CN112729257A - 能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标及方法 - Google Patents

Abstract

一种能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标及方法，它包括底部平台、上部平台、支柱、连接件和观测装置，通过支柱与底部平台和上部平台连接，多个观测装置均匀分布于底部平台的周围，连接件与底部平台和观测装置的浮体连接，浮体沿连接件的立轴上下滑动，通过观测装置测量波高和波周期以及对波向进行观察，处理器对观测数据进行处理。本发明克服了原浮标观测要素过于单一，成本高，管理难度大的问题，具有结构简单，结合波高和波周期及波向观测的数据绘制波浪谱，选取迎波方向的观测结果作为最终观测结果，结构紧凑、稳定性好，观测要素多，降低了海洋多环境要素观测的成本和运维管理的难度的特点。

Description

能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标及方法

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标及方法。

背景技术

海洋观测能够为海洋科学研究和资源开发提供宝贵的数据信息支撑，是海洋科技和经济发展的重要基础。海洋浮标作为一个漂浮式的海上观测平台，可以在各种复杂的海洋环境中进行长期、连续、实时的海洋观测, 是海洋观测技术中最重要的手段之一。中国专利CN110498017A（陈元等）、中国专利CN208931584U（陆雪良）等提出的海洋水文气象综合监测浮标，通过搭载不同类型的传感器，可用于获取海洋气象、水文、水质、生态等多种参数，能够满足不同的海洋观测需求，从而有效地降低海洋观测的成本和难度。

在众多的海洋环境参数中，波浪参数是海洋工程设计和施工中必不可少的基础数据。由于海洋综合观测浮标搭载的观测设备较多，导致浮标需要有足够大的体积来布置传感器以及相应的供能系统。因此，现有的海洋综合观测浮标基本采用大浮体设计，随波性差，严重影响了海洋波浪观测的精度和准确性，导致无法观测到小型波浪以及完整的波浪谱，从而限制了海洋综合观测浮标的应用范围和适用性。为了解决大体积浮标进行海洋波浪观测存在的不足，中国专利CN110884614A（毛科峰等）、CN110104125A（徐大伟）、CN209426985U(周良明）、CN209441557U(周良明）提出几种专用于海洋波浪观测的小型波浪浮标。然而，小型波浪浮标虽然能够有效地解决海洋波浪观测精度的难题，但是观测要素过于单一，增加了海洋多环境要素观测的实施成本以及运维管理的难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标及方法，结构简单，采用支柱与底部平台和上部平台连接，多个观测装置均匀分布于底部平台的周围，连接件与底部平台和观测装置的浮体连接，浮体沿连接件的立轴上下滑动，观测装置测量波高和波周期以及对波向进行观察，处理器对观测数据进行处理，结合波高和波周期及波向观测的数据绘制波浪谱，选取迎波方向的观测结果作为最终观测结果，结构紧凑、稳定性好，观测要素多，降低了海洋多环境要素观测的成本和运维管理的难度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标，它包括底部平台、上部平台、支柱、连接件和观测装置；所述支柱的两端分别与底部平台和上部平台连接，观测装置的多个浮体呈环形均布于底部平台外，连接件与底部平台和浮体连接；浮体沿连接件的立轴上下滑动，观测装置测量波高和波周期以及对波向进行观察。

