CN109878638A - 一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋监测设备领域，尤其是一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统。其包括:水帆、波浪能浮标平台、浮球、钢缆和锚块，所述水帆由四块帆板构成，四块帆板呈十字形固定连接于波浪能浮标平台的外框架上，所述浮球与钢缆的顶端相连接，所述锚块与钢缆的底端相连接，所述钢缆穿过波浪能浮标平台，所述波浪能浮标平台沿钢缆爬行。它可随海洋涡旋漂流，实现对海洋涡旋，尤其亚中尺度涡旋三维剖面结构的长时间连续、自适应跟踪、多参数同步、超高时空分辨观测。

Description

一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统

技术领域

本发明涉及海洋监测设备领域，尤其是一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统。

背景技术

海洋涡旋是海洋环流的重要组成部分，其空间尺度通常从几千米到几百千米，时间尺度从几天到几年，对海洋中的物质、能量、热量等传输和混合起着重要作用，同时对海洋中多尺度运动、海洋生态、大气环境及气候变化等都有着十分重要的影响。因此，海洋涡旋已成为当前海洋科学研究的前沿和热点问题之一。

海洋涡旋研究的重要前提是准确获取其随时间变化的三维流场、温盐、生化参数等结构信息。目前，获取海洋涡旋信息的主要途径分为海洋卫星遥感和现场观测两种手段。首先，海洋卫星遥感手段通常根据卫星高度计数据，进行海面高度异常统计，以实现对涡旋的识别和追踪。这种手段对全球海洋涡旋长时间尺度下的基本特征统计较为有效，但缺点也较为明显。一方面受制于当前卫星遥感分辨率限制，还无法实现对海洋亚中尺度涡旋的识别观测(亚中尺度涡旋是实现不同尺度动力过程物质循环和能量级联的关键纽带，其机理对提高全球气候的精细化预报水平具有至关重要作用)；另一方面当前海洋遥感技术还不足以穿透海洋表面，无法直接探测涡旋内部三维结构。因此，当前卫星遥感观测手段只能满足对海洋涡旋的初步观测。其次，现场观测手段主要包括潜标、水下滑翔机、漂流浮标、船测等手段。其中，潜标观测是一种“守株待兔”方式，无法实现对运动涡旋的跟踪观测，观测数据有限，且成本极高；水下滑翔机技术往往依赖于卫星对涡旋识别追踪数据以进行路径规划，同时也无法实现自适应跟涡观测(跟流效果有限)，存在跟涡滞后性，而且搭载传感器能力有限，无法实现多参数同步观测，对短周期涡旋(几天)观测时间分辨率仍稍显不足；漂流浮标具备较好的跟涡效果，但通常只能测量表面流场，而无法真实反映涡旋内部的三维流场结构(深度可达几百米)，同时涡旋其它三维参数根本无从获取；船测通常仅能获取涡旋局部的三维流场分布，受制于成本，还无法作为常用有效手段。因此，发展一种高时空分辨率、具备跟涡自适应、多参数同步的现场观测系统对海洋涡旋三维结构信息获取具有重要价值。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供了一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，它一方面可随海洋涡旋漂流，可实现对海洋涡旋，尤其亚中尺度涡旋三维剖面结构的长时间连续、自适应跟踪、多参数同步、超高时空分辨观测；一方面解决了小驱动力作用下单/双向状态无法正常切换的问题，即具有高灵敏性；一方面解决了恶劣海况下单/双向状态切换控制部件的误触发问题，即具有防误触发设计；再一方面解决了高频次剖面连续工作的严重磨损问题，即具有防磨损设计；可以在波浪的作用下，波浪能浮标平台沿钢缆上下运动，往复不断，可搭载不同类型的传感器，完成海洋三维剖面参数测量，布放/回收方便、搭载(负载)能力强、不消耗电源、工作深度从几米至几百米、且能获取长时间序列、超时空高分辨率剖面信息，其采用的技术方案如下：

一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于，包括:水帆、波浪能浮标平台、浮球、钢缆和锚块，所述水帆由四块帆板构成，四块帆板呈十字形固定连接于波浪能浮标平台的外框架上，所述浮球与钢缆的顶端相连接，所述锚块与钢缆的底端相连接，所述钢缆穿过波浪能浮标平台，所述波浪能浮标平台沿钢缆爬行。

在上述技术方案基础上，所述钢缆上固定有上触发块和下触发块，所述上触发块靠近浮球，所述下触发块靠近锚块，所述波浪能浮标平台包括支撑柱、隔离架、大浮块、主支撑板、钢缆单/双向控制单元、杠杆单元、同心限位单元，所述隔离架和支撑柱构成一可搭载各种传感器的搭载平台，所述隔离架固接于支撑柱上，所述主支撑板为两块，固定安装于隔离架上；所述大浮块可拆卸对称连接于隔离架左右两侧上，所述钢缆单/双向控制单元、杠杆单元和同心限位单元设置于两主支撑板之间，所述钢缆穿过同心限位单元和钢缆单/双向控制单元，由钢缆单/双向控制单元控制钢缆可双向运动或仅可单向运动，所述波浪能浮标平台完全浸没于海水中所受的浮力大于其自重。

