CN108387220A - 一种海洋观测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海洋观测系统，其包括：安装平台、支架、辐射测量系统、气象要素测量系统和波浪要素测量系统；安装平台固定设置于水面之下，支架拆卸的连接于安装平台；辐射测量系统设置于支架的顶端；气象要素测量系统设置位置高于高潮时水面高度；波浪要素测量系统位于支架下部。本发明提供的海洋观测系统，安装平台设置在水下，可拆卸支架便于安装、移动，并且为各个测量系统提供安装位置。辐射测量系统安装在顶端，不受遮挡的测量日照辐射。气象要素测量系统用于测量气象数据，波浪要素测量系统设置位置较低，用于测量水文数据。本发明结构牢固，制造容易、成本低，安装方便，连接强度高、性能可靠，耐用性好，能抗击海上风浪等恶劣环境。
Description
技术领域
本发明涉及观测系统领域，尤其是一种海洋观测系统。
背景技术
现有综合观测系统主要位于陆地，而海洋观测设备功能往往比较单一。同时现有的观测系统准确度低、需要人工值守、自动化性能不好。
现有的日照计主要有：聚焦式(或称康培-斯托克斯式)日照计是利用太阳光经玻璃球聚焦后烧灼日照纸留下的焦痕来记录日照时数的；暗筒式(或称乔唐式)日照计的测量原理是太阳光通过仪器上的小孔射入小筒内，使涂有感光药剂的日照纸上留下感光迹线，根据感光迹线的长短来计算日照时数；暗筒式和聚焦式日照计的业务观测离不开人工操作,准确度较低,且无法实现自动化。
直接辐射检测法利用和时间记录设备相连接的直接辐射表测量直接太阳辐照度,通过阈值鉴别器进行120W/m2阈值的转换,由相应的向上和向下的转换触发时间计数器,即可确定日照时数，由于该型日照计采用了二维伺服机构对太阳进行跟踪,结构相对复杂,在环境适应性较差,往往需要人工值守,还需要进一步改进。
而且现有的检测系统没有自主检测、自动维护的装置，系统运行的稳定性、有效性不足。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种海洋环境下、数据准确性好、长期连续自动工作的综合海洋观测系统。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供一种海洋观测系统，其包括：安装平台、支架、辐射测量系统、气象要素测量系统和波浪要素测量系统；所述安装平台固定设置于水面之下，所述支架拆卸的连接于安装平台；所述辐射测量系统设置于支架的顶端，用于测量太阳辐射；所述辐射测量系统包括密闭机箱，及设置在所述密闭机箱内部的辐射计；所述密闭机箱包括透光罩，所述辐射计包括遮光带和若干热堆传感器；所述透光罩用于透光，所述遮光带的结构使得任意角度的阳光照射下，总会有一个所述热堆传感器受阳光照射、同时有另一个所述热堆传感器不受阳光照射。所述气象要素测量系统设置于支架上，设置位置高于高潮时水面高度，用于测量气象参数；所述波浪要素测量系统位于支架下部，用于测量波浪。
优选的，所述支架为热镀锌钢材，所述支架包括多层固定搭接结构，通过拆装若干层所述固定搭接结构调整支架的高度。
优选的，还包括远程设备，所述波浪要素测量系统与所述远程设备数据连接。
优选的，还包括数据记录仪，所述数据记录仪分别与所述辐射测量系统和气象要素测量系统电连接，用于采集记录数据；所述数据计量仪设置在防水防腐蚀的密闭机箱内。
进一步的，还包括远程设备，所述数据记录仪与所述远程设备数据连接。
优选的，还包括若干设置于遮光带背面的测量面朝下的热堆传感器。
优选的，所述辐射测量系统还包括太阳能电站传感器，所述太阳能电站传感器与辐射计电连接，用于监测所述辐射计的工作状态。
进一步的，所述辐射测量系统还包括加热除雾器，所述加热除雾器用于加热透光罩。
进一步的，所述辐射测量系统还包括擦拭装置，所述擦拭装置用于擦拭透光罩外表面，所述擦拭装置包括升降装置；非工作状态时，整个擦拭装置位置低于所述热堆传感器；工作状态时，所述擦拭装置的擦拭工作部件在升降装置的驱动下升高。
优选的，所述气象要素测量系统包括风速计、风向标、气压传感器、温度传感器及湿度传感器中的一种或多种。
(三)有益效果
