CN109927849A - 基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标和波浪统计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并联压电式六维加速度传感器的海洋波浪浮标，包括浮标体、传感器系统、控制系统，内置在浮标体中的控制系统综合波浪加速度信息、风速信息、风向信息、电子罗盘发送的方位角信息，分别对海洋波浪浮标所处位置的波浪特征和气象数据进行处理，以计算主波向、波高、波周期、实际风向、实际风速，并将计算出的主波向、波高、波周期、实际风向、实际风速通过通讯模块发送至用户端监测系统。本发明能够解决对海洋波浪进行观测的技术难题以及现有技术的局限性，可以定点、定时、连续、准确地对海面波浪的波高、波周期以及波向等波浪特征和风速、风向等气象要素进行观测。

Description

基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标和波浪统计方法

技术领域

本发明涉及水文、海洋技术领域，具体而言涉及一种基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标和波浪统计方法。

背景技术

近海波浪的观测研究对海洋开发、交通运输、国民经济建设、国防建设及海上舰船活动都有十分重要的作用。目前，沿海地区正在不断遭受各种海洋灾害，近海海洋灾害造成众多人员受灾和巨大经济损失。

现阶段具有代表性的海洋波浪监测设备有SZF型波浪浮标、OSB-W4型波浪浮标、SBF3-1型测波浮标等。然而由于现有加速度式波浪监测通常采用硬件电路的加速度-位移积分方法，对随机性很强的波浪加速度信号积分效果不理想，会出现较大的积分误差。并且研究热门集中在PC端平台波浪处理软件开发，适用于机载嵌入式平台的波浪数据处理系统尚未见诸报道。对于PC端平台波浪处理方式来说，一旦海洋波浪监测设备和PC端平台通讯断开，海洋波浪监测设备的数据只能暂时存储，等待通讯恢复，再发送至PC端继续处理，效率低，且容易发生错误。另外，我国大部分海洋观测站已具备了海浪的预报与监测能力，但海浪观测设备还主要依赖国外进口，进口不但费用高，而且进口的海洋波浪浮标不便进行售后和维修，国家海洋强国战略迫使海洋观测设备国产化进程势在必行。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标和波浪统计方法，能够解决对海洋波浪进行观测的技术难题以及现有技术的局限性，可以定点、定时、连续、准确地对海面波浪的波高、波周期以及波向等波浪特征和风速、风向等气象要素进行观测，对国防、海洋观测研究具有重要意义。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，所述海洋波浪浮标包括浮标体、传感器系统、控制系统、用户端监测系统。

所述浮标体包括支架，固定在支架上的航标灯、GPS定位天线和若干个太阳能电池板，浮体，以及设置在浮体内的控制箱、蓄电池组，支架通过紧固部固定在浮体上表面上。

所述传感器系统包括并联压电式六维加速度传感器、风速传感器、风向传感器、信号处理模块。

所述风速传感器、风向传感器固定在支架顶端，分别用于采集海洋波浪浮标所处位置的风速信息、风向信息。

所述并联压电式六维加速度传感器、信号处理模块设置在控制箱内部，并联压电式六维加速度传感器、信号处理模块互相电连接。

所述并联压电式六维加速度传感器用于采集海洋波浪浮标所处位置的波浪加速度信息，加速度传感器输出为电荷量信号，信号处理模块用于将采集的电荷量转换成对应的电压信号。

所述控制系统设置在控制箱内部，包括FPGA处理器、A/D转换器、通讯模块、电子罗盘、只读存储器、SD存储卡、时钟模块。

所述太阳能电池板经逆变器降压模块与蓄电池组电连接，所述蓄电池组与FPGA处理器、A/D转换器、信号处理模块电连接。

所述太阳能电池将太阳能转换成220V交流电压的电能，交流电能经过逆变器降压模块转为12V直流电源，储存到蓄电池，蓄电池组作为海洋波浪浮标的供电系统，为FPGA处理器、A/D转换器、信号处理模块等供电。

所述信号处理模块的数据输出端、风速传感器、风向传感器的输出端通过A/D转换器分别与FPGA处理器电连接，信号处理模块、风速传感器、风向传感器分别将加速度传感器输出的电荷量、风速信息、风向信息发送至A/D转换器，经A/D转换器转换格式后发送至FPGA处理器。

