CN112629501A - 海浪测量装置和用于测量海浪的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海浪测量装置和用于测量海浪的方法。该海浪测量装置具有电子舱和重锤。通过海浪测量装置的电子舱上部的充气气囊以及电子舱下部的重锤，使得海浪测量装置能够浮在波浪中并尽可能地保持竖直，从而获得更为准确的浪高数据。此外，该海浪测量装置可以结合降落装置，从飞行器快速地向目标海域大量布撒，由此能够及时且方便地知晓目的海域的海浪数据。另外，由于该海浪测量装置具有自毁装置，在得到海浪数据之后，海浪测量装置可以自毁，无需回收，由此能够节省下航行成本、仪器设备回收成本、维护费用等。

Description

海浪测量装置和用于测量海浪的方法

技术领域

本发明涉及海浪测量领域，更具体而言，涉及海浪测量装置和用于测量海浪的方法。

背景技术

针对目标海域开展风、浪、温、流等数据的实时测量乃至预报，是为水面船只、舰艇编队提供的重要保障之一。尤其，通过提前知晓目标海域的海浪状况，能够更好地对船只、舰艇编队的后续作业作出判断。目前主要有以下四种测量浪高的方式：浮标式浪高仪测量站，其测量精度高，自持力久，但是无快速布置能力，成本高，且需要作业船只布撒和回收；船载测波雷达，测量精度较高，自持力较久，但是需要先头船舶航行至目标海域进行测量，航行成本、仪器设备购置成本、维护费用高；机载测波雷达，相较于船载测波雷达方式，可更加快速地到达目标海域，但测量精度较低，自持力短，且飞机燃料消耗、仪器设备购置成本、维护费用高；卫星遥测测波，若地球同步卫星则可长期监控目标海域，自持力久，但是测量精度差，且光学传感器及分析***成本较高。

聚焦“波浪参数快速、准确测量”这一难题，需要一种能够在目标海域开展大批量布撒，可以快速且准确地获得目标海域内的波浪数据，由此为水面船只、舰艇编队航行提供安全保障的技术方案。

发明内容

提供本发明内容以便以简化形式介绍将在以下具体实施方式中进一步的描述一些概念。本发明内容并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

根据本发明的一个实施例，提供了一种海浪测量装置，该装置包括：采用回转形形状的电子舱；安装在电子舱上部的充气气囊；通过缆绳附连到电子舱的底部的重锤。其中，电子舱进一步包括：一个或多个传感器，该一个或多个传感器包括用于获得浪高数据的3向加速度传感器；充气***，该充气***包括高压压缩气瓶，电磁阀以及导气管；天线；用于对一个或多个传感器感测到的数据进行处理并经由天线发射的信号***，该信号***包括信号处理装置和信号发射器；自毁装置；控制单元；以及电源。该海浪测量装置进一步包括附接到电子舱的降落设备连接装置，以将降落设备附连到该海浪测量装置。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于测量海浪的方法，该方法包括：(a)向目标海域下投根据上述实施例所描述的海浪测量装置；(b)在海浪测量装置入水之际：对海浪测量装置的充气气囊进行充气；降落设备与海浪测量装置脱离；海浪测量装置的重锤释放；海浪测量装置的天线从海浪测量装置的电子舱内伸出；(c)海浪测量装置获得海洋数据并通过天线传输给目标设备，该海洋数据至少包括浪高数据，浪高数据至少部分基于由海浪测量装置的3向加速度传感器测得的Z轴方向数据；(d)判断是否达到任务执行时限；以及(e)如果未达到所述任务执行时限，则重复步骤(c)-(d)。

通过阅读下面的详细描述并参考相关联的附图，这些及其他特点和优点将变得显而易见。应该理解，前面的概括说明和下面的详细描述只是说明性的，不会对所要求保护的各方面形成限制。

附图说明

为了能详细地理解本发明的上述特征所用的方式，可以参照各实施例来对以上简要概述的内容进行更具体的描述，其中一些方面在附图中示出。然而应该注意，附图仅示出了本发明的某些典型方面，故不应被认为限定其范围，因为该描述可以允许有其它等同有效的方面。