本发明提供一种海洋观测系统，观测各类数据。安装平台设置在水下，提供了测量不同数据的设备的安装空间，可拆卸支架便于安装、移动，并且为各个测量系统提供安装位置。辐射测量系统安装在顶端，不受遮挡的测量日照辐射。气象要素测量系统用于测量气象数据，波浪要素测量系统设置位置较低，用于测量水文数据。本发明结构牢固，制造容易、成本低，易组装、安装方便，连接强度高、性能可靠，耐用性好、可长期在海上监测，能抗击海上风浪等恶劣环境。辐射测量系统的密闭机箱首先是防尘，保证光学元件的测量状态良好，遮光带和热堆传感器的设置使得设备可以在固定的情况下检测动态的阳光辐射，省去现有的实时旋转对光等复杂的旋转控制系统，装置的结构更加简单，可靠性和节能性均有很大的提升。
热镀锌钢材能够较好的适应海水环境，提高系统的寿命。支架的多层固定搭接结构，可以便于调整层数，同时正常使用时连接牢固，耐用。
波浪要素测量系统工作环境恶劣，操作者可以通过远程设备直接读取水文测量数据并使用，不必在现场调用，使用方便。
数据记录仪用于将测量得到的数据记录下来，并且其设置在防水防腐蚀的密闭机箱内，更好的适应使用环境，数据储存的安全性高。
数据记录仪也可以与远程设备数据连接，将辐射数据、气象数据和系统运行数据等传输给远程设备。操作者可以实时查阅使用。
背向设置的热堆传感器只能测量散射光，可以简化遮光带的形态设计，可以修正受遮光带遮挡的正面向上的热堆传感器的数据。
太阳能电站传感器可以监测系统运行状态，保证数据的有效性和完整性。
加热除雾器可以防止透光罩结霜、起雾，保证透光罩的透光性，确保在恶劣的气候条件下也能测得可靠的数据。
擦拭装置可以擦除透光罩表面异物，非工作状态时位置低于热堆传感器，不影响光照。
气象要素测量系统可以测量风速、风向、气压、温度和湿度等。
附图说明
图1为一种海洋观测系统的结构示意图；
图2为一种海洋观测系统的电连接结构示意图
图3为一种辐射计的原理示意图；
图4为一种辐射测量系统的结构示意图；
图5为一种辐射计的结构示意图。
【附图标记说明】
1：风速计；2：风向标；3：辐射测量系统；31：密闭机箱；32：辐射计；33：太阳能电站传感器；4：气压传感器；5：温度传感器；6：湿度传感器；7：波潮仪；8：支架；9：安装平台；10：数据记录仪。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1所示，本实施例包括一个安装平台9和一个多层固定搭接结构的支架8。安装平台9可以为水泥桩基，其埋设位置在水面之下。支架8为热镀锌钢材材质，包括底部保护架，三层可以拆装的结构，一层顶部脚手架，还有一层可拆装结构。支架8各层采用搭接结构，可以使用螺栓等固定连接方式。通过调节层数可以调节支架8的总高，每层高度可以为1-3m，也可以选取其他高度。
支架8顶端安装有辐射测量系统3，还利用水平支臂在远离辐射测量系统3的位置安装了风速计1和风向标2，分别用于测量风速和风向。二者位置优选的位于辐射测量系统的北面。支架8顶部还安装有避雷针，也用支臂设置在远离辐射测量系统3的位置，优选的设置在北面。
还在低于辐射测量系统3但高出水面的位置，设置了气压传感器4、温度传感器5和湿度传感器6，分别测量气压、温度和湿度等气象数据。图1中每层架子高2米，其中湿度传感器6的位置距离水面10m以上测量数据更好。
在支架8下部设置波浪要素测量系统7，用于测量水温、潮汐、潮位和波浪等要素，同时自身具备无线传输系统和有线传输系统。其具体位置根据波浪要素测量系统7的种类不同，可以在水面之下、水面之上或浮动于水面。
结合图2，还设置有数据记录仪10，数据记录仪10设置在防水防腐蚀的密闭机箱内。数据记录仪10分别与风速计1、风向标2、辐射测量系统3、气压传感器4、温度传感器5和湿度传感器6电连接，用于记录各个设备的测量数据。
还包括远程设备，数据记录仪10和波浪要素测量系统7可以通过有线或无线的方式与远程设备数据连接。
下面介绍具体工作原理，
辐射测量系统3采用7个微型热堆传感器和特制图案的遮光带来测量射入日光中的直射和散射部分。遮光图案和微型热堆传感器的特殊位置布局，使得无论太阳在什么位置，阳光经过遮光带滤光后，至少有1个热堆传感器完全暴露在阳光下并且至少有1个热堆完全处于遮光带的阴影下。所有7个微型热堆传感器接收同样量的散射光。根据每个热堆的读数，微处理器计算出热堆所处平面的太阳总辐射值E总和散射辐射值E散，平面总辐射减去散射可以得出平面接受到的直接辐射E直，并通过这些值计算出日照状态。