所述SD存储卡通过串行外设接口与FPGA处理器电连接。

所述通讯模块、GPS定位天线通过串口与FPGA处理器电连接，GPS定位天线用于探测海洋波浪浮标所处位置的位置信息，并且将探测到的位置信息发送至FPGA处理器。

所述电子罗盘通过集成电路总线与FPGA处理器连接，电子罗盘用于实时探测海洋波浪浮标的方位角信息，将探测到的方位角信息发送至FPGA处理器。

所述FPGA处理器结合加速度传感器输出的电荷量、风速信息、风向信息、电子罗盘发送的方位角信息，分别对海洋波浪浮标所处位置的波浪特征和气象数据进行处理，以计算海洋波浪浮标所处位置的主波向、波高、波周期、实际风向、实际风速，并将计算出的海洋波浪浮标所处位置的主波向、波高、波周期、实际风向、实际风速通过通讯模块发送至用户端监测系统、以及将计算结果存储至SD存储卡和/或只读存储器。

所述用户端监测系统包括安装有监测软件的终端服务器，终端服务器通过通讯模块与FPGA处理器之间建立通讯链路。

本发明提及的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，包括浮标体、传感器系统、控制系统、用户端监测系统四个部分。

浮标体呈飞碟式浮标机械结构，采用不锈钢材料制作，防水防锈、耐冲击、使用寿命长，其搭载有蓄电池、太阳能板、GPS定位天线、控制箱、圆顶盖以及航标灯等器件。并联压电式六维加速度传感器、信号处理模块和控制系统等数据处理类硬件设施安装在控制箱内，控制箱放置在密封的亚克力盒中，防水防尘。浮标体通过合理设计自身结构、以及将蓄电池等重物作为配重块等手段，使海洋波浪浮标在海中维持平稳工作状态。

传感器系统包括并联压电式六维加速度传感器、风速传感器、风向传感器、信号处理模块，分别用于采集波浪加速度信息、风速信息、风向信息，其中，压电式六维加速度传感器由12弹性球铰链、压电陶瓷、1个惯性质量块(例如普通钢制成)、预紧柱、锁紧板、副板以及壳体等组成，信号处理模块将并联压电式六维加速度传感器输出的电荷量信号转换成电压信号，实现对波浪加速度信息的采集。

控制系统包括FPGA处理器、A/D转换器、GPS模块，GPRS模块，用于对传感器系统采集的波浪特征和气象数据进行处理和传输，处理过程不依赖于用户端监测系统。

用户端监测系统利用QT软件和Web服务器Boa编写实现接收数据的提取、显示并保存，对海洋波浪特征和气象数据的在线监测。

基于前述基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，本发明还提及一种基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标的波浪统计方法，其特征在于，所述波浪统计方法包括：

采用风速传感器、风向传器感以采集海洋波浪浮标所处位置的风速信息、风向信息。

采用气象数据拟合算法对采集的风速信息、风向信息进行去干扰处理，以获取海洋波浪浮标所处位置的实际风速、实际风向。

采用并联压电式六维加速度传感器以采集波浪加速度信息，加速度传感器输出为电荷量信号，将电荷量经信号处理模块转换成电压信号后，经动力学模型解耦获取波浪加速度信号。

对波浪加速度信号依次进行一次积分处理、一次多项式拟合数据去除趋势项处理、二次积分处理、二次多项式拟合数据去除趋势项处理，以计算位移信号。

对位移信号执行去误差处理，结合GPS定位天线反馈的位置信息，以获取有效位移序列。

采用电子罗盘获取的海洋波浪浮标的方位角信息，对有效位移序列中包含的波浪方向信息进行校正，以获取主波向。

采用跨零点法，结合有效位移序列以计算波高、波周期。

本发明通过气象数据拟合算法，例如扰动风场建模、交互滤波、标准化处理和经验算法标定等，降低了浮标载体受海洋波浪运动带来的扰动风场以及海洋浮标的水平与上下运动等外界的干扰，获取更加精确的实际风向和实际风速。

