微型波浪浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

劉世萱,齊 勇,劉海豐

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所,山東 青島266001)

微型波浪浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

劉世萱,齊 勇,劉海豐

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所,山東 青島266001)

針對(duì)現(xiàn)有波浪浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體積大、重量大，布放和維護(hù)費(fèi)用高等不足，提出一種微型實(shí)時(shí)波浪浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由直徑0.25 m的微型浮標(biāo)體、波浪傳感器、供電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)及錨泊系統(tǒng)組成，具有波高、波向等多參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量、傳輸功能，并且體積小、重量輕，便于快速運(yùn)輸、布放與回收，還可用于拋棄式測(cè)量及特殊隱蔽性測(cè)量中。文中對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，海上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)波高測(cè)量范圍0.1～10 m，準(zhǔn)確度優(yōu)于±3%，波向測(cè)量范圍 0～360°，準(zhǔn)確度優(yōu)于± 10 °。

海洋技術(shù)；波浪浮標(biāo)；微型；實(shí)時(shí)觀測(cè)

海浪觀測(cè)是海洋調(diào)查的一項(xiàng)重要內(nèi)容，采用裝有加速度式波浪傳感器的波浪浮標(biāo)是一種有效的海浪測(cè)量方式,具備在位測(cè)量、精度高和可以測(cè)量波向的特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)波浪浮標(biāo)直徑都大于0.5 m，重量大于50 kg，具備較強(qiáng)的生存能力與較長(zhǎng)的維護(hù)周期，但體積大，重量大，浮標(biāo)的運(yùn)輸布放難度較大，成本較高，使用的靈活性受限。而本文介紹的微型波浪浮標(biāo)，直徑僅有0.25 m，重量約2 kg,不僅具有常規(guī)波浪浮標(biāo)的觀測(cè)功能，而且具有如下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：體積小重量輕，便于快速布放回收；成本低，可用于拋棄式波浪監(jiān)測(cè)；隱蔽性好，可用于特殊場(chǎng)合。本文對(duì)其微型浮標(biāo)體、波浪傳感器、供電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)及錨泊系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了近海實(shí)驗(yàn)，取得了良好的試驗(yàn)結(jié)果。

1 微型波浪浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

浮標(biāo)在波浪的作用下起伏運(yùn)動(dòng)，其浮體對(duì)波浪的響應(yīng)情況直接影響測(cè)波的效果。不同直徑的浮體對(duì)波浪的響應(yīng)存在巨大差異，圖1為幾種典型直徑球形浮體的理論波浪響應(yīng)曲線?？梢钥闯?，浮標(biāo)體的直徑越小，對(duì)于短周期波浪的響應(yīng)越好。0.25 m直徑的微型波浪浮標(biāo)在波浪響應(yīng)上具備明顯的優(yōu)勢(shì)。在波浪測(cè)量中基本不需要對(duì)浮體的響應(yīng)進(jìn)行修正。

但浮標(biāo)體積的減小也帶來(lái)了設(shè)計(jì)加工上的困難，因此我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)直徑小于0.5 m以下的波浪浮標(biāo)一直是空白，技術(shù)方面主要有以下困難：波浪傳感器體積較大；浮標(biāo)要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，必須有充足的電能，而電池的容量與體積和重量密切相關(guān)；良好的通訊方式，需要較高的供電電壓；浮標(biāo)需要具備較高的生存能力。要完成微型波浪浮標(biāo)的設(shè)計(jì)，解決以上問(wèn)題是關(guān)鍵。

1.1 微型波浪浮標(biāo)體及錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微型波浪浮標(biāo)體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。浮標(biāo)外殼體由整體注塑的下部殼體，采用透明聚碳酸酯材料的上部殼體及中部彈性橡膠護(hù)弦組成。外殼體整體防水，具備較強(qiáng)的強(qiáng)度與一定的彈性。太陽(yáng)能板與天線安置在外殼體內(nèi)部，有殼體的保護(hù)，可靠性大幅度提高。上部殼體所用聚碳酸酯材料添加合適的添加劑，具備高透光性、耐候性、高抗紫外線，抗彎強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定性較高，吸水性小等特點(diǎn)。