所述底部平台为圆柱形、圆锥形或圆环形的中空结构，位于腔体中心设置仪器舱，位于仪器舱外设置多个独立的浮力舱。

所述上部平台为圆形的平板，平板上安装供电系统、卫星信号装置、无线电信号发射装置或接收送装置。

所述支柱为中空的圆柱体，位于圆柱体内设置波向测量仪。

所述连接件包括与立轴两端连接的支架，以及位于立轴和支架接触处的缓冲垫，支架与底部平台连接。

所述浮体内设置无线通信模块、存储模块、供电模块和波浪观测模块，无线通信模块、存储模块、供电模块和波浪观测模块及波向测量仪与处理器连接。

所述浮体为中空封闭的球形或环形结构，位于浮体外设置相互对称的滑动环与其连接，立轴穿过浮体和滑动环与两者滑动配合。

所述无线通信模块、卫星信号装置、无线电信号发射装置和接收送装置与存储模块连接。

所述波向测量仪获取浮标的实时运动状态信息，用于测量波高和波周期。

如上所述的能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标的波浪参数测量方法，它包括如下步骤：

S1，供电，上部平台上的供电系统向供电模块供电，供电模块将电能分配给无线通信模块、存储模块、波浪观测模块和波向测量仪；

S2，波浪观测，多个波浪观测模块实时获取浮标的波高和波周期数据，并将该数据传输给无线通信模块；

S3，波向观测，波向测量仪对波向进行观测，并将该观测数据实时传输给无线通信模块；

S4，数据存储，存储模块接受无线通信模块的数据并存储；

S5，数据处理，处理器对存储模块的数据进行处理，结合波高和波周期及波向观测的数据绘制波浪谱，选取迎波方向的观测结果作为最终观测结果。

一种能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标，它包括底部平台、上部平台、支柱、连接件和观测装置；支柱的两端分别与底部平台和上部平台连接，观测装置的多个浮体呈环形均布于底部平台外，连接件与底部平台和浮体连接；浮体沿连接件的立轴上下滑动，观测装置测量波高和波周期以及对波向进行观察。结构简单，通过支柱与底部平台和上部平台连接，多个观测装置均匀分布于底部平台的周围，连接件与底部平台和观测装置的浮体连接，浮体沿连接件的立轴上下滑动，通过观测装置测量波高和波周期以及对波向进行观察，处理器对观测数据进行处理，结合波高和波周期及波向观测的数据绘制波浪谱，选取迎波方向的观测结果作为最终观测结果，结构紧凑、稳定性好，观测要素多，降低了海洋多环境要素观测的成本和运维管理的难度。

在优选的方案中，底部平台为圆柱形、圆锥形或圆环形的中空结构，位于腔体中心设置仪器舱，位于仪器舱外设置多个独立的浮力舱。结构简单，使用时，中空结构的底部平台提供的浮力支撑整个浮标浮于水面，位于仪器舱内安装海流计、温盐传感器、水质传感器进行海洋水文水质的观测。

在优选的方案中，上部平台为圆形的平板，平板上安装供电系统、卫星信号装置、无线电信号发射装置或接收送装置。结构简单，使用时，供电系统提供电能，直接对设备进行供电或将电能传输给供电模块，由供电模块分配电能；卫星信号装置用于定位并将定位，无线电信号发射装置将定位信息发送给后台监控系统，接收送装置用于接收后台监控系统发送的指令，并对指令做出相应的反应。

在优选的方案中，支柱为中空的圆柱体，位于圆柱体内设置波向测量仪。结构简单，使用时，中空结构的支柱内铺设电缆或光缆，用于连接供电系统和设备之间的连接，向设备输送电能，光缆用于控制器件的连接；位于圆柱体内的波向测量仪用于测量波向并将数据实时传输给无线通信模块。

在优选的方案中，连接件包括与立轴两端连接的支架，以及位于立轴和支架接触处的缓冲垫，支架与底部平台连接。结构简单，使用时，连接件用于连接浮体，多个位于底部平台周围的浮体内部的波浪观测模块测量不同方向的波高和波周期，获取实时运动状态信息。

在优选的方案中，浮体内设置无线通信模块、存储模块、供电模块和波浪观测模块，无线通信模块、存储模块、供电模块和波浪观测模块及波向测量仪与处理器连接。结构简单，使用时，无线通信模块用于接收波浪观测模块和波向测量仪的观测数据，存储模块用于接收无线通信模块传输的数据并存储，供电模块用于接收电能并分配电能。

在优选的方案中，浮体为中空封闭的球形或环形结构，位于浮体外设置相互对称的滑动环与其连接，立轴穿过浮体和滑动环与两者滑动配合。结构简单，使用时，浮体由立轴限位漂浮于水面，沿沿立轴轴向滑动漂浮，当滑动环与缓冲垫抵触时，由缓冲垫减缓冲击力。

在优选的方案中，无线通信模块、卫星信号装置、无线电信号发射装置和接收送装置与存储模块连接。结构简单，使用时，无线通信模块将接收的数据传输给存储模块存储，在经过处理器处理，卫星信号装置、无线电信号发射装置和接收送装置的数据传输给存储模块，由处理器读取后再传输给接收送装置，由接收送装置传输至无线电信号发射装置与卫星信号装置配合发送至后台控制系统，实现远程控制。

在优选的方案中，波向测量仪获取浮标的实时运动状态信息，用于测量波高和波周期。使用时，在波浪作用下，浮体处于动态，波向测量仪实时获取浮体运动状态信息，测量波高和波周期，并将数据传输给无线通信模块。

在优选的方案中，如上能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标的波浪参数测量方法，它包括如下步骤：