所述并联压电式六维加速度传感器用于采集海洋波浪浮标所处位置的波浪加速度信息，加速度传感器输出电荷量信号，信号处理模块用于将采集的电荷量转换成对应的电压信号；

本发明所述的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标的使用方法包括：

步骤1，搭建本海洋波浪观测浮标平台。

步骤2，将搭建好的浮标平台投放到测量区域。

步骤3，开启浮标工作。

步骤4，用户通过可视化显示界面、远程WEB端了解海洋波浪、气象各项数据。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

1)本发明采用了并联压电式六维加速度传感器及其解耦算法，实现了波浪加速度信息的高精度采集。

2)本发明采用融合并联压电式六维加速度传感器和电子罗盘采集数据的波浪统计算法提高了波浪特征监测的精度。

3)本发明利用FPGA实现解耦算法、加速度-位移积分和波浪统计算法，能够准确地检测波高、波周期和波向等波浪特征。

4)本发明通过软硬件联合校正气象数据的气象数据拟合算法，降低了浮标载体受海洋波浪运动带来的扰动风场以及海洋浮标的水平与上下运动等外界的干扰。

5)采用太阳能电池板和蓄电池组实现自供电。

6)数据处理过程在海洋波浪浮标中完成，直接将计算出的波浪特征数据、气象数据发送至用户端监测系统显示，提高了数据处理效率，减少数据丢失和错误率。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标的结构示意图。

图2是本发明的并联压电式六维加速度传感器的原理模型示意图。

图3是本发明的并联压电式六维加速度传感器的结构示意图。

图4是本发明的风速传感器的结构示意图。

图5是本发明的风向传感器的结构示意图。

图6是本发明的风速传感器、风向传感器的接口电路示意图。

图7是本发明的信号处理模块结构示意图。

图8是本发明的其中一种信号处理模块的电路结构图。

图9是本发明的控制系统工作原理示意图。

图10是本发明的波浪数据处理方法的原理示意图。

图11是本发明的并联压电式六维加速度传感器的解耦方法流程图。

图12是本发明的加速度-位移积分算法流程图。

图13是本发明的波浪特征统计方法流程图。

图14是本发明的其中一种GPRS模块的电路结构图。

图15是本发明的监测软件的QT界面显示示意图。

图16是本发明的监测软件的Web客户端界面显示示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

结合图1，本发明提及一种基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，所述海洋波浪浮标包括浮标体、传感器系统、控制系统。

所述浮标体包括支架，固定在支架上的航标灯40、GPS定位天线和若干个太阳能电池板30，浮体，以及设置在浮体内的控制箱60、蓄电池组50，支架通过紧固部固定在浮体上表面上。

优选的，支架和浮体的壳体211采用不锈钢制成，防止进水、以及防止海洋波浪浮标在海水中锈蚀，同时，由于不锈钢的密度较大，采用不锈钢制成的浮标体重量较大，减少海洋波浪浮标的倾翻风险。

在一些例子中，所述浮标体还包括设置在浮体内的第一容纳盒23、第二容纳盒24。

所述浮体包括呈相互连接的倒圆台状的第一浮体部21、呈圆柱体状的第二浮体部22，第一浮体部21安装在第二浮体部22上方，第一浮体部21的轴中心线和第二浮体部22的轴中心线重叠。

