CN114620186A - 一种小型化海洋测波浮标装置与测波及风要素反演方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化海洋测波浮标装置与测波及风要素反演方法，包括浮标体外壳、测量控制系统、通信传输系统、锚链和配重；测量控制系统包括电源模块、微控制器模块、数据存储模块和加速度传感器模块；电源模块用于为整个装置供电；数据存储模块用于存储所有数据；加速度传感器模块用于采集波浪特征信息；所述微控制器模块用于将加速度传感器模块采集的数据进行实时解算，并将所有数据一并存储于数据存储模块中或传输至上位机；通信传输系统包括数传电台和外置天线两部分，数传电台与微控制器模块相连。本发明在结构设计上较其他浮标体积小、质量轻，有着更好的随波性，能够快速获取波浪数据，同时在新算法的基础上可实现反演得到风要素数据。
Description
技术领域
本发明涉及海洋波浪数据测量技术领域，特别是涉及一种小型化海洋测波浮标装置与测波及风要素反演方法。
背景技术
海洋测波浮标因其测波精度较高，可长期实地部署等优点成为目前国际上主流的波浪测量仪器。目前主要有锚系浮标和漂流浮标两种方式。漂流浮标在海上随洋流而漂动，能测量得到其流动轨迹上的相关海洋数据，因其漂流方向的不确定性以及不可回收性，会使得标体以及相关的数据丢失，一旦发生故障无法及时维修；锚系浮标是将浮标进行定点观测，通过缆绳将锚与标体相连接，只能测量定点海域的相关水文数据，但可进行定期维修与调整，其连接的浮标一般都较大，所以成本也相应的有所升高。
浮标上一般为获得海洋表面风的数据，均搭载了风速计，这无疑使得浮标的结构更加的复杂，同时也会使整个浮标体结构变大。由于大型浮标的随波性较差，对于一些较小的波并不能精确捕捉，同时如需进行大规模或者应急布放时，大型浮标就显得很不便捷。因此，小型化浮标的研制必不可少。
传感器作为测波的主要仪器，目前有两种，一种是基于GPS原理测波，另一种是基于加速度原理测波。GPS因其成本昂贵，导致并未大规模应用；现在加速度传感器层出不穷，价格较低，适合大规模生产及布放，且能满足测波要求。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种小型化海洋测波浮标装置与测波及风要素反演方法，该浮标装置在结构设计上较其他浮标体积小、质量轻，有着更好的随波性，能够快速获取波浪数据，同时在新算法的基础上可实现反演得到风要素数据。
本发明是这样实现的，一种小型化海洋测波浮标装置，包括浮标体外壳、测量控制系统、通信传输系统、锚链和配重，所述浮标体外壳的底部与配重通过锚链相连；
所述测量控制系统包括电源模块、微控制器模块、数据存储模块和加速度传感器模块四部分，所述电源模块、数据存储模块和加速度传感器模块均与微控制器模块相连；所述电源模块用于为整个装置供电；所述数据存储模块用于存储所有数据；所述加速度传感器模块用于采集波浪的特征信息；所述微控制器模块用于将加速度传感器模块采集的数据进行实时解算，并将所有数据一并存储于数据存储模块中或传输至上位机；
所述通信传输系统包括数传电台和外置天线两部分，所述外置天线与数传电台连接，所述数传电台与微控制器模块相连，通信传输系统用于实现微控制器模块和上位机的数据传输和命令交互；
所述加速度传感器模块安装在浮标重心位置，加速度传感器模块与浮标体外壳内壁保持一定的距离。
优选的，所述电源模块包括位于浮标体外壳内部的电池。
进一步优选的，所述电源模块还包括太阳能板，所述太阳能板铺设在浮标体外壳外部的上表面，所述太阳能板与电池连接。
优选的，所述浮标体外壳内还设置有支撑结构，所述微控制器模块、数据存储模块、数传电台均安装在支撑结构上，所述电源模块安装在支撑结构上方的平台处，所述加速度传感器模块与支撑结构保持一定的距离。
优选的，所述浮标体外壳外侧的底部通过锚系挂钩连接锚链一端。
