3m多参数波浪浮标的研制

第!期 气象水文海洋仪器"#$!!%&'年(月)*+*#,#-#./01- 234,#-#./01-154)1,/5*657+,89*5+7 :85$!%&'收稿日期 !%&!;&&;!&$基金项目 海洋公益性行业科研专项经费项目 !%&%%<%%& $作者简介 唐原广 &=('男 大学 研究生导师$从事海洋仪器的研发工作$'9多参数波浪浮标的研制唐原广& 周金元! 李思维'&$中国海洋大学 青岛!((&%% !$国家海洋局东海标准计量中心 上海!%&'%> '$江苏乾维海洋工程科技发展有限公司 常熟!&<<!!摘 要 波浪浮标的标体直径一般为&9以下 这类浮标已在我国海洋监测台站使用了!%余年 由于标体体积太小 在海上容易被过往的船只碰坏 且电池容量太小 需要经常出海维护 为了尽快解决浮标的海上安全问题以及浮标的长期供电问题 提出了开发新型'9多参数波浪浮标系统 该系统主要解决!个问题第一 通过增大浮标体体积 以提高浮标在海上的安全性 第二 解决浮标电源的长期供电以及减少用户到海上的维护次数 解决的关键技术是如何在标体增大的情况下浮标的随波性要满足测波要求以及在不影响浮标随波性的前提下 实现水文 气象多要素参数的同步观测 关键词 海洋科学 '9聚脲浮标体 波浪浮标中图分类号 ?@&( 文献标识码 A 文章编号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引言波浪浮标是海洋环境监测的主要手段之一是海洋环境立体监测的重要组成部分 具有全天候 长期连续 定点监测的特点 是其他海洋监测手段无法替代的气象水文海洋仪器:85$!%&'我国波浪测量技术的发展起始于上世纪(%@%年代 经历了船用波浪自记仪 重力测波仪 近海遥测波浪浮标等发展阶段 =%年代中期至今 在国家>('计划以及其它重要科研计划和专项任务的推动下 我国基于重力加速度原理的波浪浮标得到深入发展 在国家>('计划海洋监测技术标准化成果项目中得到了产品定型目前我国海洋台站使用的波浪观测设备大部分是直径为%$=9的遥测波浪浮标 该类浮标具有体积小 易于布放等特点 目前已在我国海洋台站 海洋工程 海洋调查等领域使用了!%余年 完全替代了采用人工观测方式的岸用光学测波浮筒通过这些年的使用 逐渐的暴露了该测波浮标的一些缺点 主要表现在 体积太小 在海上不易被发现 容易被渔船撞坏 电池容量太小 需经常租船出海更换电池目前我国海洋台站的观测项目 除了观测波浪外 还需要观测海上的风 气压 气温 表层水温等参数 由于条件限制 目前海上气象部分受条件制约只能在陆上观测 而海水水温的观测一般是安置在岸边验潮井里来测量 不具有代表性经过大量的调研 并征求广大的浮标设备管理及使用人员意见 提出了研制直径为'9的近岸小型多参数波浪浮标图9 +'多参数波浪浮标'9多参数波浪浮标系统 是一种无人值守的能自动 定点 定时地对海面波浪的高度 波浪周期及波浪传播方向 表层水温 风速 风向 气压 气温等多种水文及气象参数进行遥测的小型浮标测量系统 见图&浮标除可测量波浪 水温等参数外 还预留有多个接口 浮标在其底部开有'个水下传感器仪器井 可同时加挂剖面海流 表层温盐 多参数水质传感器等& 技术指标9$9 测量技术指标& 波浪高度范围 %$' !%9准确度 S %$'T测量值U<V 9! 波浪方向范围 %W '(%W准确度 S&%W' 波浪周期范围 ! !%7准确度 S%$<7X 风速范围 % &%%9 7准确度 S%$'9 7< 风向范围 %W '<<W准确度 S'W( 气压范围 (%% &&%%F?1准确度 !%Y时为S%$'F?1 在整个工作段温度范围Z<% (%Y时为S&F?1@ 气温范围 Z&< (%Y准确度 S%$<Y> 水温范围 Z' X%Y准确度S%$!Y9:; +'浮标体主要技术参数浮体直径 '%%%99标体总高 (><%99 含灯器 顶标浮体干舷 <%%99 水深!%9时灯焦面高 '!<%99 水深!%9时标体重量 !@%%N. 含配重稳心高 &$=9 水深!%9时储备浮力 <%%%N. 水深!%9时双人登标静倾角 小于>W !%9 7风速 '节!第!期唐原广 等 '9多参数波浪浮标的研制流速&水深&%9时$%标准配置太阳能板X块!单块电池板(%[' 9$+ 浮标适用环境适用水深"< <%9%最大风速"@%9(7%最大流速">节%最大浪高"!%9'! 