所述第一容纳盒23呈圆柱体状，固定在第一浮体部21内部，第一容纳盒23的轴中心线和第一浮体部21的轴中心线重叠。

所述控制箱60固定在第一容纳盒23内，其重心位于第一容纳盒23的轴中心线上。

所述第二容纳盒24呈圆柱体状，固定在第二浮体部22内部，第二容纳盒24的轴中心线和第二浮体部22的轴中心线重叠。

优选的，第一容纳盒23和第二容纳盒24为带通气孔的亚克力板矩形盒，更加优选的，第一容纳盒23和第二容纳盒24选用透明亚克力材料制成，便于用户从外侧观察盒内情况。

所述蓄电池组50固定在第二容纳盒24内，其重心位于第二容纳盒24的轴中心线上。

由于蓄电池组50具有较大的重量，在此结构中，蓄电池组50还可作为配重块，来帮助浮体维持平稳状态。

所述支架安装在浮体上方，包括第一支撑部11、第二支撑部12、圆顶盖13。

所述第一支撑部11安装在浮体上表面，包括与支撑柱、顶部平台、底部平台、若干个支撑板。

所述支撑柱垂直安装在浮体上表面上，所述底部平台固定在支撑柱临近浮体一端，所述顶部平台固定在支撑柱远离浮体一端，所述顶部平台、底部平台均与浮体上表面平行，在竖直方向上，底部平台的投影完全覆盖顶部平台的投影。顶部平台被设置成平顶样式，便于放置GPS定位天线和航标灯40等设备。

所述若干个支撑板均匀分布在顶部平台、底部平台之间，其两端分别与顶部平台、底部平台连接。

所述若干个太阳能电池板30一一对应地固定在支撑板上。

支撑板被设计成倾斜状，便于太阳能电池板30更好的采集阳光。

所述圆顶盖13可拆卸地连接在浮体上表面上，且圆顶盖13完全覆盖第一支撑部11。打开圆顶盖13即可以对第二支撑部12和浮体内部的器件进行取放、维护处理。

所述第二支撑部12包括第一支撑杆、第二支撑杆、两个斜支撑杆。

所述第一支撑杆垂直安装在第一浮体部21上表面上，第二支撑杆垂直安装在第一支撑杆远离浮体上表面的一端，两个斜支撑杆作为加固件相对地固定在第一支撑杆和第二支撑杆之间，以加固第一支撑杆和第二支撑杆的连接稳定性。

所述传感器系统包括并联压电式六维加速度传感器、风速传感器70、风向传感器80、信号处理模块。

所述风速传感器70、风向传感器80固定在支架顶端，分别用于采集海洋波浪浮标所处位置的风速信息、风向信息。

优选的，所述风速传感器70、风向传感器80分别固定在第二支撑杆的两端，两者之间的距离大于等于45cm，避免采集风速、风向要素时因距离太近相互影响测量精度。

风速传感器70、风向传感器80可选用如图4、图5所示的电压输出型HS-FS01风速传感器70和SY-FX2风向传感器80。

图6是本发明的风速传感器70、风向传感器80的其中一种接口电路示意图。风速传感器70、风向传感器80两者均为四线接口输出，分别为电源正极线、负极线、电压信号线、电流信号线，在搭接电路之前需把电源线和地线合并，电压信号线分别留出，电流信号线弃置不用。

所述并联压电式六维加速度传感器、信号处理模块设置在控制箱60内部，并联压电式六维加速度传感器、信号处理模块互相电连接。

所述并联压电式六维加速度传感器用于采集海洋波浪浮标所处位置的波浪加速度信息，加速度传感器输出为电荷量信号，信号处理模块用于将采集的电荷量信息转换成对应的电压信号。

结合图2，图3，本发明提及了其中一种并联压电式六维加速度传感器的例子。

所述并联压电式六维加速度传感器包括具有一容纳腔的壳体211、惯性质量块212、6个锁紧板213、6个预紧柱214、6个复合铰链218、12个压电陶瓷、12个球铰链219、6个定位螺母216。

所述壳体211呈正方体状，其6个侧面上各设置有一副板211a，锁紧板213与副板211a一一对应，锁紧板213通过预紧柱214安装在副板211a远离壳体211的一侧。

所述定位螺母216设置在惯性质量块212的两个对角点所对应的6个棱边的中点处，所述惯性质量块212通过定位螺母216安装在容纳腔正中心处，每个副板211a与最临近的惯性质量块212的侧面平行。

所述6个复合铰链218分别安装在惯性质量块212的另外6个棱边的中点处，每个复合铰链218均包括两个互相垂直的铰链侧壁，每个铰链侧壁贴附在惯性质量块212的其中一个侧面上。

所述12个球铰链219分为6个球铰链219组，每个球铰链219组包含2个互相垂直的球铰链219，球铰链219组与复合铰链218一一对应，球铰链219的两端分别垂直安装在临近的铰链侧壁上和临近的副板211a上。