优选的，所述锚链上设置有悬浮球和下坠球。
一种小型化海洋测波浮标的测波及风要素反演方法，包括测波方法和风要素反演方法，其中：
测波方法的具体步骤如下：
通过加速度传感器模块获取浮标随波浪运动的三轴加速度、三轴角速度、及磁偏角信息；通过坐标转换，得到地理坐标系下的真实加速度；将真实加速度进行频域二次积分得到三轴位移；将真实加速度通过姿态解算得到欧拉角数据；
将三轴位移中的Z轴位移使用跨零点法得到波高和周期，同时结合欧拉角使用十六方位图法得到波向；
将Z轴位移进行频域变换求得功率谱及波能谱，使用谱分析得到谱计算的波高和周期；由三轴位移得到方向谱，同时计算出波向；
风要素反演方法的具体步骤如下：
根据公式E(f)＝E0f-4，且
求得风摩擦速度U；
其中，E(f)为波能谱，单位为m2/Hz；f为频率，单位为Hz,取值范围为0.2～0.4Hz；U为风摩擦速度，单位m/s；I为方向拓展函数，取2.5；β为经验常数，取0.012；g为重力加速度，取9.8m/s2；
根据公式
求得离海平面z处的平均水平风速Uz；
其中，Uz为海平面以上z米高处的平均水平风速，单位为m/s；k为冯卡曼常数，取0.41；z为离海平面的高度，单位为m；z0为海表面粗糙度长度，单位为m，由
求得，α为查诺克常数，取0.012；
结合上述方向谱，根据公式
使用傅里叶级数法来估算方向的分布函数；
其中a1、b1为傅里叶系数；
根据公式
估算出平均风向θeq。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明的小型化海洋测波浮标装置具有体积小、质量轻、成本低等特点，适合网格化、规模化使用，特别适用于海洋环境保障领域中进行应急观测布放，快速获取数据，拥有非常广阔的市场应用前景；在满足实际测波需求的同时，还能实现由波浪场反演得到风场的数据指标。
2、本发明的小型化海洋测波浮标装置的结构设计，所用器件较少，结构相对简单，且经比较，数据精确度较高，能够保证加速度传感器测量的准确性，数据及时的回传给上位机进行实时监测，能够满足实际工程应用的需求。
3、本发明将加速度传感器技术和微控制器处理技术相结合，利用加速度传感器实时采集的大量原始数据经过微控制器内部的程序运算，可实时准确计算出相关的波浪要素(如波高、周期、波向)，并实现在没有风速计的条件下，通过算法同步反演可得到该时间段内的风要素(风速、风向)，同时利用数传电台按需进行数据通信传输，扩展了已有浮标单一测浪的功能，同时实现了数据并置获取，使行业范围变得更大。
4、本发明不仅适用于深水区，而且由于体积小，质量较轻亦可布放在浅水区域，可以批量生产在海域进行多点布放，具有很大的实用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的小型化海洋测波浮标装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的浮标体内部结构示意图；
图3是本发明实施例提供的测量控制系统和通信传输系统的硬件结构示意图；
图4是本发明实施例提供的浮标测波及风要素反演方法的流程图；
图5是本发明实施例提供的波能谱图；
图6是本发明实施例提供的0.2-0.4Hz频率范围内E(f)与反演曲线拟合图。
其中：1、浮标体外壳；2、太阳能板；3、外置天线；4、锚系挂钩；5、锚链；6、悬浮球；7、下坠球；8、配重；9、加速度传感器模块；10、数传电台；11、微控制器模块；12、电池；13、数据存储模块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系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。
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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。