图1示出了根据本发明的一个实施例的海浪测量装置100在未展开状态下的图示；

图2示出了根据本发明的一个实施例的海浪测量装置100在展开状态下的图示；

图3示出了根据本发明的一个实施例的电子舱101的细节图；

图4示出了根据本发明的一个实施例的安装有降落设备2的海浪测量装置100的未展开示意图；

图5示出了根据本发明的一个实施例的对气囊106进行充气的流程的示意图；

图6示出了根据本发明的一个实施例用于收集和传输海洋数据的流程的示意图；

图7示出了根据本发明的一个实施例的进行海浪测量的方法700的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明，本发明的特点将在以下的具体描述中得到进一步的显现。

以下具体描述参考示出本发明的示例性实施例的附图。但是，本发明的范围不限于这些实施例，而是由所附权利要求书定义。因此，诸如所示实施例的修改版本之类的在附图所示之外的实施例仍然由本发明所包含。

本说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用指的是该实施例可包括特定的特征、结构或特点，但是每一实施例不一定包括该特定的特征、结构或特点。此外，这些短语不一定指相同的实施例。此外，当结合实施例描述具体特征、结构或特性时，应当理解在相关领域的技术人员的知识范围内能够结合其他实施例来实现具体特征、结构或特性，无论是否被显式地描述。

本发明的海浪测量装置具有不低于浮标式浪高仪测量站、船载测波雷达的测量精度和自持力。并且，通过海浪测量装置电子舱上部的充气气囊以及电子舱下部的重锤，使得海浪测量装置能够在波浪中尽可能地保持竖直，从而获得更为准确的浪高数据。此外，该海浪测量装置可以结合降落装置，从舰艇机快速地向目标海域大量布撒，由此能够快速方便地知晓目的海域的海洋数据。另外，由于本发明的海浪测量装置具有自毁装置，在得到海洋数据之后，底部的锌合金腐蚀，海浪测量装置自毁，无需回收，由此能够节省下航行成本、仪器设备回收成本、维护费用等。

图1示出了根据本发明的一个实施例的海浪测量装置100在未展开状态下的图示。海浪测量装置100包括电子舱101以及附连在电子舱101底部的重锤102。根据本发明的一个实施例，电子舱101为回转形形状电子舱。根据本发明的另一个实施例，重锤102用于降低海浪测量装置100的重心，提高其在海浪中的稳定性。本领域的技术人员能够了解，重锤102的形状、材料和重量可以根据不同的实践而变化。

图2示出了根据本发明的一个实施例的海浪测量装置100在展开状态下的图示。海浪测量装置100在海面工作时进入展开状态。其中，在展开状态中，安装在电子舱101上部的充气气囊106充气，向电子舱101外部伸出，包围住电子舱101的上部，由此可向海浪测量装置100提供浮力。支撑杆104从电子舱101内部伸出，顶推天线103上升，以用于信号收发。重锤102被向下释放，通过缆绳105与电子舱101相连。由此，一旦海浪测量装置100进入展开状态，便可浮在海面进行数据采集和发射。尤其，在安装在电子舱101上部的充气气囊106以及电子舱101下方的重锤102的配合使用下，可以使得海浪测量装置100在海浪中尽可能地保持竖直，得到较为准确的海浪数据。

根据本发明的一个实施例，重锤102通过缆绳105被附连到电子舱101底部。根据本发明的一个实施例，缆绳105的一端连接在电子舱101的底部，另一端连接重锤102，并且缆绳105可被内置在电子舱101中或可被内置在重锤102中。当海浪测量装置100处于展开状态时，重锤102与电子舱101分离并随缆绳向下释放。本领域的技术人员可以理解，缆绳105的长度可根据实际需求而变化。

