CN115683550A - 一种采用波浪测量浮标装置观测小波浪浪高的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用波浪测量浮标装置观测小波浪浪高的方法,属于水利工程技术领域,通过在波浪水池中构建基准的RAO曲线,再采用GNSS控制器和倾角仪的数据得到波浪浮标的质心位移,最终能够用于准确捕捉小波高(0.3m以下波高)和小周期波浪,对工程建设和科学研究提供数据基础。
Description
技术领域
本发明属于水利工程技术领域,具体来说涉及一种采用波浪测量浮标装置观测小波浪浪高的方法。
背景技术
对于海洋工程而言,波浪对工程结构的耐久性、施工过程的稳定性和安全性都具有显著的影响,基于长期波浪要素的观测,可通过波浪资料的统计和分析,获得重现期波浪要素,为工程设计提供参考依据。因此精准的波浪观测对海洋工程的设计、施工和运维均具有至关重要的作用和意义。
现阶段波浪观测的主要方法可以分为人工观测、浮标观测、坐底式压力法和坐底式声学多普勒法。人工观测得到的结果仅是对波浪的估测值,准确度较低,且受主观因素影响较大,夜晚和视线不好时降低了观测能力;浮标观测是远洋深海测波的主要手段,但是对于小波浪,特别是波高小于0.3m或周期小于2s的波浪,无法得到准确的观测值,而GPS观测中讯号漏损现象和信号误差较大,无法满足波浪高精度的测量要求;坐底式压力法易受海水滤波作用的影响,波动压力随着频率的增大沿水深严重衰减;坐底式声学多普勒法易受浪花和气泡的干扰,导致波浪记录产生较为严重的噪声,且坐底式仪器有可能会被海上渔船拖动或拖走,如果实现实时数据传送仍需建设有海面平台或长电缆连接至岸,具有一定的局限性。以大连湾海底隧道工程为例,沉管沉放区域虽然波浪较小,但长期的波浪作用(船行波、衍射/反射波)依然会产生较强的累积效应,对沉管的耐久性产生影响,而缺少一种可以满足中小振幅波浪(特别是波高小于0.3m或周期小于 2s的波浪)的精准实时观测的手段。因此,为了解决上述技术问题,需要研发一种能实现中小振幅波浪的测量,保证数据的实时传输,低成本,高精度,结构简单,布设便捷的观测方法。
发明内容
针对现有技术不足,本发明的目的在于提供一种操作简单、测量准确度高的采用波浪测量浮标装置观测小波浪浪高的方法。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种采用波浪测量浮标装置观测小波浪浪高的方法,其特征在于,包括以下步骤:
所述波浪测量浮标装置,包括浮标基体、受力板、配重板和防水罐,所述浮标基体的上方安装受力板,所述浮标基体的下方安装配重板,所述配重板、受力板和浮标基体通过多个丝杠连接,在每一个丝杠的上端安装有一太阳能板,所述防水罐安装在受力板的上方,所述防水罐内装有蓄电池、倾角仪、太阳能充电控制器、GNSS控制器、网桥控制器和总控开关,所述防水罐顶部立设有支架,支架上设有天线盒,GNSS控制器的天线和网桥控制器的天线安装在天线盒中;
步骤1,将所述波浪测量浮标装置置于波浪水池中进行物理模型试验,通过造波机构建多种规则波况,计算浮标基体的质心运动幅值响应算子RAO,基于CFD构建数学模型,将所述数学模型与物理模型结果进行率定,得到准确的RAO曲线;
在所述步骤1中,
RAO=Afb/Awave
式中,Afb为浮标基体的质心的真实振幅,Awave为规则波振幅;
通过数学模型的构建计算波浪测量浮标装置的浮标基体的质心位置,并在该装置的垂面上采用反光粒子贴片标记质心的位置,在模型试验时,采用粒子影像测速(PIV)技术,记录得到浮标基体质心的真实振幅Afb。
步骤2,打所述开总控开关,用水平仪确定倾角仪垂向放置,并校正,同时确定无线数据传输畅通,确保波浪测量浮标装置正常工作;
步骤3,通过起吊船将波浪测量浮标装置送至观测位置,放入水中,移动至下锚位置沉锚;
步骤4,对GNSS控制器和倾角仪的数据进行处理,将GNSS控制器得到的位移换算为浮标基体的质心的位移,作为浮标基体的质心的振幅值Afb,通过所述RAO曲线计算出真实的波浪振幅Awave。
在上述技术方案中,所述GNSS控制器的天线为GNSS天线和4G天线,网桥控制器的天线为网桥天线。
在上述技术方案中,在所述防水罐中安装仪器支架和多个防撞条,所述防撞条均匀安装在所述防水罐内壁四周,所述蓄电池、倾角仪、太阳能充电控制器、GNSS控制器和网桥控制器安装在所述仪器支架上。
在上述技术方案中,所述防水罐的罐口安装有盲板,所述盲板与所述防水罐的罐口之间设置硅胶垫。
在上述技术方案中,在所述盲板上安装支架,在所述支架上安装警示灯和天线盒,所述警示灯安装在所述支架的顶端。
在上述技术方案中,所述太阳能板通过太阳能充电控制器和蓄电池连接,蓄电池连接总控开关和分线器,分线器分别连接网桥控制器、GNSS控制器和倾角仪,GNSS天线和4G天线连接GNSS控制器的信号输入端,GNSS控制器的信号输出端连接网桥控制器,倾角仪的信号输出端连接网桥控制器,网桥控制器信号输出端连接网桥天线。
