CN103754327A - 一种海况测量浮标 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海况测量浮标，采用圆柱形浮标本体使浮标对波浪的运动有良好的响应，且具有较强的抗水平流作用和随波性能，以及较小的波浪激励影响，并将现有的测量部分由加速度计和机械平衡结构替换为单纯的核心电路结构，使浮标可以承受落水过程中较大的冲击和震动，满足测量需求。

Description

一种海况测量浮标

技术领域

本发明涉及海况测量领域，尤其涉及一种海况测量浮标。

背景技术

水上飞机不仅应具有普通飞机的动力特性，还要保证在水面起飞，降落和水面航行的水动特性。海浪是影响水上飞机起降的主要因素。如何确保飞机在允许的海浪范围内起降，这就需要对海况进行测量。

目前海况测量方法有多种，常用的技术包括X波段航海雷达海况探测技术、合成孔径海况探测技术及结构光三维视觉海况探测技术。

其中，X波段航海雷达对于测量局部海域几海里范围的海浪具有明显优势，因此雷达可以获得几海里范围的空间实时信息，但是该技术由于对探测器的工作入射角和监测平台相对位置有一定的要求，目前主要应用于船载监测设备，飞机上安装的类似系统由于精度不够，现主要就用于海面海藻、溢油、浮冰等情况的监测，并且该探测器的安装使用可能会对飞机自身带来一定的影响。

利用合成孔径海况探测技术是利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效天线孔径雷达，也称综合孔径雷达，它一般安装在移动的载体上对相对静止的止标成像。但是，合成孔径雷达体积大、重量大、成本不菲，机载使用还存在一系列需要克服的因素，测量海浪方面其精度还有待于提高，因此也不适用于水上飞机对海况的探测。

结构光三维视觉海况探测技术是基于光学的三角形测量原理。光学投射器将一定模式的结构光投射于物体表面，在表面形成由被测物体表面形状所调制的光条三维图像。该三维图像由处于另一位置的摄像机摄取，从面获得光条二维畸变图像。光条的畸变程度取决于光学投射器与摄像机之间的相对位置和物体表面形廓。但是该技术对测量环境相对苛刻，机载使用仍面临阳光影响问题，以及如何确定被测海面、机载光源和摄像机之间相对位置等问题，因此，上述三种探测技术并不适用于水上飞机进行机载探测。

现有技术中还采用波浪仪浮标利用测量水质点运动的加速度的原理来实现波浪参数的观测。波浪仪浮标内装有加速度传感器，浮标随水面波浪上下作圆周运动，加速度传感器所产生的信号经数字积分得到波高信号，其水平加速度经合成后得到波向信号。传统的波浪仪浮标需要使用机械平衡结构，当传感器随浮标倾斜或摇摆时，该平衡结构始终使加速度计的姿态保持在铅直方向上，但是，为了避免机械平衡结构与波浪频率发生共振，而将波浪仪浮标的体积和重量制作的较大较沉；机械平衡结构不适应在随波升沉过程中出现的高频、大倾角摇晃，在短周期波浪的作用下，加速度计的工作状态不稳定，受到“冲击”，记录出现“零漂”现象；再者，自平衡系统的结构不能承受较大的冲击与震动，容易发生机械性故障，而对于机载浮标需要投掷布置的需求，现有的波浪仪浮标无法承受落水过程中的大的冲击与震动。

发明内容

有鉴于此，为解决上述技术问题，本发明提供了一种海况测量浮标。

本发明采用的技术手段如下：一种海况测量浮标，包括浮标本体和扣合在所述浮标本体的底端的盖体；

其中，所述浮标本体包括圆柱状周面侧壁、顶壁、底壁，以及由所述圆柱状周面侧壁、顶壁和底壁围成的浮标腔体；一水密仓壳体设置于所述浮标本体底端的内表面，并由所述水密仓壳体和部分浮标本体底端的内表面围成水密仓，所述水密仓内封装有承载核心电路的电路板；所述水密仓壳体外表面和部分浮标本体底端内表面、圆柱状周面侧壁内表面以及顶壁内表面构成自毁注水腔；

所述浮标本体的顶壁外表面设置有射频天线，所述射频天线与所述电路板中的核心电路电连接；

所述盖体呈外凸球面状，并与所述浮标本体的底端外表面围成配重仓，所述配重仓内设置有配重体；所述盖体开设有至少一个进水孔；所述浮标本体底端开设有连通配重仓与所述自毁注水腔的通孔，所述通孔中设置有海水可溶塞；所述浮标本体的底端外表面设置有与所述核心电路电连接的水浸传感器。

进一步，所述核心电路包括电源、处理器，以及与所述处理器连接的三轴加速度传感器、三轴陀螺仪模块、三轴磁阻模块、射频模块，所述水浸传感器与所述处理器相连，所述射频天线与所述射频模块连接。