所述压电陶瓷与球铰链219一一对应，串联在球铰链219和对应的复合铰链218之间。

优选的，并联压电式六维加速度传感器的结构尺寸为：惯性质量块212边长为60mm，球铰链219的内大铰链长64mm，球铰链219的外铰链长20mm，壳体211边长为146mm。

复合铰链218固联于质量块棱边的中点，压电陶瓷一端与弹性球铰链219串联，另一端与另一个压电陶瓷共用一个复合弹性球铰链219。球铰链219固联于壳体211上的副板211a，通过预紧柱214、锁紧板213调节并固定副板211a位置。惯性质量块212在惯性力作用下压缩或者拉伸每条支链，压电陶瓷会受到与之对应的轴向力作用，压电陶瓷两端产生极化电荷。根据压电理论反计算支链的变形量，由并联结构的运动学理论计算惯性质量块212相对壳体211的运动量，推算出质量块相对惯性坐标系的运动量，得到其加速度信息。

结合图7，所述信号处理模块包括依次电连接的电荷转换器、第一缓冲器、滤波器、第二缓冲器、放大器。

所述电荷转换器的输入端与并联压电式六维加速度传感器的输出端电连接。

所述放大器的输出端为信号处理模块的数据输出端。

图8是其中一种信号处理模块的电路结构图，信号处理模块将六维加速度传感器输出的电荷量转换成电压信号，实现对波浪加速度信号的采集。

图8中，(a)是电荷转换器的电路原理图，(b)是放大器电路原理图，(c)是滤波器电路原理图。

所述控制系统设置在控制箱60内部，包括FPGA处理器、A/D转换器、通讯模块、电子罗盘、SD存储卡。

所述太阳能电池板经逆变器降压模块与蓄电池组50电连接，所述蓄电池组50与FPGA处理器、A/D转换器、信号处理模块电连接。

所述太阳能电池板30将太阳能转换成220V交流电压的电能，交流电能经过逆变器降压模块转为12V直流电源，储存到蓄电池50，蓄电池组50作为海洋波浪浮标的供电系统，为FPGA处理器、A/D转换器、信号处理模块等供电。

所述信号处理模块的数据输出端、风速传感器70、风向传感器80的输出端通过A/D转换器分别与FPGA处理器电连接，信号处理模块、风速传感器70、风向传感器80分别将波浪加速度信息、风速信息、风向信息发送至A/D转换器，经A/D转换器转换格式后发送至FPGA处理器。

所述SD存储卡通过串行外设接口与FPGA处理器电连接。

所述通讯模块、GPS定位天线通过串口与FPGA处理器电连接，GPS定位天线用于探测海洋波浪浮标所处位置的位置信息，并且将探测到的位置信息发送至FPGA处理器。

所述电子罗盘通过集成电路总线与FPGA处理器连接，电子罗盘用于实时探测海洋波浪浮标的方位角信息，将探测到的方位角信息发送至FPGA处理器。

所述FPGA处理器结合波浪加速度信息、风速信息、风向信息、电子罗盘发送的方位角信息，分别对海洋波浪浮标所处位置的波浪特征和气象数据进行处理，以计算海洋波浪浮标所处位置的主波向、波高、波周期、实际风向、实际风速，并将计算出的海洋波浪浮标所处位置的主波向、波高、波周期、实际风向、实际风速通过通讯模块发送至用户端监测系统、以及将计算结果存储至SD存储卡和/或只读存储器。

优选的，所述通讯模块包括GPRS通讯模块、GPS通讯模块、北斗卫星通讯装置中的一种或者几种。

例如，利用GPRS通讯模块方案实现数据的实时传输，上传波浪特征数据到PC客户端的频率间隔约为23分钟，GPRS模块电路图如附图14所示。

基于前述六维加速度传感器的海洋波浪浮标，本发明还提及一种基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标的波浪统计方法，所述波浪统计方法包括：

S1：采用风速传感器70、风向传器感以采集海洋波浪浮标所处位置的风速信息、风向信息。

S2：采用气象数据拟合算法对采集的风速信息、风向信息进行去干扰处理，以获取海洋波浪浮标所处位置的实际风速、实际风向。

S3：采用并联压电式六维加速度传感器以采集波浪加速度信息，加速度传感器输出为电荷量信号，将电荷量信号经信号处理模块转换成电压信号后，经动力学模型解耦获取波浪加速度信号。