技术路线系统由海上测量浮标&岸站数据接收处理系统&锚系'个部分组成'海上浮标部分包含"浮标体&太阳能电源&太阳能电源充电器&电池&雷达反射器%数据采集处理器&波浪传感器&水温传感器&多参数气象测量仪&\?H定位&北斗卫星或\H)(M])A通讯等部分!数据传输系统采用北斗卫星无线数据传输可同时兼容M])A( \?^H=';$9 浮标体的设计!$&$& 总体设计要求浮标主要由浮体&尾架&配重&灯标灯座&太阳能板座&雷达反射器&航标灯&太阳能电池板&太阳能控制器&蓄电池&各种仪器安装支架&内外仪器舱&水下仪器井&锚系环等部分组成'标体的整体设计要求全部采用无磁性材料制作!以满足浪向&风向及流向的测量'具体设计要求如下"#&$为充分保证浮标的安全性及密封性!浮标仪器舱设计成内外!个仪器舱%#!$标体表面带有!个系缆桩!!个吊环!系缆桩与吊环底部应生根%#'$气象平台上带有一水密插座转接箱!转接箱具有密封功能%#X$浮标底部锚系支架为'&(G不锈钢!锚环板为'&(G不锈钢支架%#<$太阳能板支架应为X个%#($水下仪器井为'个%#@$带有!个风传感器安装支架%#>$带有&个能见度仪安装支架%#=$带有!个温度百叶窗固定架%#&%$带有有&个高频天线固定支架%#&&$标体龙骨及钢制部分应全部采用无磁性的不锈钢材料制作'!$&$! 主要特点'9多参数波浪浮标系统需要解决的关键问题是'9标体的设计!即浮标体的随波性设计!以满足波浪的测量'同时标体在设计时要兼顾一标多能'浮标体采用海洋公益性行业科研专项*海洋维权执法目标探测识别与信息传输技术+项目中的成果新型弹性体材料聚脲制作!聚脲材料的断裂延伸率达X%%V!拉伸强度大于&()?1!浮体由聚脲层&复合不吸水弹性泡沫材料以及不锈钢等多种材料加工而成!浮体具有良好的抗挤压&抗撞击能力!强度高&结构可靠&重量轻!便于安装维护及运输&布设'浮标浮体呈圆柱形和圆台形!为模具成型!外型尺寸精确!表面光滑!水流阻力和风阻都较小'浮体内预埋安装各种部件和仪器的连接结构件!浮体上表面设置凹槽和预埋螺栓安装仪器舱!图!为聚脲浮标体'图; 聚脲浮标体浮标体上设计了'个水下仪器井!可兼顾测量海流&水质监测仪器&水温等传感器'浮标全部采用无磁性材料制作!方位传感器可直接安装在浮标仪器舱内';$; 浮标体水槽模型试验为了满足标体的随波性设计!在浮标体的设计过程中!首先按&<"&实体浮标及锚系的缩小模型制作'9浮标体的缩小模型!在山东省海洋工程重点实验室流浪潮水槽内!测试在浪&流的作用下浮标体的随波性和稳定性等多种组合试验'设定不同的波高及波周期!改变流的大小与方向!采用摄像与拍照相结合的方法!观察模型的运动状态!通过调整模型的配重及锚系结构!以达到试验目的';$+ 浮标上数据采集系统及传感器浮标数据采集器采用H E Q型波浪浮标用的数据采集器!分为波浪主板和气象主板!部分,&-')')气象水文海洋仪器:85$!%&'数据采集系统设置在波浪主板上 是浮标系统中数据采集处理的核心部分 主要完成各路传感器数据的采集 处理 数据发送通讯 按照低功耗高可靠的设计思想 结合总体技术要求 浮标数据采集控制系统采用低功耗单片机为系统工作核心系统自带&个!\的数据存贮器 可满足!年以上的数据存贮该采集器已在目前台站上所用的波浪观测设备H E Q 型波浪浮标上使用多年 技术已十分成熟 !$'$& 数据采集系统特点& 系统设定为定时工作方式 &次 时 达到最大程度的节电浮标系统可根据岸站数据接收处理系统每次正点发送的控制命令 在&F 和%$<F 工作方式之间转换 浮标系统也可根据浮标设计的阈值自动转化为%$<F 工作&次 !到达规定的测量时间时 系统给各路传感器加电开始一个观测点的测量 数据采集 处理完毕各传感器断电'采集器实时处理所采集的数据 将数据发送到发射单元 置下次开机时间为节约电能 除值班电路外 系统断电 准备测量下一时次数据 X 数据发送北斗卫星 M ])A\?^H 两种方式!$'$! 传感器组成&波浪传感器采用中国海洋大学生产的H E Q 型波浪传感器 波浪传感器应安装在浮标体的中心部位!风传感器采用美国D _`"\公司的%<&%'风传感器 '气压传感器采用美国D _`"\公司的(&!%!气压传感器X水温 气温传感器采用中国海洋大学生产的水温气温传感器 ;$< 岸站数据接收系统岸站数据接收处理机由多个功能模块组成 软件基于[/54#I 7操作系统 采用a M 开发 岸站除了定时接收并显示实时数据外还可以查询历史数据 形成数据曲线 能够对操作人员分级管理确保了软件运行的可靠性 具有异常数据报警功能和报表生成功能!