进一步，浮标本体的顶壁外表面设置有与所述处理器电连接的信道选择开关和运行指示灯。

进一步，所述浮标本体的底端外表面设置有与所述核心电路电连接的温度传感器。

进一步，所述浮标本体的顶壁外表面设置有围绕所述射频电线、信道选择开关和运行指示灯的防撞保护沿。

进一步，所述防撞保护沿底端设置有泄水孔。

本发明所提供的海况测量浮标，采用圆柱形浮标本体使浮标对波浪的运动有良好的响应，且具有较强的抗水平流作用和随波性能，以及较小的波浪激励影响，并将现有的测量部分由加速度计和机械平衡结构替换为单纯的核心电路结构，使浮标可以承受落水过程中较大的冲击和震动，满足测量需求。

附图说明

图1为本发明一种海况测量浮标的结构示意图；

图2为本发明海况测量浮标的核心电路结构示意图；

图3为几种典型直径球形浮标的理论波浪响应曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明是基于以下考虑实现的：

首先，浮标的形状选择：由于浮标在波浪的作用下起伏运动，其形状对波浪的响应情况直接影响测波的效果。不同直径的浮标对波浪的响应存在巨大差异，图3为几种典型直径球形浮标的理论波浪响应曲线，可以看出，浮标的直径越小，对于短周期波浪的响应越好，因此在短周期波浪测量中基本不需要对浮标的响应进行数学修正。

由于小型浮标的体积小、重量轻，所以它对小波动的反应很灵敏，这一性能对扩大浮标的频响范围是有利的。但是，小型浮标易受小波动海浪的干扰，发生高频摇晃现象，对加速度计的工作产生不利影响。另外，浮标还应具有良好的随波性，要有足够的抗倾覆能力，以适应恶劣的海况条件。浮标的体积不宜过大，以便于布放。应有较强的抗水平流作用的能力，以保持浮标的正浮姿态，减少倾角的测量误差。

薄圆饼形浮标的随波性能较好，但是在浮标尺度较小时，浮标容易发生倾覆。球形浮标的稳定性较好，而随波面倾斜的性能差。采用在浮标底部单点系留方式锚碇浮标，受水平流速的作用，浮标体会发生倾斜现象，影响对波面倾角的测量。因此工程中常多采用扁椭球体形浮标，浮标体下方垂直悬挂一条尼龙索带相连的系留体。浮标吃水线正好通过浮体中部，这样使浮标体是一个垂直稳定的平台，可使浮标的纵摇、横摇和偏转运动减至最小，而且能够使浮标跟随波浪的轨迹运动。

圆柱形浮标与上述两种形体的浮标相比，该形体受波浪激励的影响最小，对于跨海洋无线传输是最佳的平台。1977年美国伍兹霍尔海洋研究所首先研究分析了圆柱性浮标的运动特性。2003年美国麻省理工学院将圆柱形浮标技术与声学系统，无线网络技术相结合，使用户将浮标在3极海况下实现稳定的网络接入。2005年美国罗德岛大学利用圆柱形浮标的深沉运动特性设计了带有波浪发电装置的海洋环境监测浮标。我国在该方面的研究较少，中科院海洋研究所采用该类型浮标的设计、分析方法，设计研制了浅海水下视频浮标和具有波浪发电功能的锚泊浮标。

从上述描述可以看出，圆饼形、球形、圆柱形浮标在使用可以说是各有千秋，如果要使测量效果最佳，椭球体带系留体（锚系）是一种较好的方式，但针对机载投掷应用，利用圆柱形浮标受波浪激励的影响最小的特点，在设计机载海况浮标时，可以省略下端系留体，使浮标在牺牲某些方面性能的基础上使总体设计达到最佳。

其次，浮标的测量：现有的波浪仪浮标内设置有机械平衡结构和加速度传感器，通过加速度传感器所产生的信号经数字积分得到波高信号，其水平加速度经合成后得到波向信号，由此进行海况测量，但是如前所述，由于机械平衡结构并不能满足海况的测量需要，因此需要对此进行改进。

基于上述考虑，本发明提供了一种海况测量浮标，如图1所示，包括浮标本体1和扣合在浮标本体1的底端的盖体2；

其中，浮标本体1包括圆柱状周面侧壁3、顶壁4、底壁5，以及由圆柱状周面侧壁3、顶壁4和底壁5围成的浮标腔体；一水密仓壳体6设置于浮标本体底壁5的内表面，并由水密仓壳体6和部分浮标本体底壁5的内表面围成水密仓A，水密仓A内封装有承载核心电路的电路板7；水密仓壳体6外表面和部分浮标本体底壁5内表面、圆柱状周面侧壁3内表面以及顶壁4内表面构成自毁注水腔B；