內(nèi)殼體采用鋁合金材料，為全密封結(jié)構(gòu)，除天線與太陽(yáng)能板外的所有電子設(shè)備全部封裝在內(nèi)殼體中。內(nèi)外兩層殼體間用發(fā)泡材料灌封，是浮標(biāo)主要的浮力來(lái)源，具備較好的彈性。這樣的設(shè)計(jì)可以保證即使外殼破裂也不會(huì)沉覆，只要不是被長(zhǎng)而尖銳的物體刺破內(nèi)殼體，系統(tǒng)仍可繼續(xù)頑強(qiáng)工作。

微型波浪浮標(biāo)因?yàn)轶w積重量小，因此對(duì)錨系要求非常低，簡(jiǎn)易錨定就可滿足要求，不易發(fā)生移位。錨系使用丙烯浮水纜繩與10 kg水泥沉塊組合的形式，單人就可以完成浮標(biāo)的布放操作。成本低且使用靈活。

1.2 波浪傳感器的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的波浪傳感器需要使用機(jī)械平衡結(jié)構(gòu)，復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的存在使得波浪傳感器的體積重量一直較大較沉，一般直徑不小于150 mm，高度不少于100 mm，重量不低于2 kg。而我所目前生產(chǎn)的SBY1-1型波浪傳感器，由于采用了三軸的加速度計(jì)與數(shù)字積分技術(shù)，無(wú)需機(jī)械平衡結(jié)構(gòu)，電路板體積也大為縮減。與波浪浮標(biāo)其他功能電路整合后，整體尺寸壓縮到直徑150 mm，高度50 mm,重量120 g。

1.3 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮微型波浪浮標(biāo)主要工作在近岸海域，因此在通訊方式設(shè)計(jì)選用目前國(guó)內(nèi)比較成熟的CDMA通訊網(wǎng)絡(luò)。我國(guó)沿海地區(qū)及島嶼建有大功率基站，多數(shù)地區(qū)都可覆蓋距岸50 km的海域。CDMA通訊工作在800 MHz頻段，可以使用較短的天線，便于浮標(biāo)體設(shè)計(jì)。目前國(guó)內(nèi)CDMA模塊技術(shù)非常成熟，我們選用華為EM200模塊性能穩(wěn)定可靠，試驗(yàn)證明可以保證可靠的數(shù)據(jù)通訊。

圖1 幾種典型直徑浮體的波浪響應(yīng)理論曲線

圖2 微型波浪浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)

1.4 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源需求如表1，考慮設(shè)備的電源需求，系統(tǒng)供電電壓不應(yīng)低于3.3 V，峰值供電電流不小于1 500 mA。經(jīng)計(jì)算日電能消耗約3.5 Wh。由此設(shè)計(jì)出供電方式見(jiàn)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（圖 3）。

表1 系統(tǒng)電源需求

若采用一次性電池，嚴(yán)格的體積與重量限制系統(tǒng)工作周期必將很短，因此采用太陽(yáng)能電池與鋰聚合物充電電池組合的供電方式。

圖3 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由鋰聚合物電池放電曲線可知，電池80%以上的電能釋放都是不低于3.3 V電壓的。因此，將電池輸出通過(guò)低壓差LDO穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為3.0 V給單片機(jī)、電子羅盤及加速度傳感器供電，300 mV的壓差足以保證LDO可靠穩(wěn)定工作。CDMA模塊的電源則直接由電池提供。

電池采用兩只3.6 V 5 Ah軟包裝鋰聚合物電池。電池容量保證連續(xù)10 d陰天情況下系統(tǒng)工作不中斷。采用4片5.5 V 60 mA太陽(yáng)能板并聯(lián)，考慮60%工作效率，則日補(bǔ)充能量約為7 Wh，3天內(nèi)即可充足一塊電池。

鋰電池單位體積質(zhì)量下具備較大的容量，但需要嚴(yán)格的充放電管理，無(wú)法像鉛酸電池一樣進(jìn)行浮充使用。因此設(shè)計(jì)采用兩只電池輪換工作的方式，一只充電時(shí)另一只為系統(tǒng)提供電能。兩只電池的充放電管理及狀態(tài)轉(zhuǎn)換由以MAX1538的電源管理電路承擔(dān)，系統(tǒng)單片機(jī)亦參與輔助管理。如此可以保證最大的充電效率，并盡量延長(zhǎng)電池的使用壽命。

1.5 浮標(biāo)安全性設(shè)計(jì)

