所述升降机构包括设于机舱上方的绞车座，设于绞车座上的绞车本体，缆绳以及两对应设置的导辊，还包括设于月池舱外部的第一座板，在第一座板下方设有第一滑轮及第一滑轮架，在第一滑轮架上设有与第一滑轮架转动连接的导杆，在导杆上设有导轮，在月池舱的内壁上设有第二座板，在第二座板上设有第二滑轮及第二滑轮架，在月池舱的舱壁上设有允许缆绳通行的导管，在微型电池仓上方设有吊板，在吊板上设有吊孔。
4.根据权利要求3所述的基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统，其特征是，所述检测系统包括在月池舱内部的正上方设置的高清相机，在月池舱内壁上设置的紫外照明灯，在缆绳上涂覆的荧光涂层，以及放缆控制模块，所述放缆控制模块包括缆绳释放余量计算模块、升降机构控制模块以及放缆完成模块；
5.根据权利要求4所述的基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统，其特征是，在浮台上环形阵列有无线充电发射线圈，在无线充电发射线圈下方环形阵列有无线充电接收线圈装置，所述无线充电接收线圈装置包括第一圆座，在第一圆座内设有防水灌胶层，在防水灌胶层上方设有第二圆座，在第二圆座内设有耐压灌胶层，在耐压灌胶层上方设有无线充电接收线圈，还包括独立充电控制器。
6.根据权利要求5所述的基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统，其特征是，所述微型电池仓的数量为六个，在各微型电池仓内设有锂电池，在固定板上还设有无线数传模块及8路独立充电控制模块。
7.根据权利要求6所述的基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统，其特征是，在机舱两侧设有向后方延伸的用于辅助船舶自扶正的后压载舱，还包括两用于调节后压载舱内水量的调节水泵。
8.根据权利要求7所述的基于双模态智能无人船的自主湍流观测系统，其特征是，在机舱内设有2台船用柴油发动机，2台船用齿轮箱，以及2套喷泵。