S1，供电，上部平台上的供电系统向供电模块供电，供电模块将电能分配给无线通信模块、存储模块、波浪观测模块和波向测量仪；

S2，波浪观测，多个波浪观测模块实时获取浮标的波高和波周期数据，并将该数据传输给无线通信模块；

S3，波向观测，波向测量仪对波向进行观测，并将该观测数据实时传输给无线通信模块；

S4，数据存储，存储模块接受无线通信模块的数据并存储；

S5，数据处理，处理器对存储模块的数据进行处理，结合波高和波周期及波向观测的数据绘制波浪谱，选取迎波方向的观测结果作为最终观测结果。该方法不仅能够实时稳定观测波高、波周期和波向，还能收集波高、波周期和波向的数据，并绘制波浪谱，选择迎波方位的波浪观测浮体测量结果作为最终观测结果。

一种能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标及方法，它包括底部平台、上部平台、支柱、连接件和观测装置，通过支柱与底部平台和上部平台连接，多个观测装置均匀分布于底部平台的周围，连接件与底部平台和观测装置的浮体连接，浮体沿连接件的立轴上下滑动，通过观测装置测量波高和波周期以及对波向进行观察，处理器对观测数据进行处理。本发明克服了原浮标观测要素过于单一，成本高，管理难度大的问题，具有结构简单，结合波高和波周期及波向观测的数据绘制波浪谱，选取迎波方向的观测结果作为最终观测结果，结构紧凑、稳定性好，观测要素多，降低了海洋多环境要素观测的成本和运维管理的难度的特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的俯视示意图。

图3为图1的A-A处剖视示意图。

图4为图1的B处放大示意图。

图5为本发明浮体的结构示意图。

图中：底部平台1，仪器舱11，浮力舱12，上部平台2，支柱3，连接件4，立轴41，支架42，缓冲垫43，观测装置5，浮体51，无线通信模块52，存储模块53，供电模块54，波浪观测模块55，波向测量仪56，滑动环57。

具体实施方式

如图1~图5中，一种能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标，它包括底部平台1、上部平台2、支柱3、连接件4和观测装置5；所述支柱3的两端分别与底部平台1和上部平台2连接，观测装置5的多个浮体51呈环形均布于底部平台1外，连接件4与底部平台1和浮体51连接；浮体51沿连接件4的立轴41上下滑动，观测装置5测量波高和波周期以及对波向进行观察。结构简单，通过支柱3与底部平台1和上部平台2连接，多个观测装置5均匀分布于底部平台1的周围，连接件4与底部平台1和观测装置5的浮体51连接，浮体51沿连接件4的立轴41上下滑动，通过观测装置5测量波高和波周期以及对波向进行观察，处理器对观测数据进行处理，结合波高和波周期及波向观测的数据绘制波浪谱，选取迎波方向的观测结果作为最终观测结果，结构紧凑、稳定性好，观测要素多，降低了海洋多环境要素观测的成本和运维管理的难度。

优选的方案中，所述底部平台1为圆柱形、圆锥形或圆环形的中空结构，位于腔体中心设置仪器舱11，位于仪器舱11外设置多个独立的浮力舱12。结构简单，使用时，中空结构的底部平台1提供的浮力支撑整个浮标浮于水面，位于仪器舱11内安装海流计、温盐传感器、水质传感器进行海洋水文水质的观测。

优选地，底部平台1由圆柱形和圆锥形组成的中空结构，稳定性好。

优选地，浮力舱12由多个单独的舱体组成，在其中一个受损后，其余的仍能起到浮力支撑作用。

优选的方案中，所述上部平台2为圆形的平板，平板上安装供电系统、卫星信号装置、无线电信号发射装置或接收送装置。结构简单，使用时，供电系统提供电能，直接对设备进行供电或将电能传输给供电模块54，由供电模块54分配电能；卫星信号装置用于定位并将定位，无线电信号发射装置将定位信息发送给后台监控系统，接收送装置用于接收后台监控系统发送的指令，并对指令做出相应的反应。

优选地，供电系统为太阳能板或风力发电机组。

优选地，上部平台2上还安装有气象观测站、风速风向仪、测风激光雷达进行气象要素的观测。

优选的方案中，所述支柱3为中空的圆柱体，位于圆柱体内设置波向测量仪56。结构简单，使用时，中空结构的支柱3内铺设电缆或光缆，用于连接供电系统和设备之间的连接，向设备输送电能，光缆用于控制器件的连接；位于圆柱体内的波向测量仪56用于测量波向并将数据实时传输给无线通信模块52。