在上述技术方案基础上，所述钢缆单/双向控制单元包括基板、契形框、卡轮、卡轮框、切换板和卡块，所述切换板、卡轮框、契形框和基板由前至后依次排列，所述契形框固接于基板上，所述契形框具有导向槽，所述导向槽上宽下窄，所述卡轮框滑动连接于契形框上，可相对契形框上下滑动；所述卡轮框具有与导向槽等数量的框槽，框槽之间由横板分隔，所述卡轮位于导向槽和框槽中，每个导向槽中具有两个卡轮，所述切换板与卡轮框相固接，所述切换板下部两侧各具有一条弹性条，所述弹性条的尾端均具有一三角形凸起，所述卡块为两个，固定安装于基板上；所述卡块具有止挡弹性条三角形凸起的凸起部，所述凸起部为三角形，顶面和底面均为斜面；所述三角形凸起的顶面和底面均为斜面，所述杠杆单元包括杠杆、杠杆架、转轴和连接块，所述连接块固定安装于切换板上，所述杠杆与连接块相固接，所述杠杆架的两端分别与两主支撑板转动连接，所述转轴连接于杠杆架上，所述杠杆的两端开设有安装通孔，所述安装通孔的孔径大于转轴的直径，所述转轴穿过杠杆的安装通孔，所述基板与主支撑板相固接，所述杠杆架、转轴、同心限位单元均为两个，两同心限位单元分设于钢缆单/双向控制单元上下两侧，两杠杆架分设于杠杆的上下两端处。

在上述技术方案基础上，所述杠杆架由左横杆部、右横杆部和U形臂一体构成，所述左横杆部与左侧主支撑板转动连接，所述右横杆部与右侧主支撑板转动连接，转轴连接于U形臂上，所述左横杆部和右横杆部的轴线重合，所述转轴的轴线与左横杆部的轴线平行但不重合，钢缆穿过U形臂和转轴围成的闭合区域。

在上述技术方案基础上，所述同心限位单元包括：上安装框、下安装框、支撑块、固定板、第一销轴、第一滚筒、第二销轴和第二滚筒，所述上安装框、下安装框、支撑块通过螺栓由上至下依次固接于一起，所述支撑块与主支撑板相固接，所述第一销轴固定安装于上安装框上，所述第一销轴为两条，平行布设；所述第一滚筒套装于第一销轴上，所述第二销轴固定安装于下安装框上，所述第二销轴为两条，平行布设；所述第二滚筒套装于第二销轴上，所述第一销轴的轴线与第二销轴的轴线相垂直，所述固定板的底部通过螺栓与下安装框相固接，固定板的头端与上安装框相卡接，所述钢缆穿于两第一滚筒之间及两第二滚筒之间，所述支撑块通过螺栓与主支撑板相固接。

在上述技术方案基础上，所述钢缆单/双向控制单元还包括等高柱和螺钉，所述基板的两侧处开设有螺纹孔，所述契形框的两侧处开设有通孔，所述卡轮框和切换板的两侧处开设有长条形限位槽，所述等高柱具有中空的头部和杆部，所述等高柱的杆部依次穿过切换板上的长条形限位槽、卡轮框上的长条形限位槽和契形框上的通孔，所述螺钉穿入等高柱中并与基板上的螺纹孔螺纹连接，所述螺钉的螺头压紧等高柱的头部，所述卡轮被夹于基板和切换板之间且卡轮的前端面与切换板的后端面之间具有间隙。

在上述技术方案基础上，当切换板处于向下最大行程处时，卡轮夹于导向槽底边和框槽顶边之间，此时导向槽的底边、与导向槽对应的框槽的顶边及导向槽的两侧边围成一上宽下窄的区域，所述区域的高度大于卡轮的直径，两卡轮位于区域的最底部处时，两卡轮之间的最近距离小于钢缆的直径，两卡轮位于区域的最顶部处时，两卡轮之间的最近距离大于钢缆的直径。

在上述技术方案基础上，所述杠杆单元还包括调节浮块，所述调节浮块固定安装于杠杆上，所述调节浮块密度小于水，所述调节浮块在水中提供的净浮力F_净(浮块)与杠杆架在水中的净重力G_{净(杠杆架)}及杠杆在水中的净重力G_净(杠杆)三者之间的关系为：F_净(浮块)＝G_净(杠杆)+2G_{净(杠杆架)}。

在上述技术方案基础上，还包括小浮块，其可拆卸连接于波浪能浮标平台的前侧面和后侧面遮挡钢缆单/双向控制单元、杠杆单元、同心限位单元。其中支撑柱、隔离架、大浮块、主支撑板和小浮块均属于波浪能浮标平台的外框架。

