CN111038647A - 一种投弃式大气波导浮标 - Google Patents

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杨少波
张振全
李洪宇
李醒飞
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Abstract

一种投弃式大气波导浮标，包括浮体、仪器舱、传感器系统、数据采集系统、电源系统、控制系统、通信系统、压载等部件；仪器舱与浮体通过过盈配合连接。传感器系统采用法兰与仪器舱底部相连。其余部分固定在仪器舱内。针对现有浮标体积大，结构复杂，成本高等特点，本发明提供了一种浮标装置平台即投弃式大气波导浮标。核心组件是浮标标体，具有布放方便、成本低、恶劣环境生存力强、便于组网观测的特点。可建立实时远海大气波导组网观测系统，以获得预测大气波导所需的水文气象数据，为雷达、卫星和海事通信系统提供重要的数据资料，提高导航、监视和气象雷达的性能。

Description

一种投弃式大气波导浮标
技术领域
本发明涉及海洋装备领域，尤其涉及一种浮标装置平台即一种投弃式大气波导浮标。
背景技术
大气波导对雷达、卫星和海事通信系统的设计和性能，以及微波的导航、监视和气象雷达的工作有着重要的影响。但是，远海的气象观测往往受限于船载气象仪器或岸基观测设备。为建立实时远海大气波导组网观测系统，以获得预测大气波导所需的水文气象数据，就需要一个运载工具搭载传感器自动在远海海平面运作，为远海气象数据的获得提供新手段。
发明内容
针对现有技术存在的难题，本发明一种投弃式大气波导浮标，核心是浮标标体的设计，具有布放方便、成本低、恶劣环境生存力强、便于组网观测的特点。
一种投弃式大气波导浮标，所述大气波导浮标包括：浮体、仪器舱、传感器系统、数据采集系统、电源系统、控制系统、通信系统、压载。
所述浮体为回转体结构，其材料为模塑聚脲弹性材料，内部填充不吸水的弹性泡沫材料。分为两部分，一部分直接与仪器舱固定，另一部分通过可控分离螺栓与仪器舱链接。浮体为浮标系统提供主要浮力。
所述仪器舱为不锈钢材质圆柱形密封舱，采用过盈配合与浮体相连接，内部用于放置采集控制器、通信机和电池组。
所述传感器系统主要由大气温度、湿度、海表皮温、气压、风等传感器组成，用于测量海气通量观测所需的水文气象要素，同时浮标系统还配置有罗盘、加速度计、GPS等传感器，可用于订正风速及定位信息，获取准确的真风速值。传感器均通过抱箍与桅杆相连接，桅杆通过焊接与标体相连固定。
所述数据采集系统主要有数据采集器，由硬件和嵌入式软件组成。通过缆线连接传感器系统并通过四个螺钉固定在仪器舱上。
所述电源系统由电池组成，用于供电，确保浮标正常运行的能量需求。通过缆线连接传感器系统与数据采集系统。
所述控制系统的主要功能包括仪器舱进水控制、浮体自动脱落控制以及控制卫星通讯频率。
所述通信系统主要由通信机构成，实现数据的远程通信。
所述压载采用铅块成型，外部喷涂聚脲。主要为整个系统进行配重，将标体的重心下移，有利于标体的水中姿态，用法兰固定于仪器舱底部。
一种投弃式大气波导浮标，是通过浮体与压载来控制浮标的水中姿态。仪器舱内安装采集控制器、通信机和电池组，实现防水功能。通过传感器系统测量大气波导观测所需的水文气象要素，经由数据采集系统将采集到的要素数据进行存储，并通过通信系统发送到中心服务器，同时可通过网络接受中心服务的远程集中管理与配置，真正实现网络化的智能管理，因此具有方便管理的特点。
一种投弃式大气波导浮标，浮标体积小，布放方便，可实现两人布放，优化设计了浮标的摇摆角，平台稳定性好。本发明设计的多参数气象传感器具有体积小、集成化程度高、重量轻、低功耗等特点。本发明可通过卫星链路实现投弃式大气波导浮标组网观测，服务于海洋观测与海洋科学的研究。
附图说明
图1为挂载传感器的桅杆即传感器平台；
图2为本发明所述大气波导浮标标体的局部剖视图；
图3为超声波探头布局图，箭头指示的是超声波发送和接收的时间。
图中：1、天线；2、数据采集器；3、电池组；4、浮体。
具体实施方式
下面根据附图对本发明技术方案进行详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，传感器平台采用直杆分段设计。传感器安装在传感器平台顶部（多参数传感器安装高度为水线上3.2m处，红外传感器安装高度为3m，锚灯安装高度为2.5m），上段直径35mm，下段直径50mm，两段之间采用锁定过渡装置进行连接，传感器平台空气中重量不超过10kg。
如图2所示，浮标整体结构形式选用柱形浮标，为便于运输桅杆采用分段设计。标体由四部分组成：传感器安装平台、仪器舱、聚脲浮体、压载。四个部分的外径最大为400mm，按照顺序依次连接。其中仪器舱与海水隔离；传感器安装平台高3m，自上而下依次安装多参数气象传感器、红外测温传感器、锚灯，底端通过法兰与仪器舱相连；仪器舱内部自上而下分别安装卫星数传设备、数据采集控制系统、电池组，贯穿聚脲浮体并相互固定；压载通过法兰与仪器舱底部相连。浮标的外表面喷涂优质氟碳耐候涂料，可以保证浮体的颜色鲜明。
数据采集器2硬件采用模块化设计，可根据需求配置：可以采集6路模拟信号和8路数字信号，或者采集12路模拟信号。每路模拟测量通道都具有三种工作方式：测量一个电阻或者同时测量三个单端电压和一个电流或者一个单端电压一个差分电压及一个电流。可以采集各种模拟信号，可以根据需要外接辐射、湿度、气压等多种模拟量输出的气象要素传感器。
电池组3采用一次性锂亚硫酰氯电池组供电，14.4VDC，65AH。（按照10分钟一次数据，工作 10天配电）。
多参数传感器设计是利用4个超声波探头，其布局图如3所示。两个探头一组，一个探头发射一束超声波，通过底部的金属进行反射，然后到达另外一个探头上。4个探头的数据合成真实风速和风向。在整个过程中，传感器通过测量空气温度，来对声速在不同温度下的变化进行补偿。
布放海域：开阔海域（如果通信方式选用北斗通信，需要在北斗通信卫星覆盖范围内）。
布放海域水深：水深大于20m。
本发明所述的大气波导浮标的工作原理如下：
本发明所述大气波导浮标获取海洋表面3m高度处的空气温度、相对湿度、风速、压强和海表温度作为输入量，基于Monin-Obukhov相似理论将数据导入蒸发波导预测模型，获得温度、湿度、气压的剖面，然后根据大气折射率与温湿度和大气气压间的关系求大气波导大气折射率剖面，再利用修正折射率最小值的位置确定波导高度。

Claims (1)

1.一种投弃式大气波导浮标，其特征在于：包括浮体、仪器舱、传感器系统、数据采集系统、电源系统、控制系统、通信系统、压载；浮体分为两部分，一部分直接与仪器舱固定，另一部分通过可控分离螺栓与仪器舱链接；仪器舱通过过盈配合与浮体相连，内部放置采集控制器、通信机和电池组；传感器系统主体为分段式直杆，可根据需求挂载相应传感器；数据采集系统、电源系统、控制系统、通信系统均通过相应的线缆连接；压载通过法兰固定于仪器舱底部。
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