图3示出了根据本发明的一个实施例的电子舱101的细节图。参见图3，电子舱101内可包括传感器107，充气***108，信号***109，控制单元110，电源111以及自毁装置112。本领域的技术人员可以采用各种合适的方式来实现上述部件之间的通信和数据传输。此外，本领域技术人员应当理解，图3中描述的功能块可被组合成单个功能块或者划分成多个子功能块。

根据上述针对图1和图2的描述，本领域的技术人员可以理解支撑杆104和缆绳105在未展开状态时，可被容纳在电子舱101内。为了描述清楚的目的，在图3中，并未示出支撑杆104和缆绳105。

根据本发明的一个实施例，当海浪测量装置100投放到目标海区后，在传感器107、充气***108和控制单元110的作用下，对充气气囊106进行及时充气，使得海浪测量装置100不沉入海中。同时，信号***109对传感器107收集到的海洋信息进行处理，并将处理后的数据通过天线103发射到目标船只或其他目标设备(诸如飞行器、陆地控制***等)。在达到执行任务时限时，海浪测量装置100停止工作。在自毁装置112的作用下，海浪测量装置100可在海中自毁，而无需回收。根据本发明的一个实施例，本领域的技术人员完全可以理解，控制单元110对电子舱101内上述各组件之间的信号传递进行控制，并根据预先编译的程序进行功能的触发。

根据本发明的一个实施例，传感器107可包括一个或多个用于感测海洋物理参数和电子舱内部物理参数的传感器，诸如，3向加速度传感器107-1，液位传感器107-2，压力传感器107-3，水温传感器107-4，气温传感器107-5等等。在实践中，根据不同海域的海洋环境或不同的实际需求，海浪测量装置100可包括上述传感器中的一者或多者，或包括其他的传感器。同时，本领域的技术人员完全可以理解，该一个或多个传感器107可根据实际需要，被安装在电子舱1的不同部位，以得到更为准确的感测数据。

根据本发明的一个实施例，充气***108包括高压压缩气瓶108-1，电磁阀108-2以及导气管108-3。该充气***108与传感器107和控制单元110协同工作，对气囊106进行充气。

根据本发明的一个实施例，当对气囊106进行充气时，气体可以沿导气管在电子舱内传递，使得在气体的作用下，支撑杆104上推以及重锤102向下释放。

根据本发明的一个实施例，信号***109包括信号处理装置109-1和信号发射器109-2。信号处理装置109-1将从传感器107接收到的感测数据进行处理，而信号发射器109-2用于将信号处理装置109-1处理的数据通过天线103进行发射。根据本发明的一个实施例，信号处理装置109-1包括核心计算机控制电路板(STM32)。信号发射器109-2可采用北斗卫星通讯设备来进行信号的发射和接收。

根据本发明的一个实施例，由于海浪测量装置100属于可自毁装置并且需要在海洋中工作一段时间，因此，电源111可采用不可充电、并且具有较高电池容量的电池。例如，根据实际需求，可以采用锂亚电池或锂锰电池。

根据本发明的一个实施例，自毁装置112安装在电子舱101的底部，具有锌合金金属塞，可被海水腐蚀，无需回收。

图4示出了根据本发明的一个实施例的安装有降落设备200的海浪测量装置100的未展开示意图。在实践中，为了提前知晓目标海域的海浪状况，以便更好地计划接下来的船只、舰艇编队作业，通常会有一艘先头船舶先行到达目标海域进行实地海浪探测。但是，这种方式对该先头船舶具有一定风险，且航行成本较高。因此，本发明将海浪测量装置100与降落设备200结合，以使得该海浪测量装置100能够从飞行器上大量投放到目标海域，由此迅速得到大量的海洋数据，及时传回舰艇编队中的目标船只(例如指挥船)。

参见图4，通过电子舱101顶部的降落设备连接装置114，降落设备200可被附连到海浪测量装置100以及从海浪测量装置100脱离。根据本发明的一个实施例，降落设备连接装置114为电子舱101的一部分，安装在天线103上方。根据本发明的另一个实施例，降落设备连接装置114被可拆卸式地安装到电子舱101的顶部。