S4：对波浪加速度信号依次进行一次积分处理、一次多项式拟合数据去除趋势项处理、二次积分处理、二次多项式拟合数据去除趋势项处理，以计算位移信号。

S5：对位移信号执行去误差处理，结合GPS定位天线反馈的位置信息，以获取有效位移序列。

S6：采用电子罗盘获取的海洋波浪浮标的方位角信息，对有效位移序列中包含的波浪方向信息进行校正，以获取主波向。

S7：采用跨零点法，结合有效位移序列以计算波高、波周期.

控制系统包括FPGA处理器、A/D转换器、GPS模块、电子罗盘等，控制系统原理框图如附图9所示，实现加速度解耦、加速度-位移积分、对波浪特征、气象数据的处理以及气象数据拟合，波浪数据处理方法的整体框图如附图10所示，加速度解耦方法如附图11所示，加速度-位移积分算法流程如图12所示，波浪特征统计方法如附图13所示。

对波高和波周期的测量：当浮标体随波面变化作升沉运动时，安装在浮标内的加速度传感器输出一个反映波面升沉运动加速度的持续变化信号，该信号通过二次积分电路处理后，即可得到对应于波面升沉运动高度变化的电压信号，将该信号进行模数转换和计算处理后就可以得到波高的各种特征值及其对应的波周期。

对于波向的测量：由于外界干扰因素较多，且我们的浮标载体一直处于运动状态，所以测得的波向误差较大。对此，我们采用电子罗盘测得的角度和我们的测得的角度进行校正处理，通过卡尔曼滤波方法对利用加速度传感器和电子罗盘采集的姿态数据进行融合计算。

对气象数据处理如下：通过软硬件联合校正实现海洋气象浮标准确监测风向风速，主要是从两个方面去设计算法：一是硬件校正，二是软件校正，硬件校正主要是通过传感器的布放设计来校正传感器的测量数据，软件校正由扰动风场建模、交互滤波、标准化处理和经验算法标定。

所述FPGA处理器通过通讯模块与用户端监测系统建立有通讯链路，所述用户端监测系统包括安装有监测软件的终端服务器。

用户端监测系统利用Qt软件和Web服务器Boa完成了监测终端和网络终端的应用程序的设计，实现数据接收、实时显示、存储与查询功能。监测软件利用裸机STM32F103VET6接收数据，通过串口将数据按照预定的数据格式解析。终端界面程序运行在ARM开发系统上，根据实际板载设备移植好启动代码uboot、Linux内核和yaffs文件系统。QT登录和数据显示界面如附图15所示。网络终端软件监测系统由登陆页面、首页页面、实时数据显示页面、历史数据查询页面以及使用说明五个功能页面组成。在历史数据查询页面的时间框中输入起止时间，便可跳转到历史数据查询结果页面，客户web端界面显示如附图16所示。

用户端监测系统可以利用北斗、GPRS模块互补通讯方案实现实时传输、在线监测。北斗卫星导航系统每次报文通信长度有限，且两次通信间有间隔，因此采用由中国海洋大学黎明、时海勇提出的“位拼接－LZW”双重压缩机制对数据进行有效压缩，根据不同的实际情况分包发送数据。

该通信系统具有两种工作模式：控制方式和监测方式。在控制方式下，用于传递岸站系统发送的浮标状态控制信息；在监测方式下，对浮标进行精确定位、时间校准，传递海洋浮标上的传感器收集的海洋监测数据。

在一些例子中，所述浮体还包括两个吊装部和两个锚固部。

所述两个吊装部对称设置在浮体临近上表面的两个外侧面上。

所述两个锚固部对称设置在浮体临近下表面的两个外侧面上。

所述吊装部和锚固部上设置有至少一个通孔。

吊装部的通孔用于投放浮标时方便起重机垂直投放，锚固部的通孔用于连接锚链固定于水中。浮体中间是密封空心体，放置在水面上产生浮力。浮体下方的设置成圆柱状，用于未投放时起平稳放置作用。