在上述技术方案基础上，所述水帆采用亲水性强、耐磨性好的尼龙材料，所述水帆表面加绒毛以增加粗糙度。

本发明具有如下优点：它一方面可随海洋涡旋漂流，可实现对海洋涡旋，尤其亚中尺度涡旋三维剖面结构的长时间连续、自适应跟踪、多参数同步、超高时空分辨观测；一方面解决了小驱动力作用下单/双向状态无法正常切换的问题，即具有高灵敏性；一方面解决了恶劣海况下单/双向状态切换控制部件的误触发问题，即具有防误触发设计；再一方面解决了高频次剖面连续工作的严重磨损问题，即具有防磨损设计；可以在波浪的作用下，波浪能浮标平台沿钢缆上下运动，往复不断，可搭载不同类型的传感器，完成海洋三维剖面参数测量，布放/回收方便、搭载(负载)能力强、不消耗电源、工作深度从几米至几百米、且能获取长时间序列、超时空高分辨率剖面信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1：本发明去除水帆后的立体结构示意图；

图2：本发明所述搭载平台的立体结构示意图；

图3:本发明所述钢缆单/双向控制单元与杠杆单元结合后的结构示意图；

图4：本发明所述支撑柱、钢缆单/双向控制单元、杠杆单元和同心限位单元的爆炸结构示意图；

图5：本发明所述支撑柱、钢缆单/双向控制单元、杠杆单元和同心限位单元装配后的结构示意图；

图6：本发明所述钢缆单/双向控制单元的的爆炸结构示意图；

图7：本发明所述钢缆单/双向控制单元处在单向工作模式下的结构示意图(去除切换板和卡块后)；

图8：本发明所述钢缆单/双向控制单元处在双向工作模式下的结构示意图(去除卡轮框、切换板和卡块后)；

图9：本发明所述杠杆单元的局部放大结构示意图；

图10：本发明所述同心限位单元的爆炸结构示意图；

图11：本发明所述水帆和波浪能浮标平台组合后的立体结构示意图；

图12：本发明的立体结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图11和图12所示，本实施例的一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于，包括:水帆600、波浪能浮标平台500、浮球6、钢缆7和锚块9，所述水帆600由四块帆板构成，四块帆板呈十字形固定连接于波浪能浮标平台的外框架上，所述浮球6与钢缆7的顶端相连接，所述锚块9与钢缆7的底端相连接，所述钢缆7穿过波浪能浮标平台500，所述波浪能浮标平台500沿钢缆7爬行。

如图1至图10所示，优选的，所述钢缆7上固定有上触发块87-1和下触发块87-2，所述上触发块87-1靠近浮球6，所述下触发块87-2靠近锚块9，所述波浪能浮标平台500包括支撑柱50、隔离架51、大浮块52、主支撑板80、钢缆单/双向控制单元100、杠杆单元200、同心限位单元300，所述隔离架51和支撑柱50构成一可搭载各种传感器的搭载平台，所述隔离架51固接于支撑柱50上，所述主支撑板80为两块，固定安装于隔离架51上；所述大浮块52可拆卸对称连接于隔离架51左右两侧上，所述钢缆单/双向控制单元100、杠杆单元200和同心限位单元设置于两主支撑板80之间，所述钢缆7穿过同心限位单元300和钢缆单/双向控制单元100，由钢缆单/双向控制单元100控制钢缆可双向运动或仅可单向运动，所述波浪能浮标平台500完全浸没于海水中所受的浮力大于其自重。两触发块之间的距离即为波浪能浮标平台运动深度范围。其中浮球6宜为“圆柱”型，即中部线径相等。该形状可保证在同样波浪条件下，当浮球浸入水中相同的深度时具备较大的浮力，并提供较大的瞬时加速度，有助于提高系统的工作灵敏性。

如图6至图8所示，优选的，所述钢缆单/双向控制单元100包括基板1、契形框2、卡轮21、卡轮框3、切换板4和卡块10，所述切换板4、卡轮框3、契形框2和基板1由前至后依次排列，所述契形框2固接于基板1上，所述契形框2具有导向槽20，所述导向槽20上宽下窄，所述卡轮框3滑动连接于契形框2上，可相对契形框2上下滑动；所述卡轮框3具有与导向槽20等数量的框槽30，框槽30之间由横板32分隔，所述卡轮21位于导向槽20和框槽30中，每个导向槽20中具有两个卡轮21，所述切换板4与卡轮框3相固接，所述切换板4下部两侧各具有一条弹性条40，所述弹性条40的尾端均具有一三角形凸起41，所述卡块10为两个，固定安装于基板1上；所述卡块10具有止挡弹性条40三角形凸起41的凸起部，所述凸起部为三角形，顶面和底面均为斜面；所述三角形凸起41的顶面和底面均为斜面，所述杠杆单元200包括杠杆82、杠杆架83、转轴84和连接块，所述连接块固定安装于切换板4上，所述杠杆82与连接块相固接，所述杠杆架83的两端分别与两主支撑板80转动连接，所述转轴84连接于杠杆架上，所述杠杆82的两端开设有安装通孔82a，所述安装通孔82a的孔径大于转轴84的直径，大于的量由杠杆实际移动位移决定，所述转轴84穿过杠杆82的安装通孔82a，所述基板1与主支撑板80相固接，所述杠杆架83、转轴84、同心限位单元300均为两个，两同心限位单元300分设于钢缆单/双向控制单元100上下两侧，两杠杆架83分设于杠杆82的上下两端处。