优选地，波向测量仪56为三轴加速度计、GPS定位装置或陀螺仪，获取浮体的实时运动状态信息进行波浪测量。

优选的方案中，所述连接件4包括与立轴41两端连接的支架42，以及位于立轴41和支架42接触处的缓冲垫43，支架42与底部平台1连接。结构简单，使用时，连接件4用于连接浮体51，多个位于底部平台1周围的浮体51内部的波浪观测模块55测量不同方向的波高和波周期，获取实时运动状态信息。

优选地，处理器计算多个方位浮体运动的时间差来确定波浪运动传递到不同方位传感器的先后顺序和传递速度，利用数字积分算法进行波向观测，或利用支柱3上安装的陀螺仪或三轴加速度传感器来进行波向观测，为避免浮标运动对波浪观测浮体的影响，根据波向观测结果对四个正交方位的波浪观测结果进行处理，始终选取迎波方位的波浪观测浮体测量结果作为最终观测结果。

优选的方案中，所述浮体51内设置无线通信模块52、存储模块53、供电模块54和波浪观测模块55，无线通信模块52、存储模块53、供电模块54和波浪观测模块55及波向测量仪56与处理器连接。结构简单，使用时，无线通信模块52用于接收波浪观测模块55和波向测量仪56的观测数据，存储模块53用于接收无线通信模块52传输的数据并存储，供电模块54用于接收电能并分配电能。

优选地，波浪观测模块55为波浪传感器或加速度传感器。

优选的方案中，所述浮体51为中空封闭的球形或环形结构，位于浮体51外设置相互对称的滑动环57与其连接，立轴41穿过浮体51和滑动环57与两者滑动配合。结构简单，使用时，浮体51由立轴41限位漂浮于水面，沿沿立轴41轴向滑动漂浮，当滑动环57与缓冲垫43抵触时，由缓冲垫43减缓冲击力。

优选的方案中，所述无线通信模块52、卫星信号装置、无线电信号发射装置和接收送装置与存储模块53连接。结构简单，使用时，无线通信模块52将接收的数据传输给存储模块53存储，在经过处理器处理，卫星信号装置、无线电信号发射装置和接收送装置的数据传输给存储模块53，由处理器读取后再传输给接收送装置，由接收送装置传输至无线电信号发射装置与卫星信号装置配合发送至后台控制系统，实现远程控制。

优选的方案中，所述波向测量仪56获取浮标的实时运动状态信息，用于测量波高和波周期。使用时，在波浪作用下，浮体51处于动态，波向测量仪56实时获取浮体51运动状态信息，测量波高和波周期，并将数据传输给无线通信模块52。

优选的方案中，如上所述的能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标的波浪参数测量方法，它包括如下步骤：

S1，供电，上部平台2上的供电系统向供电模块54供电，供电模块54将电能分配给无线通信模块52、存储模块53、波浪观测模块55和波向测量仪56；

S2，波浪观测，多个波浪观测模块55实时获取浮标的波高和波周期数据，并将该数据传输给无线通信模块52；

S3，波向观测，波向测量仪56对波向进行观测，并将该观测数据实时传输给无线通信模块52；

S4，数据存储，存储模块53接受无线通信模块52的数据并存储；

S5，数据处理，处理器对存储模块53的数据进行处理，结合波高和波周期及波向观测的数据绘制波浪谱，选取迎波方向的观测结果作为最终观测结果。该方法不仅能够实时稳定观测波高、波周期和波向，还能收集波高、波周期和波向的数据，并绘制波浪谱，选择迎波方位的波浪观测浮体测量结果作为最终观测结果。

如上所述的能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标及方法，安装使用时，支柱3与底部平台1和上部平台2连接，多个观测装置5均匀分布于底部平台1的周围，连接件4与底部平台1和观测装置5的浮体51连接，浮体51沿连接件4的立轴41上下滑动，观测装置5测量波高和波周期以及对波向进行观察，处理器对观测数据进行处理，结合波高和波周期及波向观测的数据绘制波浪谱，选取迎波方向的观测结果作为最终观测结果，结构紧凑、稳定性好，观测要素多，降低了海洋多环境要素观测的成本和运维管理的难度。

使用时，中空结构的底部平台1提供的浮力支撑整个浮标浮于水面，位于仪器舱11内安装海流计、温盐传感器、水质传感器进行海洋水文水质的观测。

使用时，供电系统提供电能，直接对设备进行供电或将电能传输给供电模块54，由供电模块54分配电能；卫星信号装置用于定位并将定位，无线电信号发射装置将定位信息发送给后台监控系统，接收送装置用于接收后台监控系统发送的指令，并对指令做出相应的反应。

