CN110104125B - 一种海洋波浪观测浮标*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋观测技术领域，具体涉及一种海洋波浪观测浮标***，包括服务器，和若干个浮标，浮标包括外壳、三轴加速度计、通信模块、存储器、定位模块、电池和MCU，外壳为在海面随波漂流的密封壳体，三轴加速度计、通信模块、存储器、定位模块、电池以及MCU均安装在外壳内，三轴加速度计、通信模块、存储器以及定位模块均与MCU连接，通信模块与服务器建立通信连接。本发明的实质性效果是：通过三轴加速度计结合定位模块的数据，获得随海浪漂流的浮标的三维运动轨迹，积累足够数据后，能够掌握海域内的波高、波向以及波周期数据，完成观测任务。

Description

一种海洋波浪观测浮标***

技术领域

本发明涉及海洋观测技术领域，具体涉及一种海洋波浪观测浮标***。

背景技术

海洋观测能够为开展渔港精细化预报服务和数值后报模拟，提供必要的实测数据支撑。提高渔港精细化预报精度和服务细化程度，提升渔业防台避风科学决策指挥能力。海洋观测要素包括潮高、潮时、波高、波向、波周期。气象观测要素以风速、风向观测为主，兼顾温度、湿度、气压、降水量等观测。采用三轴加速度计、倾斜与电子罗盘一体化传感器测量浮标的随波运行，经过数字滤波和频域二次积分获得波高的时间序列，具有精度高、可靠性强，稳定性好、功耗低等特点。加速度计通过感应浮标在水中的沉浮运行，测量载体的沉浮运动。通过数字滤波滤除采集到的加速度信号中的噪声信号。然后通过数字二次积分得到载体沉岸站接收软件浮运动的位移时间序列。最后通过统计给出载体反应的波浪特征值。波浪方向通过水平位移及倾斜在浮标跨零点时的运动情况统计每个波的方向，然后统计测量时间段的主波向或波向十六方位分布。但目前的三轴加速度计对剧烈翻滚运动的物体进行加速度检测的效果较差。这是因为当翻滚运动中沿三轴加速度计中心翻滚时，所有的传感器均受切向的剪切力，传感器不能检测剪切方向的受力值，导致三轴加速度计不能检测到翻滚运动中沿其中心的分量。因而，需要将物体的翻滚运动控制在较小的范围内，才能使检测的结果较为准确。浮标在海面的翻滚非常剧烈，目前避免三轴加速度计发生翻滚运动的三轴陀螺架的结构复杂，不能完全避免三轴加速度计的翻滚，会导致三轴加速度计的三轴不断偏移，积累误差大，难以在海面上长期运行。因而需要研制出适合在海面长期运行的，能够保持三轴加速度计三轴方向稳定的海洋波浪观测浮标。

中国专利CN203116736U，公开日2013年8月7日，一种海洋观测流速波浪仪。该波浪仪包括第一换能器、至少三个第二换能器、发射机、接收机和信号处理器。通过第一换能器和第二换能器分别发射第一声波信号和第二声波信号，还接收第一声波信号的第一回波信号和第二声波信号的第二回波信号，然后，由接收机放大第一回波信号和第二回波信号，信号处理器处理第一回波信号而获得悬浮泥沙浓度以及处理第二回波信号而获得海面波浪的波高、周期及方向以及水流流速，集成了多普勒声学流速剖面仪、声学后散射悬沙测量仪、波浪计等仪器的功能，进而，避免了多个仪器同时工作所占用体积大，接口数据处理的繁琐的问题。但其仅适合浅海区域，在深海区域检测所需要的声波功率以及干扰均较大，会导致该技术方案无法获得有效的检测结果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前缺乏有效观测深海区域海浪的观测***的技术问题。提出了一种采用三轴加速度计的适合海面长期运行检测的准确度好和可靠度高的海洋波浪观测浮标***。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种海洋波浪观测浮标***，包括服务器，还包括若干个浮标，所述浮标包括外壳、三轴加速度计、通信模块、存储器、定位模块、电池和MCU，所述外壳为在海面随波漂流的密封壳体，所述三轴加速度计、通信模块、存储器、定位模块、电池以及MCU均安装在外壳内，所述三轴加速度计、通信模块、存储器以及定位模块均与MCU连接，所述通信模块与服务器建立通信连接。通过MCU打包三轴加速度计和定位模块的数据存储到存储器，而后通过通信模块发送到服务器，服务器获得随海浪漂流的浮标的三维运动轨迹，积累足够数据后，能够掌握海域内的波高、波向以及波周期数据，完成观测任务。

作为优选，所述浮标的外壳呈密封的球形，所述外壳内设有安装平台，所述通信模块、存储器、定位模块、电池以及MCU均安装在所述安装平台上，所述外壳内沿球径方向设置有两个安装杆，所述两个安装杆由外壳内壁同时向内延伸，所述三轴加速度计安装在所述两个安装杆之间。密封的外壳能够避免海水进入，保护内部元件。所述浮标的外壳内装有干燥剂。