浮標(biāo)在位運(yùn)行安全問(wèn)題非常重要，本設(shè)計(jì)中特別針對(duì)移位、碰撞、人為破壞、盜竊等問(wèn)題采用了如下措施：

浮標(biāo)安裝GPS，可定時(shí)傳送浮標(biāo)位置。CDMA通訊模塊具備語(yǔ)音通信功能，如發(fā)現(xiàn)浮標(biāo)發(fā)生移位，可向浮標(biāo)撥打語(yǔ)音電話，浮標(biāo)接收到預(yù)定號(hào)碼的呼叫后,自動(dòng)接通免提通訊，及時(shí)與浮標(biāo)周邊人員進(jìn)行語(yǔ)音聯(lián)系。

浮標(biāo)體積小重量輕，不會(huì)對(duì)過(guò)往船只造成威脅，因此無(wú)需安裝信號(hào)燈，具備較小的體積，不易被注意，降低被發(fā)現(xiàn)的概率即減少被盜竊的可能。浮體質(zhì)輕且有彈性，具備較強(qiáng)的防碰撞能力。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2009年3月至6月在青島近海作了為期4個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，取得了良好的試驗(yàn)效果，試驗(yàn)期間浮標(biāo)電源、通訊、錨系等系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。圖4為3月1日0時(shí)至5月31日23時(shí)逐小時(shí)有效波高曲線，與當(dāng)?shù)仄胀úɡ烁?biāo)取得的數(shù)據(jù)具備較高的吻合度。

圖4 微型波浪浮標(biāo)海上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效波高圖

3 結(jié)論

由上述的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)表明，微型波浪浮標(biāo)系統(tǒng)外殼直徑為0.25 m，儀器艙內(nèi)徑為0.15 m，高度為0.24 m，重量為2.1 kg，波高測(cè)量范圍為0.1～10 m，準(zhǔn)確度優(yōu)于±3%，波周期測(cè)量范圍為 2～30 s，準(zhǔn)確度優(yōu)于± 0.25 s，波向測(cè)量范圍為 0～360°，準(zhǔn)確度優(yōu)于±10°，通訊方式選擇CDMA，通訊可靠且資費(fèi)便宜。該創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，使微型波浪浮標(biāo)系統(tǒng)具備體積小、重量輕等顯著的優(yōu)點(diǎn)，為我國(guó)海洋調(diào)查與監(jiān)測(cè)提供一種方便、實(shí)用、快捷的調(diào)查工具，在某些特定應(yīng)用環(huán)境中，必將能發(fā)揮不可替代的作用。

[1]毛祖松.我國(guó)近海波浪浮標(biāo)的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展[J].海洋技術(shù)，2007，26(2):23-27.

[2]王亞洲，李忠君.SBF3-1型波浪浮標(biāo)標(biāo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]，山東科學(xué)，2006，19(5):51-52.

[3]李忠君，白強(qiáng)，王亞洲.波浪浮標(biāo)系留系統(tǒng)[J]，山東科學(xué)，2006，19(5):33-35.

[4]MAXIM.Power-Source Selector for Dual-Battery Systems[Z].

Micro Size Wave Buoy System

LIU Shi-xuan,QI Yong,LIU Hai-feng
（Institute of Oceanographic Instrumentation Shandong Academy of Sciences,Qingdao Shandong 266001,China）

Aiming at the shortcoming of current wave buoy with huge bulk and high weight,a new micro size wave buoy system is researched.The micro size wave buoy system includes a 0.25 m diameter buoy,wave sensor,power subassembly,transfer unit and mooring system.This innovative wave monitoring system provides users with real-time wave height,wave period and wave direction data.The system gives users the capability to quickly and easily collect data wherever and whenever it may be needed,especially in expendable or hidden operations.Key technology is researched.The experiment on the sea testified that the buoy system can provide acceptable data:wave height,0.1～10 m,±3%;wave direction,0～360°,± 10 °.

ocean technology;wave buoy;micro size;real time observation

P715.2

A

1003-2029（2011）02-0059-04

2011-01-15

劉世萱(1979-)，男，籍貫濟(jì)陽(yáng)，助理研究員，大學(xué)本科，主要研究方向海洋氣象、水文觀測(cè)儀器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，波浪傳感器算法研究與開(kāi)發(fā)。