CN114013572A - 一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站，包括圆台形浮体，所述浮体内设有实验仪器设备舱和仪器舱井，所述浮体的上部固定安装有上支架，所述上支架的周边固定安装有多个均匀设置的斜撑结构，所述上支架上固定安装有固定平台，所述浮体下部固定安装有下支架。优点在于：本发明可搭载水文、气象、水质、通信等测量传感器设备，提供实时、连续的海气界面监测数据，用来实现海气界面实时动态立体观测与涡旋连续智能预报，本工作站结构简单、稳定安全，可拓展性强且具有高度自动化特点，数据传输安全可靠，实现了集智能化、模块化、绿色于一体的高性能海气界面连续观测运行工作站。

Description

一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站

技术领域

本发明涉及海洋监测技术领域，尤其涉及一种多传感器智能海气 界面参数观测连续运行工作站。

背景技术

海气界面的气象和水文数据是海气相互作用、气候变化等重大科 学问题研究和业务化海洋分析、预报等应用系统的重要基础。

近年来,随着社会不断发展，人类活动受气象影响越来越大。现 今人们可以借助卫星通信技术、遥感技术等先进科技预测出气象趋 势。但在人类活动较少的海洋上如何检验预测的可靠性、准确性，这 就需要人们设立众多观测点，另外，风力、风向、洋流、气压等气象 状况对海洋航行有很大的影响，准确地掌握海洋气象特点，特别是船 舶所在航线周边的气象信息对安全航行、经济航行十分有益处，航运 企业可以合理利用海洋等气象信息合理设计安全、经济航线，有利于 航运企业的安全生产和节能减排，但是其现有的海洋气象监测系统不 能很好对海气界面以及水下海洋动力环境的信息进行有效的监测。

因此，发明一种集智能化、模块化于一体的高性能海气界面实时 动态立体观测与涡旋预报工作站来解决上述问题很有必要。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，而提出的一种 多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站，包括圆台 形浮体，所述浮体内设有实验仪器设备舱和仪器舱井，所述浮体的上 部固定安装有上支架，所述上支架的周边固定安装有多个均匀设置的 斜撑结构，所述上支架上固定安装有固定平台，所述浮体下部固定安 装有下支架，所述浮体上固定安装有第一卷扬平台以及第二卷扬平 台，所述第一卷扬平台上设有拉力索，所述拉力索的下端固定安装有 重力块，所述拉力索上套设有两个环套，且两个环套之间固定连接有 水质传感器，所述水质传感器上连接有信号缆绳，且信号缆绳缠绕在 第二卷扬平台上，所述上支架上固定安装有雷达反射器，所述固定平台上设有气压传感器、风速风向传感器、锚灯、避雷针、温湿度传感 器、AIS、电台以及GNSS接收机天线。

在上述的一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站 中，所述气压传感器安装在气压传感器支架上，所述气压传感器支架 固定在上支架上，所述风速风向传感器安装在风速风向传感器支架 上，所述风速风向传感器支架固定在上支架上，所述温湿度传感器安 装在温湿度传感器支架上，所述温湿度传感器支架固定在上支架上， 所述电台安装在电台支架上，所述电台支架固定在上支架上，所述 AIS安装在AIS支架上，所述AIS支架固定在上支架上，所述GNSS 接收机天线安装在GNSS接收机天线支架上，所述GNSS接收机天线支 架固定在上支架上。

在上述的一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站 中，所述下支架下端固定安装有环形支撑板，所述环形支撑板上固定 安装有多个均匀分布的平衡重量块。

在上述的一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站 中，所述浮体的侧壁上固定安装有多个均匀分布的挂耳，所述浮体的 上端固定安装有多个吊耳。

在上述的一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站 中，所述浮体的上端固定安装有多个太阳能板支架，所述浮体的上端 固定安装有防护栏，所述浮体的侧壁上固定安装有两个防撞圈。

在上述的一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站 中，所述仪器舱井位于浮体内，所述仪器舱井共有两个，所述上支架 上固定安装有综合仪器架，所述浮体上固定安装有与ADCP相配合的 ADCP支架。

在上述的一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站 中，所述综合仪器架上搭载有CTD以及波浪传感器。

与现有的技术相比，本发明优点在于：

1：通过第一卷扬平台、第二卷扬平台以及环套的配合，可使水 质传感器测量不同水深处的水质参数数据，环套在拉力索上起到导向 作用，使水质传感器升降更平稳，也使水质传感器停留在某一水深处 时不会有大的晃动。