使用时，中空结构的支柱3内铺设电缆或光缆，用于连接供电系统和设备之间的连接，向设备输送电能，光缆用于控制器件的连接；位于圆柱体内的波向测量仪56用于测量波向并将数据实时传输给无线通信模块52。

使用时，连接件4用于连接浮体51，多个位于底部平台1周围的浮体51内部的波浪观测模块55测量不同方向的波高和波周期，获取实时运动状态信息。

使用时，无线通信模块52用于接收波浪观测模块55和波向测量仪56的观测数据，存储模块53用于接收无线通信模块52传输的数据并存储，供电模块54用于接收电能并分配电能。

使用时，浮体51由立轴41限位漂浮于水面，沿沿立轴41轴向滑动漂浮，当滑动环57与缓冲垫43抵触时，由缓冲垫43减缓冲击力。

使用时，无线通信模块52将接收的数据传输给存储模块53存储，在经过处理器处理，卫星信号装置、无线电信号发射装置和接收送装置的数据传输给存储模块53，由处理器读取后再传输给接收送装置，由接收送装置传输至无线电信号发射装置与卫星信号装置配合发送至后台控制系统，实现远程控制。

使用时，在波浪作用下，浮体51处于动态，波向测量仪56实时获取浮体51运动状态信息，测量波高和波周期，并将数据传输给无线通信模块52。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标，其特征是：它包括底部平台（1）、上部平台（2）、支柱（3）、连接件（4）和观测装置（5）；所述支柱（3）的两端分别与底部平台（1）和上部平台（2）连接，观测装置（5）的多个浮体（51）呈环形均布于底部平台（1）外，连接件（4）与底部平台（1）和浮体（51）连接；浮体（51）沿连接件（4）的立轴（41）上下滑动，观测装置（5）测量波高和波周期以及对波向进行观察。

2.根据权利要求1所述的能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标，其特征是：所述底部平台（1）为圆柱形、圆锥形或圆环形的中空结构，位于腔体中心设置仪器舱（11），位于仪器舱（11）外设置多个独立的浮力舱（12）。

3.根据权利要求1所述的能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标，其特征是：所述上部平台（2）为圆形的平板，平板上安装供电系统、卫星信号装置、无线电信号发射装置或接收送装置。

4.根据权利要求1所述的能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标，其特征是：所述支柱（3）为中空的圆柱体，位于圆柱体内设置波向测量仪（56）。

5.根据权利要求1所述的能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标，其特征是：所述连接件（4）包括与立轴（41）两端连接的支架（42），以及位于立轴（41）和支架（42）接触处的缓冲垫（43），支架（42）与底部平台（1）连接。

6.根据权利要求1所述的能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标，其特征是：所述浮体（51）内设置无线通信模块（52）、存储模块（53）、供电模块（54）和波浪观测模块（55），无线通信模块（52）、存储模块（53）、供电模块（54）和波浪观测模块（55）及波向测量仪（56）与处理器连接。

7.根据权利要求1所述的能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标，其特征是：所述浮体（51）为中空封闭的球形或环形结构，位于浮体（51）外设置相互对称的滑动环（57）与其连接，立轴（41）穿过浮体（51）和滑动环（57）与两者滑动配合。

8.根据权利要求6所述的能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标，其特征是：所述无线通信模块（52）、卫星信号装置、无线电信号发射装置和接收送装置与存储模块（53）连接。

9.根据权利要求4所述的能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标，其特征是：所述波向测量仪（56）获取浮标的实时运动状态信息，用于测量波高和波周期。

10.根据权利要求1~9任一项所述的能够准确测量波浪参数的海洋综合观测浮标的波浪参数测量方法，其特征是，它包括如下步骤：

S1，供电，上部平台（2）上的供电系统向供电模块（54）供电，供电模块（54）将电能分配给无线通信模块（52）、存储模块（53）、波浪观测模块（55）和波向测量仪（56）；

S2，波浪观测，多个波浪观测模块（55）实时获取浮标的波高和波周期数据，并将该数据传输给无线通信模块（52）；

S3，波向观测，波向测量仪（56）对波向进行观测，并将该观测数据实时传输给无线通信模块（52）；

S4，数据存储，存储模块（53）接受无线通信模块（52）的数据并存储；

S5，数据处理，处理器对存储模块（53）的数据进行处理，结合波高和波周期及波向观测的数据绘制波浪谱，选取迎波方向的观测结果作为最终观测结果。

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