浮标本体1的顶壁4外表面设置有射频天线8、信道选择开关9和运行指示灯10，射频天线8与电路板7中的核心电路电连接；

盖体2呈外凸球面状，并与浮标本体1的底壁外表面围成配重仓C，配重仓C内设置有配重体11，为了保证浮标具有良好的测量效果，配重体11的重量优选使浮标抛入水中后，浮标水下部分体积为水上部分体积的两倍；盖体2开设有至少一个进水孔12；浮标本体1底壁5开设有连通配重仓C与自毁注水腔B的通孔（未示出），通孔中设置有海水可溶塞13；浮标本体1的底壁5外表面设置有与核心电路电连接的水浸传感器14和温度传感器15。

为了保护设置于顶壁4外表面的射频天线8、信道选择开关9和运行指示灯10，优选在顶壁4外表面设置有围绕射频电线8、信道选择开关9和运行指示灯10的防撞保护沿15，进一步，为了防止海水进入防撞保护沿15，对射频电线8、信道选择开关9和运行指示灯10浸泡，在防撞保护沿15底端设置有泄水孔16。

如图2所示的本申请电路原理结构示意图，核心电路包括用于供电的电源（未示出）、处理器，以及与处理器连接的三轴加速度传感器、三轴陀螺仪模块、三轴磁阻模块、射频模块；水浸传感器、温度传感器与处理器相连，射频天线与射频模块连接，信道选择开关和运行指示灯也与处理器相连。

以下结合海况测量浮标的结合和电路对本发明海况测量浮标的工作原理进行说明：

海况测量浮标电源开启并抛入水中后，海水通过进水孔进入配重仓，位于配重仓的水浸传感器检测到海水后，核心电路处于运行状态，在工作到指定时间后，底部的海水可溶塞被海水融化，海水进入注水自毁仓，浮标沉海自毁。

在本发明中利用上述构造的核心电路替代了传统浪高仪中的传感器和机械平衡结构，其中，基于捷联惯导技术，由三轴加速度传感器、三轴陀螺仪模块、三轴磁阻模块分别采集的数据，通过处理器进行计算可得到海浪的水平运动情况和垂直运动情况。

综上所述，本发明提供的海况测量浮标，采用圆柱形浮标本体使浮标对波浪的运动有良好的响应，且具有较强的抗水平流作用和随波性能，以及较小的波浪激励影响，并将现有的测量部分由加速度计和机械平衡结构替换为单纯的核心电路结构，使浮标可以承受落水过程中较大的冲击和震动，满足测量需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种海况测量浮标，其特征在于，包括浮标本体和扣合在所述浮标本体的底端的盖体；

其中，所述浮标本体包括圆柱状周面侧壁、顶壁、底壁，以及由所述圆柱状周面侧壁、顶壁和底壁围成的浮标腔体；一水密仓壳体设置于所述浮标本体底端的内表面，并由所述水密仓壳体和部分浮标本体底端的内表面围成水密仓，所述水密仓内封装有承载核心电路的电路板；所述水密仓壳体外表面和部分浮标本体底端内表面、圆柱状周面侧壁内表面以及顶壁内表面构成自毁注水腔；

所述浮标本体的顶壁外表面设置有射频天线，所述射频天线与所述电路板中的核心电路电连接；

所述盖体呈外凸球面状，并与所述浮标本体的底端外表面围成配重仓，所述配重仓内设置有配重体；所述盖体开设有至少一个进水孔；所述浮标本体底端开设有连通配重仓与所述自毁注水腔的通孔，所述通孔中设置有海水可溶塞；所述浮标本体的底端外表面设置有与所述核心电路电连接的水浸传感器。

2.根据权利要求1所述的海况测量浮标，其特征在于，所述核心电路包括供电源、处理器，以及与所述处理器连接的三轴加速度传感器、三轴陀螺仪模块、三轴磁阻模块、射频模块，所述水浸传感器与所述处理器相连，所述射频天线与所述射频模块连接。

3.根据权利要求2所述的海况测量浮标，其特征在于，浮标本体的顶壁外表面设置有与所述处理器电连接的信道选择开关和运行指示灯。

4.根据权利要求3所述的海况测量浮标，其特征在于，所述浮标本体的底端外表面设置有与所述核心电路电连接的温度传感器。

5.根据权利要求4所述的海况测量浮标，其特征在于，所述浮标本体的顶壁外表面设置有围绕所述射频电线、信道选择开关和运行指示灯的防撞保护沿。

6.根据权利要求5所述的海况测量浮标，其特征在于，所述防撞保护沿底端设置有泄水孔。

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