2：第一卷扬平台和第二卷扬平台设在浮体的稳心位置，所以拉 力索和信号缆绳的摇摆最小，减少拉力索和信号缆绳因浮体摇晃带来 的损伤。

3：采用下支架把原来放在浮体内部的“压仓石”移动到下支架 末端，使整体重心大大下降。具有“不倒翁”特性，抵抗恶劣环境强， 能够快速恢复直立状态。

4：浮体的上表面均布有多个太阳能支架板，便于安装拆卸供电 给仪器的太阳能板。太阳能板能保证仪器能长期持续工作，避免换电 池维护麻烦，均匀分布多块，能最多限度利用太阳能，确保观测站可 长时间远离海岸工作。

5：ADCP观测装置的换能器部位置于浮体平台仪器舱井底部，并 由凸出于底部垂直水平面的导流罩水密保护，ADCP安装在自平衡装 置上，通过轴承基座保持ADCP姿态，轴承基座通过螺栓固定在ADCP 支架上，ADCP支架通过卡槽固定于ADCP仪器舱，通讯电缆通过密封 舱盖上的水密电缆孔连接ADCP与数据采集设备，保证仪器舱内的水 密性能，ADCP完全与海水隔绝，既不影响正常工作，更没有附着生 物生长，换能器表面不会受到附着生物的腐蚀，避免影响观测数据质 量。

6：配备了专用的双仪器舱井，仪器舱井内分别设置ADCP支架和 综合仪器架，综合仪器架可搭载如CTD、波浪传感器、水听器、高度 计、叶绿素传感器、浊度传感器、溶解氧传感器等水质检测装置，从 容可提供实时、连续的海洋表层监测数据，具有高度自动化特点，实 现了集智能化、模块化于一体的高性能海洋监测系统。

综上所述，本发明可搭载水文、气象、水质、通信等测量传感器 设备，提供实时、连续的海气界面监测数据，用来实现海气界面实时 动态立体观测与涡旋连续智能预报，本工作站结构简单、稳定安全， 可拓展性强且具有高度自动化特点，数据传输安全可靠，实现了集智 能化、模块化、绿色于一体的高性能海气界面连续观测运行工作站。

附图说明

图1为本发明提出的一种多传感器智能海气界面参数观测连续 运行工作站的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为图2中拉力索控制水质传感器下降后的结构示意图；

图4为图2中上支架及其上连接组件的结构放大示意图；

图5为图4中风速风向传感器支架以及其与风速风向传感器连接 后的结构放大示意图；

图6为图2中气压传感器支架以及其与气压传感器连接后的结构 放大示意图；

图7为图4中GNSS接收机天线支架以及其与GNSS接收机天线连 接后的结构放大示意图；

图8为图4中温湿度传感器支架以及其与温湿度传感器连接后的 结构放大示意图；

图9为图4中电台支架以及其与电台连接后的结构放大示意图；

图10为图4中AIS支架以及其与AIS连接后的结构放大示意图；

图11为图2中ADCP支架以及其与ADCP连接后的结构放大示意 图。

图中：1下支架、2挂耳、3浮体、4实验仪器设备舱、5第一卷 扬平台、6上支架、7锚灯、8避雷针、9雷达反射器、10仪器舱井、11吊耳、12太阳能板支架、13防护栏、14防撞圈、15平衡重量块、 16综合仪器架、17气压传感器、18电台、19AIS、20风速风向传感 器、21GNSS接收机天线、22温湿度传感器、23ADCP、24风速风向传 感器支架、25气压传感器支架、26GNSS接收机天线支架、27温湿度 传感器支架、28电台支架、29AIS支架、30ADCP支架、31斜撑结构、 32固定平台、33环形支撑板、34拉力索、35重力块、36水质传感 器、37信号缆绳、38环套、39第二卷扬平台、40CTD、41波浪传感 器。

具体实施方式

参照图1-4，一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作 站，包括圆台形浮体3，浮体3内设有实验仪器设备舱4和仪器舱井 10，浮体3的上部固定安装有上支架6，上支架6的周边固定安装有 多个均匀设置的斜撑结构31。

上述值得注意的是：

1、上支架6采用管/杆结构构成，便于透风，斜撑结构31的设 计能够极大限度加固上支架6，且用料少，重量轻，浮标结构牢固、 不易翻沉，能够在大风大浪中工作而不损坏。

