波浪能、潮流能海上試驗(yàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 磊，王項(xiàng)南，王 鑫，李 彥，吳 迪，路 寬，周 達(dá)

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

在海洋能裝置實(shí)海況試驗(yàn)的前期，需對(duì)試驗(yàn)海域的海洋能資源狀況、水文氣象環(huán)境以及海底底質(zhì)等進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)查，這將耗費(fèi)大量的人力物力，大大增加了海洋能裝置實(shí)海況試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)成本與試驗(yàn)周期。因此，在試驗(yàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)并安放一套系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備是解決這一問題的最有效途徑。

目前，國(guó)內(nèi)外開展了許多不同目的、不同環(huán)境的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，例如加拿大的“海王星”海底觀測(cè)網(wǎng)[1]，通過海底光纜連接安裝在海底的儀器設(shè)備，進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)的觀測(cè)，并通過光電纜將觀測(cè)信息傳回陸地實(shí)驗(yàn)室；日本伊豆半島海域鋪設(shè)的實(shí)時(shí)海底觀測(cè)網(wǎng)[2]，即地震-海嘯觀測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（DONET），由20個(gè)觀測(cè)點(diǎn)密集展布，各觀測(cè)點(diǎn)都設(shè)置有寬頻帶地震儀、強(qiáng)震儀、高精度水壓儀、壓差儀、水中地震檢波器、溫度計(jì)等傳感器，對(duì)日本東南海域地震源區(qū)進(jìn)行測(cè)量；美國(guó)海洋研究領(lǐng)導(dǎo)委員會(huì)制定建立的永久性海洋觀測(cè)系統(tǒng)（IOOS），計(jì)劃將分屬各涉海部門的現(xiàn)有觀測(cè)系統(tǒng)集成為一個(gè)面向全美的綜合性海洋觀測(cè)系統(tǒng)[3]。我國(guó)在渤海、東海和南海也開展了立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的示范試驗(yàn)[4-5]，并制定了研究方法[6]。

在海洋可再生能源專項(xiàng)的支持下，國(guó)家海洋技術(shù)中心開展了全國(guó)首個(gè)波浪能、潮流能海上試驗(yàn)場(chǎng)的選址論證及設(shè)計(jì)建設(shè)，根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)需求和場(chǎng)區(qū)環(huán)境條件開展了試驗(yàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制。本文提出的波浪能、潮流能海上試驗(yàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將極大方便海洋能發(fā)電裝置的海上試驗(yàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

國(guó)內(nèi)大部分波浪能、潮流能發(fā)電裝置要求試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)海面開闊，無島礁與大型海上構(gòu)筑物的遮擋，底質(zhì)平坦少巖石，同時(shí)波浪能、潮流能資源儲(chǔ)量豐富。針對(duì)這些裝置的要求，確定了成山頭波浪能、潮流能試驗(yàn)場(chǎng)，場(chǎng)區(qū)位于成山頭至龍須島離岸1.5 km，面積約7.0 km2的區(qū)域。該區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，海底相對(duì)平緩，沉積物以粉砂為主。表1列出了波浪能和潮流能發(fā)電裝置對(duì)環(huán)境的要求與備選場(chǎng)區(qū)環(huán)境條件對(duì)比。

表1 波浪能、潮流能裝置對(duì)環(huán)境要求和備選場(chǎng)區(qū)環(huán)境條件對(duì)比

本文提出的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可測(cè)量波浪、表層流、剖面流等能量相關(guān)參數(shù)，同時(shí)其測(cè)量的風(fēng)、溫濕、潮位等參數(shù)也直接影響發(fā)電裝置的運(yùn)行環(huán)境。

1.2 系統(tǒng)組成

根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)的環(huán)境條件和發(fā)電裝置對(duì)監(jiān)測(cè)要素的需求，設(shè)計(jì)試驗(yàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括岸站水文氣象觀測(cè)系統(tǒng)、波浪騎士、中型多參數(shù)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)和大型海洋資料浮標(biāo)，各子系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)由岸上的數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一存儲(chǔ)管理，并可通過電信專線遠(yuǎn)程訪問。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成圖