在另一些例子中，所述海洋波浪浮标还包括至少一个液位变送器90，用于根据外部控制指令探测水质参数，如PH值等等。

所述液位变送器90均匀分布设置在第一浮体部21内，与第一浮体部21的轴中心线平行，液位变送器90的采集端穿过第一浮体部21临近第二浮体部22的端面，延伸至第一浮体部21外侧。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述海洋波浪浮标包括浮标体、传感器系统、控制系统；

所述浮标体包括支架，固定在支架上的航标灯、GPS定位天线和若干个太阳能电池板，浮体，以及设置在浮体内的控制箱、蓄电池组，支架通过紧固部固定在浮体上表面上；

所述传感器系统包括并联压电式六维加速度传感器、风速传感器、风向传感器、信号处理模块；

所述风速传感器、风向传感器固定在支架顶端，分别用于采集海洋波浪浮标所处位置的风速信息、风向信息；

所述并联压电式六维加速度传感器、信号处理模块设置在控制箱内部，并联压电式六维加速度传感器、信号处理模块互相电连接；

所述控制系统设置在控制箱内部，包括FPGA处理器、A/D转换器、通讯模块、电子罗盘、只读存储器、SD存储卡、时钟模块；

所述太阳能电池板经逆变器降压模块与蓄电池组电连接，所述蓄电池组与FPGA处理器、A/D转换器、信号处理模块电连接；

所述信号处理模块的数据输出端、风速传感器、风向传感器的输出端通过A/D转换器分别与FPGA处理器电连接，信号处理模块、风速传感器、风向传感器分别将波浪加速度信息、风速信息、风向信息发送至A/D转换器，经A/D转换器转换格式后发送至FPGA处理器；

所述SD存储卡通过串行外设接口与FPGA处理器电连接；

所述通讯模块、GPS定位天线通过串口与FPGA处理器电连接，GPS定位天线用于探测海洋波浪浮标所处位置的位置信息，并且将探测到的位置信息发送至FPGA处理器；

所述电子罗盘通过集成电路总线与FPGA处理器连接，电子罗盘用于实时探测海洋波浪浮标的方位角信息，将探测到的方位角信息发送至FPGA处理器；

所述FPGA处理器结合波浪加速度信息、风速信息、风向信息、电子罗盘发送的方位角信息，分别对海洋波浪浮标所处位置的波浪特征和气象数据进行处理，以计算海洋波浪浮标所处位置的主波向、波高、波周期、实际风向、实际风速，并将计算出的海洋波浪浮标所处位置的主波向、波高、波周期、实际风向、实际风速通过通讯模块发送至用户端监测系统、以及将计算结果存储至SD存储卡和/或只读存储器；

所述FPGA处理器通过通讯模块与用户端监测系统建立有通讯链路，所述用户端监测系统包括安装有监测软件的终端服务器。

2.根据权利要求1所述的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述浮标体还包括设置在浮体内的第一容纳盒、第二容纳盒；

所述浮体包括呈相互连接的倒圆台状的第一浮体部、呈圆柱体状的第二浮体部，第一浮体部安装在第二浮体部上方，第一浮体部的轴中心线和第二浮体部的轴中心线重叠；

所述第一容纳盒呈圆柱体状，固定在第一浮体部内部，第一容纳盒的轴中心线和第一浮体部的轴中心线重叠；

所述控制箱固定在第一容纳盒内，其重心位于第一容纳盒的轴中心线上；

所述第二容纳盒呈圆柱体状，固定在第二浮体部内部，第二容纳盒的轴中心线和第二浮体部的轴中心线重叠；

所述蓄电池组固定在第二容纳盒内，其重心位于第二容纳盒的轴中心线上。

3.根据权利要求1所述的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述支架安装在浮体上方，包括第一支撑部、第二支撑部、圆顶盖；

所述第一支撑部安装在浮体上表面，包括与支撑柱、顶部平台、底部平台、若干个支撑板；

所述支撑柱垂直安装在浮体上表面上，所述底部平台固定在支撑柱临近浮体一端，所述顶部平台固定在支撑柱远离浮体一端，所述顶部平台、底部平台均与浮体上表面平行，在竖直方向上，底部平台的投影完全覆盖顶部平台的投影；