在上述技术方案中,在所述受力板上端的丝杠上安装太阳能支架,所述太阳能板安装在所述太阳能支架上。
在上述技术方案中,在所述配重板下方安装锚链挂钩。
在上述技术方案中,所述浮标基体的结构分为上下两段,上段为圆柱体,直径为0.5m,高为0.4m,下段为圆柱台,上底面直径为0.5m,下底面直径为0.45m,所述圆柱台的下端设置圆柱台凹槽,所述圆柱台凹槽的上底面直径为0.33m,下底面直径为0.36m,在所述浮标基体上设置多个自上而下直径为15mm的通孔,用于穿插所述丝杠。
本发明的有益效果为:
1.本发明的方法可以实现0.3m以下波高的测量,且测量精度可以达到厘米级;
2.本发明通过在波浪水池中构建基准的RAO曲线,再采用GNSS控制器和倾角仪的数据得到浮标基体的质心位移,最终能够用于准确捕捉小波高(0.3m以下波高)和小周期波浪,对工程建设和科学研究提供数据基础。
附图说明
图1为本发明的波浪测量浮标装置的整体结构示意图;
图2为本发明的波浪测量浮标装置的整体结构示意图;
图3为本发明的线路连接图。
其中,1:浮标基体,2:防水罐,3:配重板,4:受力板,5:太阳能板,6:太阳能支架,7:天线盒,8:警示灯,9:锚链挂钩。
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,可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
步骤1,将所述波浪测量浮标装置置于波浪水池中进行物理模型试验,通过造波机构建多种规则波况,计算浮标基体的质心运动幅值响应算子RAO,基于CFD构建数学模型,将所述数学模型与物理模型结果进行率定,得到准确的RAO曲线;
在所述步骤1中,
RAO=Afb/Awave
式中,Afb为浮标基体的质心的真实振幅,Awave为规则波振幅;
通过数学模型的构建计算波浪测量浮标装置的浮标基体的质心位置,并在该装置的垂面上采用反光粒子贴片标记质心的位置,在模型试验时,采用粒子影像测速技术,记录得到浮标基体质心的真实振幅Afb。
步骤2,打所述开总控开关,用水平仪确定倾角仪垂向放置,并校正,同时确定无线数据传输畅通,确保波浪测量浮标装置正常工作;
步骤3,通过起吊船将波浪测量浮标装置送至观测位置,放入水中,移动至下锚位置沉锚;
步骤4,对GNSS控制器和倾角仪的数据进行处理,将GNSS控制器得到的位移换算为浮标基体的质心的位移,作为浮标基体的质心的振幅值Afb,通过所述RAO曲线计算出真实的波浪振幅Awave。
所述波浪测量浮标装置,包括浮标基体1、受力板4、配重板3和防水罐2,浮标基体1的上方安装受力板4(在本实施例中,受力板4为不锈钢板,直径为0.4m,厚度为 0.5cm),浮标基体1的下方安装配重板3(在本实施例中,配重板3为不锈钢板,直径为0.4m,厚度为0.2m),受力板4、配重板3和浮标基体1通过3个丝杠连接,3个丝杠沿受力板4和配重板3的周向均匀设置,3个丝杠依次贯通受力板4、浮标基体1和配重板3,在配重板3下方固装锚链挂钩9,在受力板4上端的丝杠上固装太阳能支架6,太阳能板5固定于太阳能支架6上,太阳能板长为0.4m,宽为0.25m,厚为0.2m,太阳能支架为直角三棱柱支架,直角三棱柱支架的一个直角面安装在受力板4上,其斜面朝外,太阳能板5设置在直角三棱柱支架的斜面上,防水罐2安装在受力板4的上方,且位于3个太阳能支架6所围成的圈内,防水罐2内装有蓄电池、倾角仪、太阳能充电控制器、GNSS控制器、网桥控制器、分线器和总控开关,防水罐2的上端面安装天线盒7。
浮标基体1的结构分为上下两段,上段为圆柱体,直径为0.5m,高为0.4m,下段为圆柱台,上底面直径为0.5m,下底面直径为0.45m,圆柱台的下端设置圆柱台凹槽,圆柱台凹槽的上底面直径为0.33m,下底面直径为0.36m,在浮标基体1上设置3个自上而下直径为15mm的通孔,用于穿插丝杠。
防水罐2为圆柱体,高为0.3m,底面直径为0.2m,壁厚为1cm,在防水罐2中安装仪器支架和4个防撞条,4个防撞条均匀安装在防水罐2内壁四周,蓄电池、倾角仪、太阳能充电控制器、GNSS控制器、网桥控制器、分线器和总控开关安装在仪器支架上,防水罐2的罐口安装通过对拉螺栓(在本实施例中,对拉螺栓直径为6mm)固定的盲板 (在本实施例中,所述盲板设有6个对拉螺栓孔,用于安装对拉螺栓,盲板直径为0.23m,厚2cm),盲板与防水罐2的罐口之间设置硅胶垫(在本实施例中,硅胶垫用于密封,硅胶垫为环形,外径0.22m,内径0.2m),在盲板上安装支架,在支架上安装警示灯8 和天线盒7,警示灯8(警示灯8具有太阳能充电和防水的功能)安装在支架的顶端,在天线盒7内安装天线,天线为GNSS天线、4G天线和网桥天线,支架为圆柱形空心铝杆,直径为0.1m,杆长为0.5m,天线盒长为6cm,宽为6cm,高为3cm。