如图9所示，优选的，所述杠杆架83由左横杆部83-1、右横杆部83-2和U形臂83-3一体构成，所述左横杆部83-1与左侧主支撑板80转动连接，所述右横杆部83-2与右侧主支撑板80转动连接，转轴84连接于U形臂83-3上，所述左横杆部83-1和右横杆部83-2的轴线重合，所述转轴84的轴线与左横杆部83-1的轴线平行但不重合，钢缆7穿过U形臂和转轴84围成的闭合区域。

如图10所示，优选的，所述同心限位单元300包括：上安装框88-1、下安装框88-2、支撑块88-3、固定板88-4、第一销轴88-5、第一滚筒88-6、第二销轴88-7和第二滚筒88-8，所述上安装框88-1、下安装框88-2、支撑块88-3通过螺栓由上至下依次固接于一起，所述支撑块88-3与主支撑板相固接，所述第一销轴88-5固定安装于上安装框88-1上，所述第一销轴88-5为两条，平行布设；所述第一滚筒88-6套装于第一销轴88-5上，所述第二销轴88-7固定安装于下安装框88-2上，所述第二销轴88-7为两条，平行布设；所述第二滚筒88-8套装于第二销轴88-7上，所述第一销轴88-5的轴线与第二销轴88-7的轴线相垂直，所述固定板88-4的底部通过螺栓与下安装框88-2相固接，固定板88-4的头端与上安装框88-1相卡接，所述钢缆7穿于两第一滚筒88-6之间及两第二滚筒88-8之间，所述支撑块88-3通过螺栓与主支撑板80相固接。宜选的，第一滚筒88-6和第二滚筒88-8采用耐磨POM材料。

通过滚筒两两交叉的同心、限位、滚动设计，不仅使钢缆在通过中心部位的钢缆单/双向控制单元100时基本处于竖直状态，保证了卡轮与钢缆间的有效耦合，实现了钢缆单/双向两种工作模式的稳定切换，而且又大大降低了波浪能浮标平台上下移动及钢缆倾斜时钢缆与系统零部件间的有害摩擦，明显提升波浪能浮标平台的剖面数量，延长波浪能浮标平台的在位工作时间。

优选的，所述杠杆82上具有柱形块，所述连接块具有凹陷的承接部，所述柱形块与承接部相配适，所述柱形块与连接块通过螺栓连接。

优选的，所述钢缆单/双向控制单元100还包括等高柱46和螺钉47，所述基板1的两侧处开设有螺纹孔，所述契形框2的两侧处开设有通孔22，所述卡轮框3和切换板4的两侧处开设有长条形限位槽33，所述等高柱46具有中空的头部和杆部，所述等高柱46的杆部依次穿过切换板4上的长条形限位槽33、卡轮框3上的长条形限位槽33和契形框2上的通孔22，所述螺钉47穿入等高柱46中并与基板1上的螺纹孔螺纹连接，所述螺钉47的螺头压紧等高柱46的头部，所述卡轮21被夹于基板1和切换板4之间且卡轮21的前端面与切换板4的后端面之间具有间隙。确保卡轮在契形框的导向槽内自由移动而不与前面的切换板发生干涉，且不能发生倾斜和翻转。所述等高柱46的头部后侧面与切换板4的前侧面之间具有间隙。

宜选的，所述切换板的上端面处向后延伸形成有上止挡板，所述切换板4的下端面处向后延伸形成有下止挡板，所述卡轮框3夹于上止挡板和下止挡板之间，上止挡板和下止挡板间的间距与卡轮框长度相等，所述上止挡板和下止挡板上开设有第一钢缆通孔45。

进一步，所述等高柱46的头部后侧面与切换板4的前侧面之间具有间隙。防止因等高柱46直接压紧在切换板表面而阻碍切换板移动，影响切换板沿限位槽的自由移动。

优选的，当切换板4处于向下最大行程处时，卡轮21夹于导向槽20底边和框槽30顶边之间，此时导向槽20的底边、与导向槽20对应的框槽30的顶边及导向槽20的两侧边围成一上宽下窄的区域36，所述区域36的高度大于卡轮21的直径，两卡轮21位于区域36的最底部处时，两卡轮21之间的最近距离小于钢缆的直径，两卡轮21位于区域46的最顶部处时，两卡轮21之间的最近距离大于钢缆的直径。目的是为卡轮21提供上行的空间，使得在此状态下，两卡轮21仅允许钢缆上行，不允许钢缆下行。需要说明的是本段所述的距离非指圆心距，而是指轮面距。