$X $& 系统组成岸站数据接收系统主要由通讯机 数据接收处理终端及相关配套设备及软件组成 主要完成接收处理浮标实时发送回的数据 并进行显示 归档 存储等功能!$X $! 主要功能 & 数据接收 能接收浮标发来的数据并进行显示 见图' 和存储! 支持多种接收方式 北斗卫星 移动通信 \H ) M ])A \?^H短波通信 ' 历史查询 可以按照 浮标号 日期 采集要素进行查询X报表 可以根据要求生成报表 <系统设置 可以对浮标的基本参数 如通信参数 基准位置参数 传感器参数等进行设置图+ 数据接收界面X第!期唐原广 等 '9多参数波浪浮标的研制#($远程设置"可以远程对于浮标工作模式&运行参数等进行设置'#@$浮标安全报警"根据每次浮标发送回来的数据!实时监测浮标的安全状态!如舱门报警&内舱&外舱进水报警&移位报警等'#>$数据显示"数据显示功能用于动态显示当前时次的浮标测量参数!按照水文&气象等功能显示!如图'所示'' 考机测试'9多参数波浪浮标完成实验室安装&调试工作后!即进入浮标的整机测试阶段'由于所采用的传感器均是成熟产品!在对各个传感器进行定标工作完成后!即进入考机测试阶段!考机测试分'部分"一是测试系统是否能连续无故障的工作'个月以上%二是太阳能电池是否能满足在阴雨天下满足浮标的长期供电%三是浮标的存贮器是否能满足&年以上的存贮要求'通过半年以上的考机测试!浮标系统整机均达到了测试要求'X 海上对比试验为客观评价系统的性能!由国家海洋局东海预报中心先后开展了气象和波浪要素的海上比测试验,!-'利用芦潮港海洋站自动化观测系统的数据!对!%&&;%> !%&!;%&的水温和气象要素进行了比测%通过在象山海域布放波浪骑士!于'月&'日 &@日进行了波浪要素的比测试验'在对比试验过程中!正好观测到!%&&年=号台风*梅花+!测得了台风过境的全部资料'波浪对比是与波浪骑士进行对比''9浮标历经不同海区的试验!工作时间达&&个月!期间供电电源稳定!数据传输通畅!工作状态正常!数据获取率也达到了=<V以上'在比测期间测到最大风速为&($@9(7!最大波高为<$%@9''9浮标与波浪骑士波浪比测情况"最大波高相关性为%$=(%有效波高相关系数为%$==!均方根误差为%$&'9!相对误差为($%V%平均波高相关系数为%$=>!均方根误差为%$%>>9!相对误差为($!V'由此表明'9浮标和波浪骑士有效波高测量值之间具有非常高的一致性,';<-'有效波高和平均波高对应的周期一致性比较好!相关系数分别达到%$>(和%$>@!波向相关性相关系数为%$@@'水温和气象比测情况"'9浮标水温&气压&气温的测量值与与芦潮港海洋站相比相关性极高!相关系数均在%$==以上'风速相关系数为%$><!选择对比<9(7以上风速数据!风速相对误差减小!风向相关系数增加到%$><!表现出较好的一致性'< 结束语'9多参数波浪浮标是由中国海洋大学与国家海洋局东海分局合作共同研发的!目的是提高我国海洋台站上的波浪观测技术!通过&年多的研发&测试&考机&海上试验及产品定型!目前研发成果已通过了国家海洋局东海分局组成的专家验收!为了更好的尽快将成果转化为产品!国家海洋局东海分局还组织召开了*H E Q!;&A型多参数波浪浮标定型产品鉴定会+!通过了产品定型的专家验收,(-!产品定型为H E Q!;&A型多参数波浪浮标!目前该定型成果已有定型生产厂家定型推广&%余套'通过本项目的具体实施!可实现海洋台站水文&气象的连续监测!从而为海洋预报提供准确&连续&可靠的数据'同时!也为国家整体的海洋监测系统提供地区海域的更加全面&可靠的海洋环境监测数据'参考文献,&-唐原广!王金平$H E Q型波浪浮标系统,:-$海洋技术!!%%>!!@#!$"'&;''$,!-赵进平$海洋监测仪器设备成果标准化,)-$北京"海洋出版社!!%%X$,'-毛祖松$我国近海波浪浮标的历史&现状与发展,:-$海洋技术!!%%@!!(#!$"!';!@$,X-唐原广!李宝成!王朋朋$基于M])A无线网络的浮标数据通信系统,:-$计算机技术与发展!!%&!#&&$"&>@;&>=$,<-王军成$国内外海洋资料浮标技术现状与发展,:-$海洋技术!&==>#&$"=;&<$,(-唐原广!邵淑平$H E Q波浪浮标接收机与上位机串行通信实现,:-$微计算机信息!!%%>#>$"@X;@($)<)。