在本实施例中,如图3所示,所述太阳能板5通过太阳能充电控制器和蓄电池连接,将太阳能转换成电能,储存在蓄电池中,蓄电池连接总控开关和分线器,分线器分别连接网桥控制器、GNSS控制器和倾角仪,所述蓄电池给所述网桥控制器、GNSS控制器和倾角仪供电,GNSS天线和4G天线连接GNSS控制器的信号输入端,GNSS天线和4G 天线将所得信号传输给GNSS控制器,GNSS控制器的信号输出端连接网桥控制器,并将信号传输给网桥控制器,倾角仪的信号输出端连接网桥控制器,并将信号输出给网桥控制器,网桥控制器信号输出端连接网桥天线,网桥天线将信号传输给外部。
以上对本发明做了示例性的描述,应该说明的是,在不脱离本发明的核心的情况下,任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种采用波浪测量浮标装置观测小波浪浪高的方法,其特征在于,包括以下步骤:
所述波浪测量浮标装置,包括浮标基体、受力板、配重板和防水罐,所述浮标基体的上方安装受力板,所述浮标基体的下方安装配重板,所述配重板、受力板和浮标基体通过多个丝杠连接,在每一个丝杠的上端安装有一太阳能板,所述防水罐安装在受力板的上方,所述防水罐内装有蓄电池、倾角仪、太阳能充电控制器、GNSS控制器、网桥控制器和总控开关,所述防水罐顶部立设有支架,支架上设有天线盒,GNSS控制器的天线和网桥控制器的天线安装在天线盒中;
步骤1,将所述波浪测量浮标装置置于波浪水池中进行物理模型试验,通过造波机构建多种规则波况,计算浮标基体的质心运动幅值响应算子RAO,基于CFD构建数学模型,将所述数学模型与物理模型结果进行率定,得到准确的RAO曲线;
在所述步骤1中,
RAO=Afb/Awave
式中,Afb为浮标基体的质心的真实振幅,Awave为规则波振幅;
步骤2,打所述开总控开关,用水平仪确定倾角仪垂向放置,并校正,同时确定无线数据传输畅通,确保波浪测量浮标装置正常工作;
步骤3,通过起吊船将波浪测量浮标装置送至观测位置,放入水中,移动至下锚位置沉锚;
步骤4,对GNSS控制器和倾角仪的数据进行处理,将GNSS控制器得到的位移换算为浮标基体的质心的位移,作为浮标基体的质心的振幅值Afb,通过所述RAO曲线计算出真实的波浪振幅Awave。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,通过数学模型的构建计算波浪测量浮标装置的浮标基体的质心位置,并在该装置的垂面上采用反光粒子贴片标记质心的位置,在模型试验时,采用粒子影像测速技术,记录得到浮标基体质心的真实振幅Afb。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述GNSS控制器的天线为GNSS天线和4G天线,网桥控制器的天线为网桥天线。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,在所述防水罐中安装仪器支架和多个防撞条,所述防撞条均匀安装在所述防水罐内壁四周,所述蓄电池、倾角仪、太阳能充电控制器、GNSS控制器和网桥控制器安装在所述仪器支架上。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述防水罐的罐口安装有盲板,所述盲板与所述防水罐的罐口之间设置硅胶垫。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,在所述盲板上安装支架,在所述支架上安装警示灯和天线盒,所述警示灯安装在所述支架的顶端。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述太阳能板通过太阳能充电控制器和蓄电池连接,蓄电池连接总控开关和分线器,分线器分别连接网桥控制器、GNSS控制器和倾角仪,GNSS天线和4G天线连接GNSS控制器的信号输入端,GNSS控制器的信号输出端连接网桥控制器,倾角仪的信号输出端连接网桥控制器,网桥控制器信号输出端连接网桥天线。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,在所述受力板上端的丝杠上安装太阳能支架,所述太阳能板安装在所述太阳能支架上。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,在所述配重板下方安装锚链挂钩。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述浮标基体的结构分为上下两段,上段为圆柱体,直径为0.5m,高为0.4m,下段为圆柱台,上底面直径为0.5m,下底面直径为0.45m,所述圆柱台的下端设置圆柱台凹槽,所述圆柱台凹槽的上底面直径为0.33m,下底面直径为0.36m,在所述浮标基体上设置多个自上而下直径为15mm的通孔,用于穿插所述丝杠。
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