作为优选，所述浮标的密封外壳在封闭前放入少量金属钠，所述金属钠呈颗粒状。金属钠能够消耗密封外壳内的氧气，生成仍是固体的氧化钠，从而减少密封外壳内的气体总量，形成一定的真空度，在温度升高后不会导致密封外壳内气体产生较大压强，影响密封性；同时减少密封壳体内的氧气，延缓电子器件被氧化老化的速率，延长电子器件寿命。

作为优选，还包括三轴加速度计安装座，所述三轴加速度计包括三轴加速度传感器、变送器和无线通信模块，所述三轴加速度计安装座包括球壳、两个支杆、两个支撑瓦和球核，所述球壳外壁加工有两个安装槽，所述安装槽与安装杆固定连接，所述安装杆设置在所述外壳内壁，所述两个支杆从所述球壳内壁沿球壳直径同时向内延伸，所述两个支撑瓦分别固定在所述两个支杆的末端，所述球核卡入所述两个支撑瓦，所述球核外缘与两个支撑瓦贴合，所述球核与支撑瓦之间留有间隙使得球核可以旋转，所述球核为空心球，所述三轴加速度传感器、变送器以及无线通信模块均安装在所述球核的空心内，所述三轴加速度传感器与变送器连接，所述变送器与无线通信模块连接，所述球核为允许无线信号穿过的球核，所述无线通信模块与所述通信模块建立通信连接。支撑瓦和球核之间应具有润滑油或润滑脂，减少支撑瓦与球核的摩擦力，避免球核跟随外壳翻滚，使三轴加速度传感器的三轴基本维持方向。

作为优选，所述球核为磁性材料，所述球核以及球形空心的球心均位于球核的磁极分界面上。由于球核内具有空心，且空心内安装有器件，导致球核整体的重心与球心偏离，在重力作用下，球核若发生翻滚，在翻滚运动消失或减弱后，会自动恢复到重心在球心正下方的姿态，使三轴加速度计中的垂直轴保持方向不变，在地球磁场的作用下，球核在垂直轴复位后，会沿铅锤线旋转，旋转到磁极与地磁场匹配的位置，从而使球核在水平方向复位，从而使得三轴加速度计的三轴均恢复方向，短暂的三轴偏离后会自动恢复、矫正三轴方向，从而能够在长期的海面上运行，保持三轴加速度计的三轴朝向稳定，提高采集到的数据准确度。

作为优选，所述三轴加速度传感器包括三对相互正交的压力传感器组、六个固定座和重物，压力传感器组均包括两个压力传感器，所述压力传感器第一端均与重物抵接，所述压力传感器第二端均通过固定座安装在所述球核的空心内壁上，所述压力传感器检测所受到的压力，所述压力传感器均与变送器连接。

作为优选，所述球核的空心为球形空心，所述球形空心的球心与球核的球心不重合。加剧球核整体重心和球心的偏移，可以增强球核保持铅锤方向的能力和偏移后恢复铅锤方向的速度。

本发明的实质性效果是：通过结合三轴加速度计和定位模块的数据，获得随海浪漂流的浮标的三维运动轨迹，积累足够数据后，能够掌握海域内的波高、波向以及波周期数据，完成观测任务，准确度高，可靠性更高，能够提高海洋波浪观测的准确性，为海洋活动提供有力支持。

附图说明

图1为实施例一浮标外形示意图。

图2为实施例一浮标内部部件示意图。

图3为实施例一三轴加速度计安装座剖视图。

图4为实施例一球核剖视图。

图5为实施例一三轴加速度计安装座以及三轴加速度计剖面三维示意图。

图6为实施例一三轴加速度计安装座以及三轴加速度计剖面图。

其中：1、外壳，2、三轴加速度计，3、通信模块，4、存储器，5、安装杆，6、定位模块，7、MCU，8、球壳，9、支杆，10、支撑瓦，11、重物，12、压力传感器，13、球核，14、固定座，15、变送器，16、润滑油。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