2、浮体3的侧壁上固定安装有多个均匀分布的挂耳2，浮体3 的上端固定安装有多个吊耳11，挂耳2与吊耳11的设计，便于该观 测站的布放回收、运输及拓展AUV功能等工作，浮体3的上端固定安 装有多个太阳能板支架12，太阳能板支架12用于安装太阳能板，从 而可对太阳能进行吸收利用，能保证仪器能长期持续工作，避免换电 池维护麻烦，均匀分布多块，能最多限度利用太阳能，确保观测站可 长时间远离海岸工作。

3、浮体3的上端固定安装有防护栏13，防护栏13可确保工作 人员的安全，浮体3的侧壁上固定安装有两个防撞圈14，防撞圈14 可避免浮体3撞击损坏。

4、浮体3下部固定安装有下支架1，下支架1下端固定安装有 环形支撑板33，环形支撑板33上固定安装有多个均匀分布的平衡重 量块15，采用下支架1把原来放在浮体3内部的“压仓石”(即本发 明中的平衡重量块15)移动到下支架1末端，使整体重心大大下降，具有“不倒翁”特性，抵抗恶劣环境强，能够快速恢复直立状态。

5、浮体3上固定安装有第一卷扬平台5以及第二卷扬平台39， 第一卷扬平台5和第二卷扬平台39设在浮体3的稳心位置，第一卷 扬平台5上设有拉力索34，拉力索34的下端固定安装有重力块35， 拉力索34上套设有两个环套38，且两个环套38之间固定连接有水 质传感器36，水质传感器36上连接有信号缆绳37，且信号缆绳37 缠绕在第二卷扬平台39上，当第二卷扬平台39转动时，信号缆绳 37上升或下降，水质传感器36跟随上升或下降，从而测量不同水深 处的水质参数数据，环套38套在拉力索34上起到导向作用，使水质 传感器36升降更平稳，也使水质传感器36停留在某一水深处时不会 有大的晃动。

6、拉力索34的直径为8mm至10mm，重力块35为90公斤至100 公斤，重力块35设置在90公斤至100公斤能够使拉力索34不会出 现大的摇晃，而且拉力索34的直径设置8mm至10mm，既保证其不会 被重力块35拉断，确保强度的同时又避免使用较粗的不锈钢拉绳而带来的成本较高的问题。

参照图1-11，上支架6上固定安装有雷达反射器9，上支架6上 固定安装有固定平台32，固定平台32上设有气压传感器17、风速风 向传感器20、锚灯7、避雷针8、温湿度传感器22、AIS19、电台18 以及GNSS接收机天线21。

上述值得注意的是：

1、气压传感器17安装在气压传感器支架25上，气压传感器支 架25固定在上支架6上，风速风向传感器20安装在风速风向传感器 支架24上，风速风向传感器支架24固定在上支架6上，温湿度传感 器22安装在温湿度传感器支架27上，温湿度传感器支架27固定在 上支架6上，电台18安装在电台支架28上，电台支架28固定在上 支架6上，AIS19安装在AIS支架29上，AIS支架29固定在上支架 6上，GNSS接收机天线21安装在GNSS接收机天线支架26上，GNSS 接收机天线支架26固定在上支架6上。

2、锚灯7达到了照亮水文气象浮标装置本体的效果，水文气象 浮标装置本体长期在海上监测，在黑暗的情况下，过往船只不容易注 意到水文气象浮标装置本体，容易发生碰撞意外，打开闪光灯，可以 照亮水文气象浮标装置本体，使得过往船只可以发现水文气象浮标装 置本体，不会发生碰撞事故。

3、仪器舱井10位于浮体3内，仪器舱井10共有两个，上支架6上固定安装有综合仪器架16，浮体3上固定安装有与ADCP23相配 合的ADCP支架30，综合仪器架16上搭载有CTD40以及波浪传感器 41。

4、仪器舱井10内搭载的综合仪器架16可选择性搭载水文、水 质等测量设备，如CTD、波浪传感器、水听器、高度计、叶绿素传感 器、浊度传感器、溶解氧传感器等等，提供实时、连续的海洋表层监 测数据，具有高度自动化特点，实现了集智能化、模块化于一体的高性能海洋监测系统。