在外力作用下向下推动切换板，在此过程中切换板将带动卡轮框一起向下移动，六个卡轮在重力作用下移动到契形框导向槽狭窄的底端，弹性条上的三角形凸起克服卡块凸起部的向上的阻力，弹性条产生形变，三角形凸起越过卡块的凸起部，最终卡块的凸起部的底斜面止挡弹性条上三角形凸起的顶斜面，阻止切换板上行，卡轮与钢缆紧密接触。此时当向下拉钢缆时，会带动卡轮向下移动，紧紧挤压钢缆，越拉越紧，呈锁紧状态；当向上拉钢缆时，钢缆会带动卡轮向上移动，使卡轮与钢缆脱离，即可以轻松拉出钢缆。因此该状态下钢缆只能向上自由拉动而无法向下拉动，此即为单向工作模式。

当在外力作用下向上推动切换板时，弹性条上的三角形凸起克服卡块凸起部的向下阻力，弹性条产生形变，三角形凸起越过卡块的凸起部，最终卡块的凸起部的顶斜面止挡弹性条上三角形凸起的底斜面，阻止切换板下行，在此过程中切换板将带动卡轮框一起向上移动，卡轮框的横板带动卡轮一起向上移动，直至移至契形框导向槽宽敞的顶部，此时卡轮与钢缆完全脱离，钢缆处于自由状态，可双向拉动。

优选的，所述杠杆单元200还包括调节浮块85，所述调节浮块85固定安装于杠杆上，所述调节浮块85密度小于水，所述调节浮块85固定安装于杠杆上，所述调节浮块85在水中提供的净浮力F_净(浮块)与杠杆架83在水中的净重力G_{净(杠杆架)}及杠杆82在水中的净重力G_净(杠杆)三者之间的关系为：F_净(浮块)＝G_净(杠杆)+2G_{净(杠杆架)}。

此解决了水下工作时杠杆及杠杆架因重力因素导致的杠杆架受到的触发力度不一致问题，即向下由双向转单向状态时极易触发，而向上由单向转双向状态时较难触发，最终解决了因杠杆两端触发力度不一致而引起的灵敏性问题。

进一步，在恶劣海况或海流较大条件下，钢缆倾斜角度过大时，会使得钢缆与杠杆架的U形臂发生摩擦而发生误触发，导致工作剖面不完整而中断。因此，为防止误触发，应满足：即使钢缆达到最大倾斜角度(即钢缆与主支撑板棱边发生干涉时)也无法与杠杆架的U形臂发生触碰，设刚发生触碰时U形臂的内壁宽度为极限宽度L_极，则杠杆架的U形臂的实际内壁宽度L₀应不小于L_极，即：

L₀≥L_极

其中，L为两主支撑板内表面间距；

l₁为杠杆架U形臂内侧边与主支撑板间的距离；

h₁为上杠杆架U形臂上表面与主支撑板上表面间的垂直距离；

h₀为同心限位单元第二滚筒中心水平面与杠杆架U形臂上表面间的垂直距离；

l₂为同心限位单元第二滚筒最靠中心的边缘与主支撑板间的距离；

由上述三公式得到：

一般来说，L、l₂、h₀值确定，改变h₁，即可改变L₀的大小；

另外，杠杆架宽度的增加，必然使得触发块线度增加，而触发块线度的增加同时增加触发块与主支撑板顶端发生干涉的几率，进而导致单/双向状态切换失败，因此，杠杆架U形臂内壁间距取其最小值。

进一步，还包括小浮块53，其可拆卸连接于波浪能浮标平台500的前侧面和后侧面遮挡钢缆单/双向控制单元100、杠杆单元200、同心限位单元300。其中支撑柱、隔离架、大浮块、主支撑板和小浮块均属于波浪能浮标平台的外框架。

其中大浮块用于调节波浪能浮标平台的整体浮力，并确保波浪能浮标平台的浮心高于重心，且波浪能浮标平台在水中的净浮力大于零；小浮块用于微调浮心，确保波浪能浮标平台的浮心与重心在其中心竖直线上，如此波浪能浮标平台不易倾倒。

进一步地，工作条件及系统受力约束条件为：

1)工作过程中锚块不能触底，应保持悬在水体中；

2)浮球半漂浮在水面上；

3)波浪能浮标平台的净浮力大于零，其大小应根据波浪能浮标平台自由上浮时的稳定速度大小决定；

4)a_钢缆>a_平台。当一个波浪袭来时，浮球被“淹没”瞬间因浮球的浮力对钢缆产生的最大瞬间加速度a_钢缆只有大于波浪能浮标平台在钢缆瞬间抽出时因自身净浮力产生的加速度a_平台，即a_钢缆>a_平台时，系统正常工作。在此条件下，钢缆抽出的位移大于波浪能浮标平台瞬间上升的位移，从而使波浪能浮标平台沿钢缆相对钢缆向下运动，达到向下“爬行”目的。且a_钢缆、a_平台两者差异越大，波浪能浮标平台每次沿缆向下运动位移越大，达到效果越好。当浮球被设计成“圆柱型”时，每一次波浪袭来时产生的a_钢缆较大(这也是浮球被设计成为“圆柱型”的原因)。