此外，根据本发明的一个实施例，降落设备200可为降落伞。当海浪测量装置100从飞行器上空投后，降落伞打开，用于降低海浪测量装置100的下降速度，使得海浪测量装置100不以过快的速度砸向海面，达到保护海浪测量装置100的目的。当海浪测量装置100接触水面后，降落伞可从海浪测量装置100脱离。降落设备200与海浪测量装置100的具体连接和脱离方式不在本发明的保护范围之内，本领域的技术人员可以采用任何合适的方式来实现此功能。同时，本领域的技术人员可以理解，降落设备200的大小、形状、材料和样式可以根据具体实践来选择。

图5示出了根据本发明的一个实施例的对气囊106进行充气的方法的示意图。海浪测量装置100在被降落伞抛下时，下落过程产生一定的加速度和速度，对气囊106进行充气的时机非常重要。例如，如果气囊106在进入海面之后才被充气，则海浪测量装置100有可能由于下降速度过大，而下沉到海里浮不起来。采用本发明的充气方式，能使得海浪测量装置100在接触海面之际能被及时充气，使得海浪测量装置100能够安全地浮在海面上进行工作。

根据本发明的一个实施例，在海浪测量装置100接触海面之际，加速度传感器107-1感测到加速度方面的变化，由此接收到电子舱101触水所带来的阻力信息，同时液位传感器107-2感测到液面变化，两种传感器共同产生海浪测量装置100触及海面的信号，并将信号传递给控制单元110。控制单元110基于接收到的信号，控制电磁阀108-2打开。随着电磁阀108-2的打开，高压压缩气瓶108-1开始工作，通过导气管108-3向气囊106持续充气。当气囊106被充气至一定饱和度时，压力传感器107-3基于感测到的压力(例如，压力超过预定阈值)，将压力信号传递至控制单元110，控制单元110基于接收到压力信号，控制电磁阀108-2关闭，高压压缩气瓶108-1停止工作，不再向气囊106充气。由此，控制单元110、高压压缩气瓶108-1、电磁阀108-2、气囊106、压力传感器107-3形成一种动态自适应状态，及时控制电磁阀108-2的开启和关闭，有利地为气囊106充气提供了保障。

根据本发明的一个实施例，气囊106充气后能够将电子舱101上部全包围或半包围，使得海浪测量装置100能够浮在海面上。

根据本发明的一个实施例，当高压压缩气瓶108-1对气囊106进行充气时，释放出的气体可以沿布置在电子舱101内的导气管在电子舱101内传递，使得：在气体的作用下，(1)支撑杆104向上伸出电子舱101以顶推天线103上升；(2)重锤102向下释放。其中，支撑杆104和重锤102可以采取合适的方式(例如，磁性方式等)附连到电子舱101，以能够在气体的作用下移动。

图6示出了根据本发明的一个实施例用于收集和传输海洋数据的方法的示意图。根据本发明的一个实施例，当海浪测量装置100在海中工作时，传感器107收集海洋数据，并将收集到的海洋数据传送给信号处理装置109-1进行处理和加密。接着，信号处理装置109-1将经加密的数据传递给信号发射器109-2以通过天线103进行发射。

为了准确地预判目标海域的海洋信息，海浪测量装置100所获海浪数据的正确性尤为重要。一般而言，在海浪测量装置100随着波浪漂浮期间，可能会发生翻滚，因此，Z轴(即，竖直)方向上的数据会较为不准确，导致与实际情况差异较大的浪高数据。

根据本发明的一个实施例，由于海浪测量装置100使用了重锤102，当在海面上漂浮时，能够使得海浪测量装置100尽可能地保持竖直。此外，通过采用3向加速度传感器107-1，能够更好地直接收集Z轴方向上的数据，减小X轴和Y轴方向上的噪声数据，由此得到较高质量的浪高数据。