一种海洋波浪观测浮标***，包括服务器和（若干个）浮标，若干个浮标投放在目标海域，随波漂流。如图1、图2所示，浮标包括外壳1、三轴加速度计2、通信模块3、存储器4、定位模块6、电池和MCU7，外壳1为在海面随波漂流的密封壳体，三轴加速度计2、通信模块3、存储器4、定位模块6、电池以及MCU7均安装在外壳1内，三轴加速度计2、通信模块3、存储器4以及定位模块6均与MCU7连接，通信模块3与服务器建立通信连接。浮标的外壳1呈密封的球形，外壳1内设有安装平台，通信模块3、存储器4、定位模块6、电池以及MCU7均安装在安装平台上，外壳1内沿球径方向设置有两个安装杆5，两个安装杆5由外壳1内壁同时向内延伸，如图5所示，三轴加速度计2安装在两个安装杆5之间。浮标的密封外壳1在封闭前放入少量金属钠和润滑油16。金属钠装入带孔的绝缘容器内。如图3所示，三轴加速度计2安装座包括球壳8、两个支杆9、两个支撑瓦10和球核13，球壳8外壁加工有两个安装槽，安装槽与安装杆5固定连接，安装杆5设置在外壳1内壁，两个支杆9从球壳8内壁沿球壳8直径同时向内延伸，两个支撑瓦10分别固定在两个支杆9的末端，球核13卡入两个支撑瓦10，球核13外缘与两个支撑瓦10贴合，球核13与支撑瓦10之间留有间隙使得球核13可以旋转，如图4所示，球核13为空心球，三轴加速度传感器、变送器15以及无线通信模块均安装在球核13的空心内，三轴加速度传感器与变送器15连接，变送器15与无线通信模块连接，球核13为允许无线信号穿过的球核13，无线通信模块与通信模块3建立通信连接。如图6所示，球核13的空心为球形空心，球形空心的球心与球核13的球心不重合。球核13为磁性材料，球核13以及球形空心的球心均位于球核13的磁极分界面上。三轴加速度传感器包括三对相互正交的压力传感器12组、六个固定座14和重物11，压力传感器12组均包括两个压力传感器12，压力传感器12第一端均与重物11抵接，压力传感器12第二端均通过固定座14安装在球核13的空心内壁上，压力传感器12检测所受到的压力，压力传感器12均与变送器15连接。

本实施例的工作方法为：将若干个浮标投放在目标海域，收集海浪数据，进行数据处理后，得到目标海域的海洋数据信息。本实施例采用的球核13内具有空心，且空心内安装有器件，导致球核13整体的重心与球心偏离，在重力作用下，球核13若发生翻滚，在翻滚运动消失或减弱后，会自动恢复到重心在球心正下方的姿态，使三轴加速度计2中的垂直轴保持方向不变，在地球磁场的作用下，球核13在垂直轴复位后，会沿铅锤线旋转，旋转到磁极与地磁场匹配的位置，从而使球核13在水平方向复位，从而使得三轴加速度计2的三轴均恢复方向，短暂的三轴偏离后会自动恢复、矫正三轴方向，从而能够在长期的海面上运行，保持三轴加速度计2的三轴朝向稳定，提高采集到的数据准确度。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (6)

1.一种海洋波浪观测浮标***，包括服务器，其特征在于，

还包括若干个浮标，所述浮标包括外壳、三轴加速度计、通信模块、存储器、定位模块、电池和MCU，所述外壳为在海面随波漂流的密封壳体，所述三轴加速度计、通信模块、存储器、定位模块、电池以及MCU均安装在外壳内，所述三轴加速度计、通信模块、存储器以及定位模块均与MCU连接，所述通信模块与服务器建立通信连接；

还包括三轴加速度计安装座，所述三轴加速度计包括三轴加速度传感器、变送器和无线通信模块，所述三轴加速度计安装座包括球壳、两个支杆、两个支撑瓦和球核，所述球壳外壁加工有两个安装槽，所述安装槽与安装杆固定连接，所述安装杆设置在所述外壳内壁，所述两个支杆从所述球壳内壁沿球壳直径同时向内延伸，所述两个支撑瓦分别固定在所述两个支杆的末端，所述球核卡入所述两个支撑瓦，所述球核外缘与两个支撑瓦贴合，所述球核与支撑瓦之间留有间隙使得球核可以旋转，所述球核为空心球，所述三轴加速度传感器、变送器以及无线通信模块均安装在所述球核的空心内，所述三轴加速度传感器与变送器连接，所述变送器与无线通信模块连接，所述球核为允许无线信号穿过的球核，所述无线通信模块与所述通信模块建立通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种海洋波浪观测浮标***，其特征在于，

所述浮标的外壳呈密封的球形，所述外壳内设有安装平台，所述通信模块、存储器、定位模块、电池以及MCU均安装在所述安装平台上，所述外壳内沿球径方向设置有两个安装杆，所述两个安装杆由外壳内壁同时向内延伸，所述三轴加速度计安装在所述两个安装杆之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种海洋波浪观测浮标***，其特征在于，

所述浮标的外壳内装有干燥剂。

4.根据权利要求1所述的一种海洋波浪观测浮标***，其特征在于，

所述三轴加速度传感器包括三对相互正交的压力传感器组、六个固定座和重物，压力传感器组均包括两个压力传感器，所述重物位于球核的空心中部，所述压力传感器第一端均与重物抵接，所述压力传感器第二端均通过固定座安装在所述球核的空心内壁上，所述压力传感器检测所受到的压力，所述压力传感器均与变送器连接。

5.根据权利要求1所述的一种海洋波浪观测浮标***，其特征在于，

所述球核的空心为球形空心，所述球形空心的球心与球核的球心不重合。

6.根据权利要求5所述的一种海洋波浪观测浮标***，其特征在于，

所述球核为磁性材料，所述球核以及球形空心的球心均位于球核的磁极分界面上。

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