a_钢缆：波浪袭来时在浮球被“浸没”时产生的浮力作用下，钢缆被浮球“猛拉”的最大瞬间加速度；

a_平台：波浪能浮标平台在钢缆向上抽出而被完全“释放”瞬间自由上浮时的最大加速度；

F_浮(浪)：浮球在波浪袭来时因被“浸没”而产生的最大浮力；

m_球：浮球的质量；

m_缆：钢缆的质量；

m_锚：锚块的质量；

F_净浮(台)：波浪能浮标平台的净浮力；

M_台：波浪能浮标平台的质量；

5)θ≤θ₀。当水流对钢缆产生较大阻力时(尤其当钢缆较长且水流流速较大时更为显著)，而使钢缆倾斜角度过大，可能导致系统无法正常工作。因此约束条件为：钢缆倾角θ不大于系统正常工作时允许的最大倾角θ₀(θ≤θ₀：穿过同心限位机构的钢缆倾斜时与主支撑板顶端发生接触摩擦时的角度。因为，当产生较大摩擦时，不仅降低触发块与杠杆触发机构的撞击力度，进而导致钢缆单/双向控制单元不能正常切换；而且也会导致波浪能浮标平台无法沿钢缆正常“向下爬行”或“上升”)。

注：因临界条件下钢缆及波浪能浮标平台受到的水流阻力远大于浮球及锚块，为简化起见，在上式中，上半浮球受到的风力及下半浮球和锚块受到的水流阻力忽略不计。

系统正常工作时允许的最大倾角θ₀满足：

由约束条件：θ≤θ₀得

即

其中：

θ：钢缆倾角(与竖直线间的夹角)；

f_阻：水下钢缆与波浪能浮标平台所受的水流阻力之和；

G_净：锚块在水中的净重力；

C：阻力系数；

ρ：系统工作环境的水体密度；

υ：水体相对于水下钢缆的相对速度；

S₀：波浪能浮标平台的迎流面积；

S₁：水下钢缆的迎流面积；

θ₀：系统正常工作时允许的钢缆最大倾角；

h₁，上杠杆架(杠杆架为两个，上杠杆架是指位于上方的杠杆架)U形臂上表面与主支撑板上表面间的垂直距离；

h₀，同心限位单元下滚筒中心水平面与杠杆架U形臂上表面间的垂直距离；

l₂，同心限位单元下滚筒最靠中心的边缘与主支撑板间的距离；

即：当θ₀一定时(考虑滚筒的受力及寿命，θ₀不易过大)，在水流流速较大且钢缆较长时，钢缆受到的阻力较大，为保证倾角θ不大于θ₀，必需增加锚块重量，以使钢缆保持“铅直”。

同时，受限于

a_钢缆>a_平台，等条件的约束，浮球的线径也相应增加。

该浮标系统不仅可以具备漂流工作方式，还可以采用锚定工作方式，实现定点观测。锚定工作方式，即在锚块下面通过钢缆、万向环、水下耐压浮球等连接锚定海底的大锚块，形成“倒S”形状。

工作过程为：当波浪袭来时，浮球遇到波峰因惯性被“浸没”而产生浮力，浮球在浮力作用下，带动钢缆及锚块一起向上运动，此时由于波浪能浮标平台的钢缆单/双向控制单元100处于单向状态，钢缆被向上抽出瞬间波浪能浮标平台与钢缆暂时“解钳”而波浪能浮标平台相对于周围水体静止，而当浮球随波峰回落时，钢缆停止向上抽动，卡轮在重力作用下又再次“钳住”钢缆，此时浮球、钢缆、波浪能浮标平台三者在锚块作用下，整体下沉回落。在整个过程中，波浪能浮标平台即完成了相对钢缆的向下“爬行”运动，当波浪能浮标平台爬行到钢缆最底端时，当浮球带动钢缆再次向上抽动时钢缆上的下触发块将会撞击杠杆单元下部的杠杆架，即刻使钢缆单/双向控制单元100完成由钢缆单向运动状态向双向自由运动状态的切换，此时钢缆单/双向控制单元100的卡轮与钢缆完全脱离，波浪能浮标平台便在自身净浮力作用下自由上浮，上浮过程中受阻力影响会很快趋于匀速，波浪能浮标平台匀速上升过程中通过其搭载的相关传感器可以采集到高时空分辨率、高质量的剖面连续数据。当波浪能浮标平台运动到钢缆顶端时，钢缆上的上触发块将会撞击杠杆单元上部的杠杆架，完成钢缆由双向自由状态向单向运动状态的再次切换，而后在每一个波浪作用下，一步步沿钢缆向下“爬行”，如此循环，完成一个个剖面运动。