根据本发明的一个实施例，3向加速度传感器107-1与信号处理装置109-1包括的STM32单片机配合使用，跟随海浪测量装置100随波浪作上下运动。根据3向加速度传感器107-1测量到的Z轴的加速度值，信号处理装置109-1计算出Z轴的上下位移距离(即浪高)，由此可以求出海浪上下位移(即浪高)的周期及矢量波向。具体而言，根据本发明的一个实施例，假设3向加速度传感器107-1的采样率为5次/秒，采样间隔为200ms，测量周期为10分钟(即600秒)，则一个测量周期内可采集到3000个Z轴的加速度值。根据该3000个Z轴的加速度值，由两次积分可计算出Z轴的上下位移距离X(即浪高)，即X＝∫∫a dt。此外，基于该浪高X，可以求出1/3有效浪高，1/3有效波周期以及最大浪高。1/3有效浪高是指，10分钟测量周期内，在3000个浪高数据中过滤出最大的1000个浪高数据作为有效浪高计算。1/3有效波周期是指，10分钟测量周期内，在3000个浪高数据中过滤出最大的1000个浪高数据作为有效浪高周期计算。最大浪高是指，10分钟测量周期内，在3000个浪高数据中过滤出最大1个浪高数据作为最大浪高。矢量波向是指利用3向加速度传感器107-1采集到的X和Y加速度值计算出的波浪的运动方向。当然，本领域的技术人员完全可以理解，以上的采样率、采样间隔、测量周期等均可以根据实际需求而调整，以上数据仅为示例，而不旨在对本发明的范围进行限制。

此外，根据本发明的另一个实施例，在实践中，根据不同海域的海洋环境或不同的实际需求，海洋测量装置100可附加地使用额外的传感器107(诸如上文所说的气温传感器107-5、水温传感器107-4等)感测诸如气温、水温等海域环境状况，由此得到更加全面的海洋数据。考虑到传输安全性，信号处理装置109-1对计算得出的数据或传感器测得到的数据进行加密，以得到经加密的海洋数据。该经加密的海洋数据可包括例如经加密的浪高、浪高周期、矢量波向、气温或水温中的一者或多者。

信号处理装置109-1将经加密的海洋数据传递给信号发射器109-2，通过天线103将经加密的海洋数据发送到目标船只或指定目标设备，以供后续分析和处理。

图7示出了根据本发明的一个实施例的进行海浪测量的方法700的流程图。在步骤701，向目标海域下投海浪测量装置。根据本发明的一个实施例，可根据实际需求，从飞行器向目标海域投放一个或多个海浪测量装置。

在步骤702，海浪测量装置的降落设备打开，以向目标海域下降。

在步骤703，海浪测量装置入水。根据本发明的一个实施例，在海浪测量装置入水之际，可发生以下子步骤：对充气气囊106进行充气；降落设备2与海浪测量装置100自动脱离；重锤102释放；天线103从电子舱1内伸出。在实践中，以上各子步骤可在海浪测量装置入水瞬间同时或近乎同时发生，以使得海浪测量装置能够在入水后，尽快地在波浪中以竖直状态漂浮，并能及时传输海洋数据。

在步骤704，海浪测量装置获得海洋数据。根据本发明的一个实施例，海浪测量装置能如上参考图6所描述的那样获得经加密的海洋数据，该经加密的海洋数据包括例如有关目标海域的经加密的浪高、浪高周期、矢量波向、气温或水温中的一者或多者。

在步骤705，海浪测量装置传输海洋数据。根据本发明的一个实施例，经加密的海洋数据可通过诸如北斗卫星通讯***之类的通讯***被传输到目标船只或其他目标设备。

在步骤706，判断是否达到任务执行时限。根据本发明的一个实施例，海浪测量装置的工作时限可被预先确定，诸如海浪测量装置能够被允许连续工作的时间。根据本发明的另一个实施例，当电源的容量低于预定阈值时，可视为达到任务执行时限。根据本发明的又一个实施例，当海浪测量装置由于设备情况而无法正常运行(例如，碰撞后导致损坏、充气气囊漏气等)时，可视为达到任务执行时限。如果未达到任务执行时限，则海浪测量装置循环进行步骤704-706，直到达到任务执行时限，并进入步骤707。