日照状态的WMO定义为与太阳直接光束垂直的平面上所接收到的直接辐射大于等于120W/m2时为有日照，小于120W/m2为无日照。如图3所示，不同季节的太阳光入射角不同，射入辐射测量系统3的直接辐射量为E入，因此：
E直＝E入/cosθ
图3中辐射测量系统3是水平放置的，当辐射测量系统3倾斜放置时，还要修正掉辐射测量系统3和地平线的夹角。同时：
E直＝E总-E散
辐射测量系统3采用一个基于E直和E散比率的运算法则来计算光照状态，此运算法则是以实验为依据的。辐射测量系统3中有7个微型热堆传感器，当辐射系统3在运行时每个微型热堆传感器都会记录辐射量的值，取其中的最大值MAX和最小值MIN进行计算。
E总＝MAX+MIN
当E总＞24W·m-2时有光照，并结合他们的绝对值，可以实现评估在WMO标准范围内的少数百分比。
辐射测量系统3可以辐射WMO标准的日照阈值，拥有120W/m2导向光束，其形成的光谱理想，余弦响应理想，输出灵敏度高。
如图4所示，辐射测量系统3包括密闭机箱31、辐射计32和太阳能电站传感器33。密闭机箱31可以是一个，也可以是通过密封管道连接起来的多个，具有防水防潮防腐蚀的性能。辐射计32包括遮光带、热堆传感器和处理器等。遮光带和热堆传感器设置在密闭机箱31的透光罩处，透光罩为精密的玻璃材质半球状。处理器与热堆传感器电连接，处理器可以设置在与热堆传感器不同位置的密闭机箱31内。太阳能电站传感器33与辐射计32电连接，用于检测辐射计32的工作状态。
如图5所示，另一种结构的辐射计，上层热堆传感器设置在遮光带之上能接收到太阳直射，下层热堆传感器受遮光罩的影响，不能直接被照射，只能接受散射光。依据前述公式计算日照状态。整个辐射计处于透光罩之内。
辐射计的结构也可以是在遮光带的背光面加设热堆传感器，这样这个只能接受散射光的热堆传感器与能接受阳光直射的热堆传感器是面对面设置的，这样遮光带的形态设计更灵活。
辐射测量系统3内置加热除雾器，用于加热透光罩，防止其结霜起雾。
透光罩处还设置有擦拭装置，擦拭装置包括升降装置；非工作状态时，整个擦拭装置位置低于所述热堆传感器；工作状态时，所述擦拭装置的擦拭工作部件在升降装置的驱动下升高，然后擦拭透光罩表面。其可以在夜间擦拭。
擦拭装置的工作部可以为一个较厚的毛刷或海绵，只需平移即可擦拭整个透光罩。也可以包括一个半圆形转动臂，其转动轴通过半球形的透光罩的球心，半圆形转动臂的内侧包括擦拭布，在转动过程中擦拭整个透光罩。
数据记录仪10连接10个风速计专用通道，测量每秒真实风速平均值，2个风向标专属通道，13个通用模拟通道，每秒以同样的方式对于所有传感器通道的数据进行采集，将数据保存至存储卡，除此之外，还有十分钟平均值、时间戳和十分钟间隔结束一刻的日期和时间。
数据记录仪10内设置自己的操作系统，操作系统可以组织并装载配置，包括操作通信接口、显示和键盘，并保存此过程。异步记录随时提供用户数据下载、系统警报状态、手动访问和配置改变等。同样，异步记录在当前十分钟结束时被存储在非易失性存储器中。
数据记录仪10所有通道全部1s采样一次，提供精确的湍流强度计算，提供标准方差、最大值和最小值计算功能，并且拥有先进的传感器错误诊断功能。完整的信息显示和日志状态显示及全球定位系统模块使得测风设备的任何故障第一时间发现，最大程度保证了数据的完整性和准确性。
同时数据记录仪10包括远程在线下载功能，实时数据观看功能和短信数据调阅功能，可以随时随地了解工作状态，有助于快速维修故障来实现数据可用性最大化。
风速计1、风向标2、辐射测量系统3、气压传感器4、温度传感器5和湿度传感器6分别使用ASCII码和/或模拟电压信号输出方式与数据记录仪10电连接，数据记录仪10再与远程设备数据连接。也可以这些设备单独加设支持Modbus RTU通讯协议或Modbus TCP通讯协议的通讯模块，然后各自独立和远程设备连接。
波潮仪7测量潮位时，平均间隔可设为10秒到9小时。当测量波浪时，脉冲频率有1Hz，2Hz，4Hz和6Hz四种，可自行选择脉冲频率，波潮仪7采集512或1024或2048组数据来计算波浪。波潮仪7可设置为定时起动或条件启动，如通过潮位数据的标准差来控制，此时可能预示风暴来临。温度精度达到±0.002℃。深度传感器精度为满量程的0.05％。