2 岸站水文氣象觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

岸站觀測(cè)系統(tǒng)可長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)的潮汐、溫鹽、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、溫度、相對(duì)濕度等參數(shù)。該系統(tǒng)依托海洋站，采用最新型的XZY3型自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲(chǔ)完全符合《海濱觀測(cè)規(guī)范》（GB/T 14914-2006）的要求。岸站系統(tǒng)由氣象子系統(tǒng)、水文子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理控制子系統(tǒng)三部分組成，還包括通信模塊與供電模塊，如圖2。

2.1 主要功能及技術(shù)指標(biāo)

2.1.1 氣象子系統(tǒng)子系統(tǒng)自動(dòng)采集、處理和存儲(chǔ)風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓和降水量數(shù)據(jù)，向數(shù)據(jù)處理控制子系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。

2.1.2 水文子系統(tǒng)

子系統(tǒng)自動(dòng)采集、處理和存儲(chǔ)表層水溫、表層鹽度和潮汐數(shù)據(jù)，向數(shù)據(jù)處理控制子系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。

圖2 岸站系統(tǒng)框圖

表2 系統(tǒng)測(cè)量要素、范圍和準(zhǔn)確度

2.1.3 數(shù)據(jù)處理控制子系統(tǒng)

子系統(tǒng)自動(dòng)接收、處理、存儲(chǔ)、顯示各子系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)；自動(dòng)生成報(bào)文、月報(bào)表等文件，并將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)。

2.1.4 測(cè)量要素、范圍和準(zhǔn)確度

測(cè)量參數(shù)技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣象參數(shù)通過設(shè)立在岸站上的高性能傳感器進(jìn)行測(cè)量，潮位和表層溫鹽等水文參數(shù)通過岸站配置的“驗(yàn)潮井”和“溫鹽井”測(cè)量。測(cè)得數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器分類，傳輸給數(shù)據(jù)中心，其集成方式是由安裝在值班室的工控機(jī)采用專線方式連接各子系統(tǒng)。

風(fēng)速傳感器采用WS425A型超聲風(fēng)傳感器，其加熱功率可達(dá)到150 W，保證在室外寒冷環(huán)境不出現(xiàn)凝露、凍結(jié)等情況；三變換探頭避免了風(fēng)向變換對(duì)數(shù)據(jù)精度的影響；數(shù)據(jù)通信采用專用光纜，保證數(shù)據(jù)傳輸可靠。

溫度、相對(duì)濕度傳感器采用HMP155A型傳感器，該傳感器外殼為聚碳酸酯材料，外殼防護(hù)等級(jí)為IP66，可有效防止灰塵進(jìn)入傳感器內(nèi)部，并具有良好的防濺水性能。內(nèi)部相對(duì)濕度傳感器為HUMICAP 180R，這種聚合電容薄膜傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度高，使用壽命長(zhǎng)。

降水量由VRG101型雨量計(jì)測(cè)量，可在全天候條件下使用，在傳統(tǒng)雨量計(jì)效果不佳的最惡劣的氣象環(huán)境下，也能有效測(cè)量降水情況。

氣壓傳感器采用PTB210氣壓傳感器，外殼采用IP65保護(hù)，防水濺。

水位計(jì)選用VE211254雷達(dá)水位計(jì)，表層溫鹽儀選用ACTW-RS型溫鹽儀。

2.3 數(shù)據(jù)采集通信與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由測(cè)量?jī)x器、氣象子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器、水文子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)處理控制子系統(tǒng)構(gòu)成了岸站系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸鏈路，數(shù)據(jù)通信采用專用電纜形式，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴庀笞酉到y(tǒng)和水文子系統(tǒng)每隔1 h采集一組數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸鏈路將最新數(shù)據(jù)傳送回值班室的數(shù)據(jù)處理控制子系統(tǒng)。

各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器可對(duì)各個(gè)測(cè)量?jī)x器測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)數(shù)據(jù)處理控制子系統(tǒng)存儲(chǔ)并處理各子系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。這種在采集端和終端均進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，互為備份的方式可保證測(cè)量數(shù)據(jù)的完整性。

數(shù)據(jù)處理控制子系統(tǒng)由ASC-2428P工控機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)x器控制與數(shù)據(jù)處理，并通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前全部測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間序列圖，同時(shí)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步質(zhì)量控制，內(nèi)容包括剔除粗大誤差、測(cè)量值上下限檢查、時(shí)間連續(xù)性檢查、傳感器不變性檢查等。這種方式可提高測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，保證分析結(jié)果的有效性。

2.4 供電模塊設(shè)計(jì)