在步骤707，当确定达到任务执行时限之际，海浪测量装置停止工作。根据本发明的一个实施例，随着时间流逝，在底部自毁装置的作用下，海浪测量装置可自毁，而无需回收。

以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种海浪测量装置，其特征在于，包括：

采用回转形形状的电子舱；

安装在所述电子舱上部的充气气囊；以及

重锤，所述重锤通过缆绳附连到所述电子舱的底部；

其中，所述电子舱进一步包括：

一个或多个传感器，其中所述一个或多个传感器包括用于获得浪高数据的3向加速度传感器；

充气***，所述充气***包括高压压缩气瓶，电磁阀以及导气管；

天线；

用于对所述一个或多个传感器感测到的数据进行处理并经由所述天线发射的信号***，所述信号***包括信号处理装置和信号发射器；

自毁装置；

控制单元；以及

电源。

2.如权利要求1所述的海浪测量装置，其特征在于，所述电子舱进一步包括支撑杆，当所述海浪测量装置处于展开状态时，在所述充气***的作用下：

所述支撑杆从所述电子舱内伸出以将所述天线上推；

所述充气气囊被充气以包围所述电子舱上部；以及

所述重锤向下释放。

3.如权利要求1所述的海浪测量装置，其特征在于，所述一个或多个传感器进一步包括以下中的一者或多者：液位传感器、压力传感器、水温传感器或气温传感器。

4.如权利要求1所述的海浪测量装置，其特征在于，所述自毁装置位于所述电子舱的底部，并且所述自毁装置的底部具有锌合金金属塞。

5.如权利要求1所述的海浪测量装置，其特征在于，进一步包括附接到所述电子舱的降落设备连接装置，以将降落设备附连到所述海浪测量装置。

6.一种用于测量海浪的方法，其特征在于，包括：

(a)向目标海域下投根据权利要求1－5中任一项所述的海浪测量装置；

(b)在所述海浪测量装置入水之际：

对所述海浪测量装置的充气气囊进行充气；

降落设备与所述海浪测量装置脱离；

所述海浪测量装置的重锤释放；

所述海浪测量装置的天线从所述海浪测量装置的电子舱内伸出；

(c)所述海浪测量装置获得海洋数据并通过所述天线传输给目标设备，所述海洋数据至少包括浪高数据，所述浪高数据至少部分基于由所述海浪测量装置的3向加速度传感器测得的Z轴方向数据；

(d)判断是否达到任务执行时限；以及

(e)如果未达到所述任务执行时限，则重复步骤(c)-(d)。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，对所述海浪测量装置的充气气囊进行充气进一步包括：

在所述海浪测量装置入水之际，所述海浪测量装置的控制单元基于从所述3向加速度传感器和所述海浪测量装置的液位传感器产生的指示所述海浪测量装置触及海面的信号，控制电磁阀打开；

随着所述电磁阀的打开，所述海浪测量装置的高压压缩气瓶开始通过导气管向所述充气气囊持续充气；

当所述充气气囊被充气至一定饱和度时，所述海浪测量装置的压力传感器基于感测到的压力，向所述控制单元传递压力信号；以及

所述控制单元基于接收到的压力信号，控制所述电磁阀关闭，由此所述高压压缩气瓶不再向所述充气气囊充气。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述海浪测量装置获得海洋数据进一步包括：所述海浪测量装置对所述海浪测量装置中的一个或多个传感器测得的数据进行处理并加密，经加密的海洋数据包括以下中的一者或多者：所述目标海域的浪高、浪高周期、矢量波向、气温或水温。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，判断是否达到任务执行时限进一步包括以下中的一者或多者：

判断是否达到所述海浪测量装置的预定的工作时间；

判断电源的容量是否低于预定阈值；或

判断所述海浪测量装置是否无法正常运行。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述海浪测量装置在所述电子舱底部的自毁装置的作用下自毁，所述自毁装置的底部具有锌合金金属塞。

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