5、ADCP23观测模块的设计，将ADCP23声学多普勒剖面海流仪 应用在浮体3平台上，以获取所在站点的剖面海流资料数据，但 ADCP23声学多普勒剖面海流仪在船舶等平台上的安装方式都是直接 将其安装在底部支架上进行海流观测，其安装方式存在以下缺点：ADCP23直接与海水接触，换能器表面容易滋生附着生物，腐蚀换能 器并影响波束能量；ADCP23与平台本体硬连接，受平台姿态影响较 大，难以保证ADCP23姿态，特别在恶劣海况下，一旦ADCP23垂直方 向超出其允许倾角，观测的数据为无效数据；受平台底部末端锚链位 置影响，ADCP23声学波束很容易发射到末端锚链上，造成数据缺失， 影响数据质量；ADCP23是在平台上将仪器放入仪器支架固定，完全 处于开放状态，非常容易被人为破坏；ADCP23与海水直接接触，仪 器及其固定机构受海水腐蚀、锈死，造成设备无法取出的情况，而本 发明所述ADCP23观测装置很好地解决了上述存在的缺点，该观测装 置换能器部位置于浮体3平台仪器舱井底部，并由凸出于底部垂直水 平面的导流罩水密保护，ADCP23安装在自平衡装置上，通过轴承基 座保持ADCP23姿态，轴承基座通过螺栓固定在ADCP23支架上，ADCP 支架30通过卡槽固定于ADCP23仪器舱，通讯电缆通过密封舱盖上的 水密电缆孔连接ADCP23与数据采集设备，保证仪器舱内的水密性能， ADCP23完全与海水隔绝，既不影响正常工作，更没有附着生物生长， 换能器表面不会受到附着生物的腐蚀，避免影响观测数据质量。

6、风速风向传感器20、温湿度传感器22、气压传感器17可对 海气界面空气中的温度、湿度、气压、风速风向进行监测。

7、雷达反射器9在遇到雷达电磁波扫射后，由于它的材质和造 型会把雷达电磁波进行折射放大会在雷达上显示极强烈的回波信息， 很容易被捕捉到，安装此种设备可有效避免过往船只的碰撞，即使在 视线不好的情况下也可以有效警示过往船只，在丢失的情况下也可以 辅助轻松找到本装置，AIS19船舶识别器在日间发射信号并记录船只 信息，通过定位系统将其动态资料和静态资料发出广播对过往船只发 布航行警告以提醒过往船只避让。

8、本发明系统主要模块设计

浮体平台单元主控及数据采集模块

智能海气观测站BDS系统由BDS卫星数据通信接收机和天线以及 管理软件系统构成，BDS接收机安装在仪器舱井10中，BDS天线安装 在GNS接收机天线支架26上。主要工作包括以下几项：与北斗卫星 系统完成信息传输，接收岸站系统相关指令，向岸站发送对应数据； 此外智能海气观测站系统还要与数据采集模块进行即时通讯，对具体 的数据采集模块下达指令，并接收由采集模块收集得到的相关数据。 数据采集系统的工作主要包括两个方面；①接收主控的指令并将得到 的数据进行传输；②将传感器数据进行必要转换。

实时通信模块系统

海洋实时监测系统中使用的实时通信模块就是北斗卫星系统，北 斗卫星系统由我国自主研发，已经发展成熟，能够提供全球范围内实 施定位、导航、授时等，而且具有高度的准确性和可靠性，同时能够 实现全天候工作。应用北斗卫星系统，具有良好的安全性，同时能够 确保数据传输的准确性和及时性。在海洋水文的实时监测过程中，通 过科学利用北斗卫星系统和岸基设备以及相关的数据传输技术，可以 有效保证海洋水文信息的即时准确传播。

本装置采用的是嵌入式的北斗终端机，这种终端机体积很小，而 且使用过程中对于能耗的要求不高，这使得其具有良好的实用性，尤 其是针对海洋观测站具有强大应用优势。岸基中心站与海上的水文 监测节点通信方式可以分为两种，一种是利用北斗卫星系统有效连 接观测站和北斗通信终端，这样一来就可以实现对监测节点的遥测遥 控；另一种是利用互联网，根据数据传输需要建立一条虚拟专线，为 岸基中心站和对应的海上浮标监测点建立一个有效的通信渠道。

岸基中心站监控软件模块

岸基中心站的功能主要是接收海上观测站传输的相关监测信息 以及对这些数据的处理和存储。此外岸基中心站还需要向浮标监测平 台发布相关指令，及时读取浮标监测系统采集得到的数据。对于数据 的存储主要是将收集得到的数据转入岸基中心站的本地存储。为了满 足以上功能的正常实现，岸基中心监控软件系统具有通讯和数据库两 个接口。此外为了满足其他需要，岸基中心站还可以进行相关的数据 转换、针对海上观测站的监控等功能。数据转换指的是针对海上浮标 传输的数据信息按照相关标准进行换算，这一过程可以帮助工作人员 得到其需要的数据结果；生成报文指的是系统根据规定的文件格式以 对应的数据信息为蓝本生成相应的数据文件格式，这些文件可以直接 传输给具体的应用单位。