岸站系統(tǒng)的供電采用系統(tǒng)供電和太陽能供電雙備份的供電方式，輔以一定容量的蓄電池組，保證采集系統(tǒng)的正常工作和采集數(shù)據(jù)的完整性。選用的ZYG4型電源由蓄電池、充電控制器、太陽能電池板和機(jī)箱組成，電池容量100 Ah。

3 波浪騎士

波浪騎士是波高和波向測(cè)量的世界標(biāo)準(zhǔn)。它具有精確的穩(wěn)定平臺(tái)傳感器，采用一個(gè)加速度計(jì)測(cè)量波高。在波向方面，直接測(cè)量縱橫搖而不需積分。

3.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的基本組成包括：浮標(biāo)體、Datawell穩(wěn)定平臺(tái)傳感器、3D磁通量羅經(jīng)、X/Y加速度計(jì)、溫度傳感器、512 MB閃存盤、LED閃光燈、GPS、高頻發(fā)射器、太陽能供電系統(tǒng)、雷達(dá)反射器和電池。

3.2 主要功能及技術(shù)指標(biāo)

（1）實(shí)時(shí)波高測(cè)量，每0.5 h向岸站輸出波高和波向譜數(shù)據(jù)；

（2）高頻通信范圍高達(dá)50 km，可覆蓋整個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)；

（3）配有GPS，可實(shí)時(shí)測(cè)定浮標(biāo)位置，并通過遠(yuǎn)程控制軟件觀測(cè)；

（4）大容量電池可在所有波浪條件和天氣環(huán)境下安全可靠地連續(xù)工作1 a，無需更換；

表3 波浪騎士測(cè)量參數(shù)分辨率及精度

（5）原電池系統(tǒng)結(jié)合太陽能板，可以使工作時(shí)間延長(zhǎng)至少100%；

（6）測(cè)量參數(shù)技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

4 中型多參數(shù)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)設(shè)計(jì)

中型浮標(biāo)系統(tǒng)通過搭載的傳感器進(jìn)行各種環(huán)境參數(shù)的測(cè)量，由浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集處理控制系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸和過程控制，數(shù)據(jù)由通信系統(tǒng)發(fā)射到岸站接收，以完成海洋環(huán)境參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

4.1 系統(tǒng)組成

圖3 浮標(biāo)系統(tǒng)的組成框圖

浮標(biāo)系統(tǒng)的基本組成：浮標(biāo)體及系留系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和岸站的數(shù)據(jù)接收處理部分如圖3所示。

4.2 主要功能及技術(shù)指標(biāo)

（1）標(biāo)體直徑：2.4 m；

（2）水表儀器安裝井：4個(gè)；

（3）最大搖擺角≤35°；

（4）錨系方式：?jiǎn)吸c(diǎn)系留；

表4 中型多參數(shù)綜合監(jiān)測(cè)浮標(biāo)使用環(huán)境

（5）數(shù)據(jù)通信：CDMA通信，北京時(shí)間正點(diǎn)采集；

（6）數(shù)據(jù)接受率：正常情況下（指布放站位具備良好的通信信號(hào)），全年數(shù)據(jù)平均有效接收率≥95%；

（7）海上連續(xù)工作時(shí)間：1 a；

（8）浮標(biāo)使用的環(huán)境參數(shù)如表4所示。

4.3 浮標(biāo)體及系留系統(tǒng)設(shè)計(jì)

標(biāo)體采用圓盤型泡沫材料，既具備圓盤形浮標(biāo)隨波性好、儲(chǔ)備浮力大、抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)下部的收縮圓臺(tái)保證了浮標(biāo)能較好地保持垂直姿態(tài)和穩(wěn)性，減少搖擺對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和參數(shù)測(cè)量的影響。

標(biāo)體主要由上壓板、儀器艙、浮體和支撐座組成。上壓板為圓形高強(qiáng)度鋁板，其四周設(shè)有4個(gè)圓孔。儀器艙為一個(gè)密封圓筒，底部設(shè)有蓄電池固定裝置，其上部設(shè)有波浪傳感器安裝基座；儀器艙兩側(cè)設(shè)有電源控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的固定座，頂端設(shè)有艙蓋。浮體由不吸水閉胞彈性泡沫材料制造，外表面噴涂聚脲彈性材料，內(nèi)有合金骨架，增強(qiáng)浮體的強(qiáng)度，使浮體具有良好的抗擠壓和撞擊能力，重量輕，便于安裝及維護(hù)。為增加浮標(biāo)的穩(wěn)性，在浮標(biāo)體下方設(shè)計(jì)一個(gè)支撐座，由鋼質(zhì)材料的圓管連接組成一個(gè)支架來支撐浮標(biāo)。