请参阅图1～图3，本实施例提供一种小型化海洋测波浮标装置，包括浮标体外壳1、测量控制系统、通信传输系统、锚链5和配重8。
浮标体外壳1有着很好的抗腐蚀能力，同时能保证浮标稳定漂浮。浮标体外壳1外侧的底部通过锚系挂钩4连接锚链5一端，锚链5上设置有悬浮球6和下坠球7，悬浮球6和下坠球7能够避免锚链5缠绕在一起，锚链5另一端连接配重8，保证浮标固定在定点海域。
所述测量控制系统包括电源模块、微控制器模块11、数据存储模块13和加速度传感器模块9四部分，所述电源模块、数据存储模块13和加速度传感器模块9均与微控制器模块11相连。所述通信传输系统包括数传电台10和外置天线3两部分，所述外置天线3与数传电台10连接，所述数传电台10与微控制器模块11相连。所述浮标体外壳1内设置有支撑结构，所述微控制器模块11、数据存储模块13、数传电台10均安装在支撑结构上。
其中，所述电源模块由位于浮标体外壳1内部的电池12以及铺设于浮标体外壳1外部上表面的太阳能板2共同组成，所述太阳能板2与电池12连接，用于为整个装置供电，太阳能板2可与电池12相互切换给装置供电，太阳能板2与电池12相配合确保供电充足、稳定，以保证浮标的正常运行；所述数据存储模块13主要由SD卡构成，用于存储所有数据；所述加速度传感器模块9通过铜柱支撑焊接在浮标重心位置，且保持水平，以保证加速度传感器模块9的运动近似为海面波浪运动，用于采集波浪的特征信息，加速度传感器模块9与支撑结构和浮标体外壳1内壁均保持一定的距离，防止加速度传感器模块9受到影响；所述微控制器模块11用于将加速度传感器模块9采集的数据进行实时解算，并将所有数据一并存储于数据存储模块13中或传输至上位机。
所述通信传输系统用于实现微控制器模块11和上位机的数据传输和命令交互，所述数传电台10固定在微控制器模块11的一侧，所述外置天线3安装在浮标体外壳1外部的上端，便于信号接收。
加速度传感器模块9将采集的数据传到微控制器模块11，通过既定程序运行后，将原始数据及计算结果通过数传电台10传输到岸边基站，同时数据也被保存在数据存储模块13内，保证数据不被丢失。
如图4所示，小型化海洋测波浮标的测波及风要素反演方法，包括测波方法和风要素反演方法，其中：
测波方法的具体步骤如下：
通过加速度传感器模块9获取浮标随波浪运动的三轴加速度、三轴角速度、及磁偏角信息；通过坐标转换，得到地理坐标系下的真实加速度；将真实加速度进行频域二次积分得到三轴位移；将真实加速度通过姿态解算得到欧拉角数据；
将三轴位移中的Z轴位移使用跨零点法得到波高和周期，同时结合欧拉角使用十六方位图法得到波向；
将Z轴位移进行频域变换求得功率谱及波能谱，使用谱分析得到谱计算的波高和周期；由三轴位移得到方向谱，同时计算出波向；
风要素反演方法的具体步骤如下：
根据公式E(f)＝E0f-4，且
求得风摩擦速度U；
其中，E(f)为波能谱，单位为m2/Hz；f为频率，单位为Hz，取值范围为0.2～0.4Hz；U为风摩擦速度，单位m/s；I为方向拓展函数，取2.5；β为经验常数，取0.012；g为重力加速度，取9.8m/s2；
根据公式
求得离海平面z处的平均水平风速Uz；
其中，Uz为海平面以上z米高处的平均水平风速，单位为m/s；k为冯卡曼常数，取0.41；z为离海平面的高度，单位为m；z0为海表面粗糙度长度，单位为m，由
求得，α为查诺克常数，取0.012；
选用美国国家数据浮标中心(NDBC)观测数据进行实施例解析，以图5为例，该图为波能谱图，横坐标代表频率，纵坐标代表能量。图6为在0.2-0.4Hz频率范围内E(f)与反演曲线拟合图，计算所得U为1.14m/s，Uz取海平面以上5米的高度，计算结果为22.44m/s。风速的实测数据为23.21m/s，对比两者结果误差小于1m/s，证明该反演方法的有效性与准确性，满足实际海洋观测需求。