如图11所示的水帆和波浪能浮标平台作为如图12所示的应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统的动力源，其跟流效果也就决定了系统整体的跟涡性能。为便于分析，我们将涡旋看做一个三维流动圆柱体，新型浮标系统跟着涡旋做跟涡的圆周运动。参数规定如下：

r：水帆在跟随涡旋做圆周运动时在任意时刻t时的半径；

V₀：r位置时的水帆圆周速度大小；

m：水帆+浮标平台的质量；

C:水帆的阻力系数；

ρ：海水密度；

υ：水帆离心运动时的径向速度大小；

S：水帆迎流面积；

R：涡旋最大半径；

假设，水帆在涡旋半径r处，以速度V₀跟着涡旋一起运动。因水帆受到离心力(大小与向心力相等)，即

F_离＝F_向＝mV₀ ²/r

水帆将做离心运动，由此时水帆受到的压差阻力

f＝(1/2)*C*ρ*υ²*S

直到水帆沿径向速度υ增加到某一值恰好使压差阻力f＝F_向时，水帆达到平衡。则此时，

(1/2)*C*ρ*υ²*S＝mV₀ ²/r

得到，

υ＝(2mV₀ ²/CρS r)^1/2

若，水帆从r₀处被甩到涡旋边缘R处，所需时间为t，则

dt＝dr/v；积分得将上式代入，结果为：

t＝(1/V₀)*(C*ρ*S/3m)^1/2*(R₀ ^3/2-r₀ ^3/2)

即：1)t越大，跟涡时间越长，但不是无穷大，也就意味着该系统不可能永远跟涡，最终都会逐渐偏离涡心并被涡旋甩出边界。这与漂流浮标专家认为“漂流浮标实际上无法做到完全跟流”的结论基本一致。虽然无法做到完全跟涡，但至少可通过参数设计，使系统跟涡时间更长。

2)从涡旋角度看，由上式可知，涡旋速度V₀越小、涡旋半径R₀越大，则跟涡时间越长；

3)从系统设计考虑：浮标系统水帆迎流面积S越大，阻力系数C越大(跟水帆表面粗糙度有一定关系)，质量m越小，则跟涡时间越长。

因此，我们可综合上述结论，在改装波浪能剖面浮标系统时，可适当增加水帆迎流面积、表面粗糙度、减小质量等因素来增加浮标平台的跟涡性能，以最终实现长时间跟踪观测中尺度涡旋的目的。故优选的，水帆采用亲水性强、耐磨性好的尼龙材料；增加水帆粗糙度，如加绒毛等。

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于，包括:水帆(600)、波浪能浮标平台(500)、浮球(6)、钢缆(7)和锚块(9)，所述水帆(600)由四块帆板构成，四块帆板呈十字形固定连接于波浪能浮标平台的外框架上，所述浮球(6)与钢缆(7)的顶端相连接，所述锚块(9)与钢缆(7)的底端相连接，所述钢缆(7)穿过波浪能浮标平台(500)，所述波浪能浮标平台(500)沿钢缆(7)爬行。

2.根据权利要求1所述的一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于：所述钢缆(7)上固定有上触发块(87-1)和下触发块(87-2)，所述上触发块(87-1)靠近浮球(6)，所述下触发块(87-2)靠近锚块(9)，所述波浪能浮标平台(500)包括支撑柱(50)、隔离架(51)、大浮块(52)、主支撑板(80)、钢缆单/双向控制单元(100)、杠杆单元(200)、同心限位单元(300)，所述隔离架(51)和支撑柱(50)构成一可搭载各种传感器的搭载平台，所述隔离架(51)固接于支撑柱(50)上，所述主支撑板(80)为两块，固定安装于隔离架(51)上；所述大浮块(52)可拆卸对称连接于隔离架(51)左右两侧上，所述钢缆单/双向控制单元(100)、杠杆单元(200)和同心限位单元设置于两主支撑板(80)之间，所述钢缆(7)穿过同心限位单元(300)和钢缆单/双向控制单元(100)，由钢缆单/双向控制单元(100)控制钢缆可双向运动或仅可单向运动，所述波浪能浮标平台(500)完全浸没于海水中所受的浮力大于其自重。

3.根据权利要求2所述的一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于：所述钢缆单/双向控制单元(100)包括基板(1)、契形框(2)、卡轮(21)、卡轮框(3)、切换板(4)和卡块(10)，所述切换板(4)、卡轮框(3)、契形框(2)和基板(1)由前至后依次排列，所述契形框(2)固接于基板(1)上，所述契形框(2)具有导向槽(20)，所述导向槽(20)上宽下窄，所述卡轮框(3)滑动连接于契形框(2)上，可相对契形框(2)上下滑动；所述卡轮框(3)具有与导向槽(20)等数量的框槽(30)，框槽(30)之间由横板(32)分隔，所述卡轮(21)位于导向槽(20)和框槽(30)中，每个导向槽(20)中具有两个卡轮(21)，所述切换板(4)与卡轮框(3)相固接，所述切换板(4)下部两侧各具有一条弹性条(40)，所述弹性条(40)的尾端均具有一三角形凸起(41)，所述卡块(10)为两个，固定安装于基板(1)上；所述卡块(10)具有止挡弹性条(40)三角形凸起(41)的凸起部，所述凸起部为三角形，顶面和底面均为斜面；所述三角形凸起(41)的顶面和底面均为斜面，所述杠杆单元(200)包括杠杆(82)、杠杆架(83)、转轴(84)和连接块，所述连接块固定安装于切换板(4)上，所述杠杆(82)与连接块相固接，所述杠杆架(83)的两端分别与两主支撑板(80)转动连接，所述转轴(84)连接于杠杆架上，所述杠杆(82)的两端开设有安装通孔(82a)，所述安装通孔(82a)的孔径大于转轴(84)的直径，所述转轴(84)穿过杠杆(82)的安装通孔(82a)，所述基板(1)与主支撑板(80)相固接，所述杠杆架(83)、转轴(84)、同心限位单元(300)均为两个，两同心限位单元(300)分设于钢缆单/双向控制单元(100)上下两侧，两杠杆架(83)分设于杠杆(82)的上下两端处。