圖4 2.4 m 浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)示意圖

標(biāo)體上部的塔架由高強(qiáng)防銹鋁合金型材構(gòu)成，基架上部配有儀器安裝平臺(tái)，可用于安裝風(fēng)傳感器、通信天線、航標(biāo)燈、避雷針等。太陽能電池板緊貼標(biāo)體甲板安裝，減小了風(fēng)阻力對(duì)浮標(biāo)垂直向上姿態(tài)的影響。具體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

系留系統(tǒng)為單點(diǎn)系泊，錨系結(jié)構(gòu)為半拉緊式。系留系統(tǒng)由包塑鋼絲繩、轉(zhuǎn)環(huán)、連接件、錨鏈、錨等組成。它的作用是提供一個(gè)穩(wěn)定的系泊力，使系統(tǒng)能夠在惡劣的海洋環(huán)境中長(zhǎng)期系泊定位，不走錨，不斷纜。

整個(gè)浮標(biāo)采用模塊設(shè)計(jì)，塔架、儀器艙、浮體、支撐座和錨系各自獨(dú)立，為浮標(biāo)的運(yùn)輸、布放和后期維護(hù)提供了便利。

4.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由3部分組成：

（1）搭載在浮標(biāo)上部塔架的氣象子系統(tǒng)用于測(cè)量海上風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、相對(duì)濕度、氣壓等數(shù)據(jù)。風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用我中心生產(chǎn)的XFY3-1B型傳感器，其風(fēng)速測(cè)量用螺旋槳帶動(dòng)六磁極轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)出交流正弦波信號(hào)，頻率與風(fēng)速成正比，風(fēng)向測(cè)量用精密導(dǎo)電塑料電位器，尾翼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電位器輸出與風(fēng)向?qū)?yīng)的直流電壓。相對(duì)濕度、溫度測(cè)量使用41382型傳感器，其相對(duì)濕度采用高精度的電容式傳感器，溫度采用RTD鉑電阻傳感器。氣壓傳感器采用61202型傳感器。

（2）儀器艙以及錨系上安裝的波浪傳感器、溫鹽傳感器和海流計(jì)用于測(cè)量表層溫鹽、表層海流、波浪、剖面溫鹽和剖面海流等水文參數(shù)。波浪測(cè)量采用SBY1-1型波浪傳感器，該儀器使用先進(jìn)的三軸加速度計(jì)與數(shù)字積分算法，精度高、可靠性高、穩(wěn)定性好、功耗低。海流表層測(cè)量采用Nortek“小闊龍”聲學(xué)多普勒流速儀，海流剖面測(cè)量采用聲學(xué)多譜勒剖面海流計(jì)RDCP600。表層溫鹽和剖面溫鹽的測(cè)量采用國(guó)家海洋技術(shù)中心生產(chǎn)的SZC15-2IM感應(yīng)傳輸式溫鹽深傳感器，傳感器由溫度探頭、三電極電導(dǎo)池、數(shù)據(jù)采集板、感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。

（3）塔架上安裝的TCM2.5傾斜補(bǔ)償式3軸羅盤可用于測(cè)定浮標(biāo)方位。

具體測(cè)量參數(shù)技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

4.5 數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

浮標(biāo)系統(tǒng)可對(duì)傳感器和電源設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，并利用檢測(cè)器完成對(duì)數(shù)據(jù)采集處理控制系統(tǒng)的初始化設(shè)定。數(shù)據(jù)采集處理控制系統(tǒng)在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)，給傳感器加電，指示傳感器開始進(jìn)行測(cè)量，傳感器測(cè)量結(jié)束后，自動(dòng)把測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。隨后，系統(tǒng)按規(guī)定的時(shí)序和時(shí)間給處理模塊加電，處理數(shù)據(jù)，計(jì)算各平均值、特征量，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，按格式組織編排報(bào)文。最后，給發(fā)射模塊加電預(yù)熱，到規(guī)定的時(shí)間將處理模塊組織的數(shù)據(jù)發(fā)射至岸站，完成了一次數(shù)據(jù)的采集處理與傳輸。工作流程如圖5所示。