结合上述方向谱，根据公式
使用傅里叶级数法来估算方向的分布函数；
其中a1、b1为傅里叶系数；
根据公式
估算出平均风向θeq。
综上，本发明通过加速度传感器模块9采集波浪定点的三轴加速度、三轴角速度、磁偏角信息，通过计算各轴向位移进而得到波浪的功率谱、波能谱和方向谱，通过谱分析技术解算出波高、周期、波向等波浪要素，同时在已有波浪要素的基础上通过反演算法得出风速与风向。此算法实现了波浪要素和风要素的并置获取。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种小型化海洋测波浮标装置，其特征在于，包括浮标体外壳、测量控制系统、通信传输系统、锚链和配重，所述浮标体外壳的底部与配重通过锚链相连；
所述测量控制系统包括电源模块、微控制器模块、数据存储模块和加速度传感器模块四部分，所述电源模块、数据存储模块和加速度传感器模块均与微控制器模块相连；所述电源模块用于为整个装置供电；所述数据存储模块用于存储所有数据；所述加速度传感器模块用于采集波浪的特征信息；所述微控制器模块用于将加速度传感器模块采集的数据进行实时解算，并将所有数据一并存储于数据存储模块中或传输至上位机；
所述通信传输系统包括数传电台和外置天线两部分，所述外置天线与数传电台连接，所述数传电台与微控制器模块相连，通信传输系统用于实现微控制器模块和上位机的数据传输和命令交互；
所述加速度传感器模块安装在浮标重心位置，加速度传感器模块与浮标体外壳内壁保持一定的距离。
2.根据权利要求1所述的小型化海洋测波浮标装置，其特征在于，所述电源模块包括位于浮标体外壳内部的电池。
3.根据权利要求2所述的小型化海洋测波浮标装置，其特征在于，所述电源模块还包括太阳能板，所述太阳能板铺设在浮标体外壳外部的上表面，所述太阳能板与电池连接。
4.根据权利要求1所述的小型化海洋测波浮标装置，其特征在于，所述浮标体外壳内还设置有支撑结构，所述微控制器模块、数据存储模块、数传电台均安装在支撑结构上，所述电源模块安装在支撑结构上方的平台处，所述加速度传感器模块与支撑结构保持一定的距离。
5.根据权利要求1所述的小型化海洋测波浮标装置，其特征在于，所述浮标体外壳外侧的底部通过锚系挂钩连接锚链一端。
6.根据权利要求1所述的小型化海洋测波浮标装置，其特征在于，所述锚链上设置有悬浮球和下坠球。
7.一种小型化海洋测波浮标的测波及风要素反演方法，其特征在于，包括测波方法和风要素反演方法，其中：
测波方法的具体步骤如下：
通过加速度传感器模块获取浮标随波浪运动的三轴加速度、三轴角速度、及磁偏角信息；通过坐标转换，得到地理坐标系下的真实加速度；将真实加速度进行频域二次积分得到三轴位移；将真实加速度通过姿态解算得到欧拉角数据；
将三轴位移中的Z轴位移使用跨零点法得到波高和周期，同时结合欧拉角使用十六方位图法得到波向；
将Z轴位移进行频域变换求得功率谱及波能谱，使用谱分析得到谱计算的波高和周期；由三轴位移得到方向谱，同时计算出波向；
风要素反演方法的具体步骤如下：
根据公式E(f)＝E0f-4，且
求得风摩擦速度U；
其中，E(f)为波能谱，单位为m2/Hz；f为频率，单位为Hz,取值范围为0.2～0.4Hz；U为风摩擦速度，单位m/s；I为方向拓展函数，取2.5；β为经验常数，取0.012；g为重力加速度，取9.8m/s2；
根据公式
求得离海平面z处的平均水平风速Uz；
其中，Uz为海平面以上z米高处的平均水平风速，单位为m/s；k为冯卡曼常数，取0.41；z为离海平面的高度，单位为m；z0为海表面粗糙度长度，单位为m，由
求得，α为查诺克常数，取0.012；
结合上述方向谱，根据公式
使用傅里叶级数法来估算方向的分布函数；
其中a1、b1为傅里叶系数；
根据公式
估算出平均风向θeq。
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