4.根据权利要求3所述的一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于：所述杠杆架(83)由左横杆部(83-1)、右横杆部(83-2)和U形臂(83-3)一体构成，所述左横杆部(83-1)与左侧主支撑板(80)转动连接，所述右横杆部(83-2)与右侧主支撑板(80)转动连接，转轴(84)连接于U形臂(83-3)上，所述左横杆部(83-1)和右横杆部(83-2)的轴线重合，所述转轴(84)的轴线与左横杆部(83-1)的轴线平行但不重合，钢缆(7)穿过U形臂和转轴(84)围成的闭合区域。

5.根据权利要求3所述的一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于：所述同心限位单元(300)包括：上安装框(88-1)、下安装框(88-2)、支撑块(88-3)、固定板(88-4)、第一销轴(88-5)、第一滚筒(88-6)、第二销轴(88-7)和第二滚筒(88-8)，所述上安装框(88-1)、下安装框(88-2)、支撑块(88-3)通过螺栓由上至下依次固接于一起，所述支撑块(88-3)与主支撑板相固接，所述第一销轴(88-5)固定安装于上安装框(88-1)上，所述第一销轴(88-5)为两条，平行布设；所述第一滚筒(88-6)套装于第一销轴(88-5)上，所述第二销轴(88-7)固定安装于下安装框(88-2)上，所述第二销轴(88-7)为两条，平行布设；所述第二滚筒(88-8)套装于第二销轴(88-7)上，所述第一销轴(88-5)的轴线与第二销轴(88-7)的轴线相垂直，所述固定板(88-4)的底部通过螺栓与下安装框(88-2)相固接，固定板(88-4)的头端与上安装框(88-1)相卡接，所述钢缆(7)穿于两第一滚筒(88-6)之间及两第二滚筒(88-8)之间，所述支撑块(88-3)通过螺栓与主支撑板(80)相固接。

6.根据权利要求3所述的一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于：所述钢缆单/双向控制单元(100)还包括等高柱(46)和螺钉(47)，所述基板(1)的两侧处开设有螺纹孔，所述契形框(2)的两侧处开设有通孔(22)，所述卡轮框(3)和切换板(4)的两侧处开设有长条形限位槽(33)，所述等高柱(46)具有中空的头部和杆部，所述等高柱(46)的杆部依次穿过切换板(4)上的长条形限位槽(33)、卡轮框(3)上的长条形限位槽(33)和契形框(2)上的通孔(22)，所述螺钉(47)穿入等高柱(46)中并与基板(1)上的螺纹孔螺纹连接，所述螺钉(47)的螺头压紧等高柱(46)的头部，所述卡轮(21)被夹于基板(1)和切换板(4)之间且卡轮(21)的前端面与切换板(4)的后端面之间具有间隙。

7.根据权利要求3所述的一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于：当切换板(4)处于向下最大行程处时，卡轮(21)夹于导向槽(20)底边和框槽(30)顶边之间，此时导向槽(20)的底边、与导向槽(20)对应的框槽(30)的顶边及导向槽(20)的两侧边围成一上宽下窄的区域(36)，所述区域(36)的高度大于卡轮(21)的直径，两卡轮(21)位于区域(36)的最底部处时，两卡轮(21)之间的最近距离小于钢缆的直径，两卡轮(21)位于区域(46)的最顶部处时，两卡轮(21)之间的最近距离大于钢缆的直径。

8.根据权利要求3所述的一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于：所述杠杆单元(200)还包括调节浮块(85)，所述调节浮块(85)固定安装于杠杆上，所述调节浮块(85)密度小于水，所述调节浮块(85)在水中提供的净浮力F_净(浮块)与杠杆架(83)在水中的净重力G_{净(杠杆架)}及杠杆(82)在水中的净重力G_净(杠杆)三者之间的关系为：F_净(浮块)＝G_净(杠杆)+2G_{净(杠杆架)}。

9.根据权利要求3所述的一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于：还包括小浮块(53)，其可拆卸连接于波浪能浮标平台(500)的前侧面和后侧面遮挡钢缆单/双向控制单元(100)、杠杆单元(200)、同心限位单元(300)。

10.根据权利要求1所述的一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统，其特征在于：所述水帆采用亲水性强、耐磨性好的尼龙材料，所述水帆表面加绒毛以增加粗糙度。