波浪参数实时测量

波浪是海洋水文六大要素之一,波浪资料准确与否对海洋工程、 海上交通、海洋军事活动、海水养殖与捕捞、海洋环境保护以及海洋 研究等具有重大影响。我国一贯非常重视海洋波浪的测量。随着科 技发展，为了加强海洋波浪的测量，国家海洋局、交通部、海军等有 关部门和单位陆续从国外引进949、956、波浪骑士等测波浮标，用 于海洋调查、监测、防灾减灾、污染防治、海洋研究及军事科学等海 洋活动，促进了我国海洋事业的发展。利用波浪浮标对海浪进行表面 测量是获取海浪数据的重要手段，波浪浮标是目前对海洋波浪进行长 期、实时、定点观测的主要设备，浮标通过其中的传感器实现对各项 波浪参数的测量，采集与初步处理。

本观测站通过搭载波浪传感器41(DWS19-1/2传感器)来实现对 各项波浪参数的测量，采集与初步处理，波浪传感器41是采用内嵌 捷联姿态解算/补偿算法、频域数值积分和波浪谱前端边缘计算的波 浪传感器41，无需依靠外部机械/机电稳定载体平台，体积小、功耗 低，可方便快速集成在多型海洋智能观测平台上，实现投放海区的波 浪快速测量，本观测站通过集成该型波浪传感器41可实现各项波浪 的实时测量为海气界面参数连续观测、涡旋预报提供有力的数据支 持。

Claims (7)

1.一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站，包括圆台形浮体(3)，其特征在于，所述浮体(3)内设有实验仪器设备舱(4)和仪器舱井(10)，所述浮体(3)的上部固定安装有上支架(6)，所述上支架(6)的周边固定安装有多个均匀设置的斜撑结构(31)，所述上支架(6)上固定安装有固定平台(32)，所述浮体(3)下部固定安装有下支架(1)，所述浮体(3)上固定安装有第一卷扬平台(5)以及第二卷扬平台(39)，所述第一卷扬平台(5)上设有拉力索(34)，所述拉力索(34)的下端固定安装有重力块(35)，所述拉力索(34)上套设有两个环套(38)，且两个环套(38)之间固定连接有水质传感器(36)，所述水质传感器(36)上连接有信号缆绳(37)，且信号缆绳(37)缠绕在第二卷扬平台(39)上，所述上支架(6)上固定安装有雷达反射器(9)，所述固定平台(32)上设有气压传感器(17)、风速风向传感器(20)、锚灯(7)、避雷针(8)、温湿度传感器(22)、AIS(19)、电台(18)以及GNSS接收机天线(21)。

2.根据权利要求1所述一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站，其特征在于，所述气压传感器(17)安装在气压传感器支架(25)上，所述气压传感器支架(25)固定在上支架(6)上，所述风速风向传感器(20)安装在风速风向传感器支架(24)上，所述风速风向传感器支架(24)固定在上支架(6)上，所述温湿度传感器(22)安装在温湿度传感器支架(27)上，所述温湿度传感器支架(27)固定在上支架(6)上，所述电台(18)安装在电台支架(28)上，所述电台支架(28)固定在上支架(6)上，所述AIS(19)安装在AIS支架(29)上，所述AIS支架(29)固定在上支架(6)上，所述GNSS接收机天线(21)安装在GNSS接收机天线支架(26)上，所述GNSS接收机天线支架(26)固定在上支架(6)上。

3.根据权利要求1所述一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站，其特征在于，所述下支架(1)下端固定安装有环形支撑板(33)，所述环形支撑板(33)上固定安装有多个均匀分布的平衡重量块(15)。

4.根据权利要求1所述一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站，其特征在于，所述浮体(3)的侧壁上固定安装有多个均匀分布的挂耳(2)，所述浮体(3)的上端固定安装有多个吊耳(11)。

5.根据权利要求1所述一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站，其特征在于，所述浮体(3)的上端固定安装有多个太阳能板支架(12)，所述浮体(3)的上端固定安装有防护栏(13)，所述浮体(3)的侧壁上固定安装有两个防撞圈(14)。

6.根据权利要求1所述一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站，其特征在于，所述仪器舱井(10)位于浮体(3)内，所述仪器舱井(10)共有两个，所述上支架(6)上固定安装有综合仪器架(16)，所述浮体(3)上固定安装有与ADCP(23)相配合的ADCP支架(30)。

7.根据权利要求6所述一种多传感器智能海气界面参数观测连续运行工作站，其特征在于，所述综合仪器架(16)上搭载有CTD(40)以及波浪传感器(41)。

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