所述若干个支撑板均匀分布在顶部平台、底部平台之间，其两端分别与顶部平台、底部平台连接；

所述若干个太阳能电池板一一对应地固定在支撑板上；

所述圆顶盖可拆卸地连接在浮体上表面上，且圆顶盖完全覆盖第一支撑部；

所述第二支撑部包括第一支撑杆、第二支撑杆、两个斜支撑杆；

所述第一支撑杆垂直安装在第一浮体部上表面上，第二支撑杆垂直安装在第一支撑杆远离浮体上表面的一端，两个斜支撑杆相对地固定在第一支撑杆和第二支撑杆之间。

4.根据权利要求1所述的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述风速传感器、风向传感器分别固定在第二支撑杆的两端，两者之间的距离大于等于45cm。

5.根据权利要求1所述的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述并联压电式六维加速度传感器包括具有一容纳腔的壳体、惯性质量块、6个锁紧板、6个预紧柱、6个复合铰链、12个压电陶瓷、12个球铰链、6个定位螺母；

所述壳体呈正方体状，其6个侧面上各设置有一副板，锁紧板与副板一一对应，锁紧板通过预紧柱安装在副板远离壳体的一侧；

所述定位螺母设置在惯性质量块的两个对角点所对应的6个棱边的中点处，所述惯性质量块通过定位螺母安装在容纳腔正中心处，每个副板与最临近的惯性质量块的侧面平行；

所述6个复合铰链分别安装在惯性质量块的另外6个棱边的中点处，每个复合铰链均包括两个互相垂直的铰链侧壁，每个铰链侧壁贴附在惯性质量块的其中一个侧面上；

所述12个球铰链分为6个球铰链组，每个球铰链组包含2个互相垂直的球铰链，球铰链组与复合铰链一一对应，球铰链的两端分别垂直安装在临近的铰链侧壁上和临近的副板上；

所述压电陶瓷与球铰链一一对应，串联在球铰链和对应的复合铰链之间。

6.根据权利要求1所述的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述信号处理模块包括依次电连接的电荷转换器、第一缓冲器、滤波器、第二缓冲器、放大器；

所述电荷转换器的输入端与并联压电式六维加速度传感器的输出端电连接；

所述放大器的输出端为信号处理模块的数据输出端。

7.根据权利要求1所述的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述浮体还包括两个吊装部和两个锚固部；

所述两个吊装部对称设置在浮体临近上表面的两个外侧面上；

所述两个锚固部对称设置在浮体临近下表面的两个外侧面上；

所述吊装部和锚固部上设置有至少一个通孔。

8.根据权利要求2所述的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述海洋波浪浮标还包括至少一个液位变送器；

所述液位变送器均匀分布设置在第一浮体部内，与第一浮体部的轴中心线平行，液位变送器的采集端穿过第一浮体部临近第二浮体部的端面，延伸至第一浮体部外侧。

9.根据权利要求1所述的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述通讯模块包括GPRS通讯模块、GPS通讯模块、北斗卫星通讯装置中的一种或者几种。

10.一种基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标的波浪统计方法，其特征在于，所述波浪统计方法包括：

采用风速传感器、风向传器感以采集海洋波浪浮标所处位置的风速信息、风向信息；

采用气象数据拟合算法对采集的风速信息、风向信息进行去干扰处理，以获取海洋波浪浮标所处位置的实际风速、实际风向；

采用并联压电式六维加速度传感器以采集波浪加速度信息，加速度传感器输出为电荷量信号，将电荷量信号经信号处理模块转换成电压信号后，经动力学模型解耦获取波浪加速度信号；

对波浪加速度信号依次进行一次积分处理、一次多项式拟合数据去除趋势项处理、二次积分处理、二次多项式拟合数据去除趋势项处理，以计算位移信号；

对位移信号执行去误差处理，结合GPS定位天线反馈的位置信息，以获取有效位移序列；

采用电子罗盘获取的海洋波浪浮标的方位角信息，对有效位移序列中包含的波浪方向信息进行校正，以获取主波向；

采用跨零点法，结合有效位移序列以计算波高、波周期。