大容量8MB固态存储器，存储数据与设定的平均周期和脉冲频率有关，校准常数存储在仪器内，方便用户进行校准。电池使用两节3V高能锂电池，即普通相机电池，25℃下电量为1300mAh。举例：
1，每30分钟以4Hz频率采集2048个数据，即工作512秒，8MB存储可工作24天，电量消耗55％；
2，每30分钟以2Hz频率采集2048个数据，即工作1024秒，8MB存储可工作24天，电量消耗62％；
3，每3个小时以2Hz频率采集2048个数据，8MB存储可工作146天。
波潮仪10内部时钟精度为±32秒/年。如果需要实时传送数据，可以配上水密接头，并利用无线电或CDMA等通讯手段。
可显示：采样率，潮位脉冲周期，潮周期，波浪脉冲周期，波浪周期，风暴潮起动，波谱分解。
可分析数据得到：平均波高，潮汐落差，主要波高H1/3，最大和最小波高，平均周期，平均，波峰周期，主要波周期T1/3，总能量E等。
本实施例提供的海洋观测系统包括远程设备，如手机、电脑。多个设置在不同水域的本实施例，其包括的多组数据记录仪10和波浪要素测量系统7可以与同一台远程设备数据连接。
还可以设置多处安装平台9，可拆卸的支架8根据需要，设置于不同的安装平台9处，如冬夏位置不同，或是深水区浅水区不同，或是多个本实施例位置互换等。有助于跟好的适应环境、满足测量需求，还可以辅助校准设备。通过GPS定位或北斗定位，远程设备实时更新本实施例支架8的实际设置位置。
上实施例仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种海洋观测系统，其特征在于，其包括：安装平台(9)、支架(8)、辐射测量系统(3)、气象要素测量系统(1,2,4,5,6)和波浪要素测量系统(7)；
所述安装平台(9)固定设置于水面之下，所述支架(8)拆卸的连接于安装平台(9)；
所述辐射测量系统(3)设置于支架(8)的顶端，用于测量太阳辐射；
所述辐射测量系统(3)包括密闭机箱(31)，及设置在所述密闭机箱(31)内部的辐射计(32)；
所述密闭机箱(31)包括透光罩，所述辐射计(32)包括遮光带和若干热堆传感器，全部热堆传感器的检测面相互平行设置；
所述透光罩用于透光，所述遮光带的结构使得任意角度的阳光照射下，总会有一个所述热堆传感器受阳光照射、同时有另一个所述热堆传感器不受阳光照射；
所述气象要素测量系统(1,2,4,5,6)设置于支架(8)上，设置位置高于高潮时水面高度，用于测量气象参数；
所述波浪要素测量系统(7)位于支架(8)下部，用于测量波浪。
2.如权利要求1所述的海洋观测系统，其特征在于：所述支架(8)为热镀锌钢材，所述支架(8)包括多层固定搭接结构，通过拆装若干层所述固定搭接结构调整支架(8)的高度。
3.如权利要求1所述的海洋观测系统，其特征在于：还包括远程设备，所述波浪要素测量系统(7)与所述远程设备数据连接。
4.如权利要求1所述的海洋观测系统，其特征在于：还包括数据记录仪(10)，所述数据记录仪(10)分别与所述辐射测量系统(3)和气象要素测量系统(1,2,4,5,6)电连接，用于采集记录数据；
所述数据计量仪(10)设置在防水防腐蚀的密闭机箱内。
5.如权利要求4所述的海洋观测系统，其特征在于：还包括远程设备，所述数据记录仪(10)与所述远程设备数据连接。
6.如权利要求1所述的海洋观测系统，其特征在于：还包括若干设置于遮光带背面的测量面朝下的热堆传感器。
7.如权利要求1所述的海洋观测系统，其特征在于：所述辐射测量系统(3)还包括太阳能电站传感器(33)，所述太阳能电站传感器(33)与辐射计(32)电连接，用于监测所述辐射计(32)的工作状态。
8.如权利要求1所述的海洋观测系统，其特征在于：所述辐射测量系统(3)还包括加热除雾器，所述加热除雾器用于加热透光罩。
9.如权利要求1所述的海洋观测系统，其特征在于：所述辐射测量系统(3)还包括擦拭装置，所述擦拭装置用于擦拭透光罩外表面，所述擦拭装置包括升降装置；
非工作状态时，整个擦拭装置位置低于所述热堆传感器；
工作状态时，所述擦拭装置的擦拭工作部件在升降装置的驱动下升高。
10.如权利要求1所述的海洋观测系统，其特征在于：所述气象要素测量系统包括风速计(1)、风向标(2)、气压传感器(4)、温度传感器(5)及湿度传感器(6)中的一种或多种。
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