空閑時(shí)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)僅有值班電路工作，其余部分關(guān)閉，傳感器每采集完一次數(shù)據(jù)就會(huì)切斷電源，同樣數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)發(fā)射過程結(jié)束之后也會(huì)切斷相應(yīng)模塊的電源。這樣設(shè)計(jì)可以有效降低功耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)電池使用壽命。

4.6 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

浮標(biāo)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集處理完成后，將數(shù)據(jù)和浮標(biāo)狀態(tài)參數(shù)傳送至岸站。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，定時(shí)發(fā)送方式；數(shù)據(jù)采集周期為1 h，數(shù)據(jù)通信時(shí)間為每小時(shí)的正點(diǎn)，每小時(shí)發(fā)送一次。同時(shí)考慮浮標(biāo)主要工作在近岸海域，因此在通信方式上采用目前國(guó)內(nèi)比較成熟的CDMA通信網(wǎng)絡(luò)。CDMA通信工作在800 MHz頻段，可以使用較短天線，便于浮標(biāo)設(shè)計(jì)，同時(shí)我國(guó)近岸和島嶼上通常建有基站，CDMA通信方式基本可以覆蓋50 km海域。

表5 中型浮標(biāo)測(cè)量要素、范圍和準(zhǔn)確度

圖5 數(shù)據(jù)采集處理控制系統(tǒng)工作流程圖

4.7 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為確保浮標(biāo)系統(tǒng)在較惡劣海況下能夠連續(xù)、可靠地工作，供電系統(tǒng)由高容量、高質(zhì)量、體積小、可充電的蓄電池和太陽能電池板組成。蓄電池放置在儀器艙內(nèi)，太陽能電池板安裝在浮標(biāo)塔架周圍。太陽能電池板為蓄電池充電，保證蓄電池為浮標(biāo)上各種電氣設(shè)備的供電。綜合考慮浮標(biāo)搭載儀器及數(shù)據(jù)采集通信設(shè)備的功耗，共需4塊60 W太陽能電池板為4塊200 Ah的蓄電池充電。供電系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 供電系統(tǒng)組成

5 大型海洋資料浮標(biāo)設(shè)計(jì)

大型海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)浮標(biāo)標(biāo)體直徑為10 m、全錨鏈、單點(diǎn)系泊，用于測(cè)量試驗(yàn)場(chǎng)平均風(fēng)速、平均風(fēng)向、瞬時(shí)最大風(fēng)速、氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、波高、波周期、波向、多層水溫、鹽度、海流剖面、水質(zhì)和濁度等海洋環(huán)境參數(shù)。浮標(biāo)采用低功耗微機(jī)控制，對(duì)各觀測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理后，將數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸給岸站。

5.1 主要功能及技術(shù)指標(biāo)

浮標(biāo)每天整點(diǎn)工作8次，當(dāng)風(fēng)速或波高超過某一閥值時(shí)，則自動(dòng)加密觀測(cè)改為每小時(shí)工作1次，超限值可人工設(shè)置；與岸站實(shí)時(shí)通信，數(shù)據(jù)接受率≥95%；海上連續(xù)工作時(shí)間不少于2 a。

浮標(biāo)體主尺寸及參數(shù)：

頂面直徑：10 m；底面直徑：6.5 m；排水量：約51 t；吃水：0.95 m；型深：2.2 m；穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)>1.6；自搖周期<3.0 s；拖曳速度：8 kn。

5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浮標(biāo)采用單點(diǎn)系泊方式，錨泊系統(tǒng)為全鏈?zhǔn)藉^系。錨系在現(xiàn)代的錨系技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并考慮了水下儀器的吊掛及收放。浮標(biāo)體設(shè)有ADCP海流計(jì)井、溫鹽鏈投放井以及潮位傳感器安裝井,浮標(biāo)的上層部分為適應(yīng)多層氣象參數(shù)觀測(cè)要求進(jìn)行設(shè)計(jì),并充分考慮了浮標(biāo)的穩(wěn)性、強(qiáng)度和安全要求。浮標(biāo)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 浮標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

5.3 數(shù)據(jù)采集與通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采用PC/104總線、INTEL CPU完成對(duì)各種傳感器和通信設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、發(fā)送、接收及加斷電控制，采用PCMCIA存儲(chǔ)卡作為浮標(biāo)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備。采用Inmarsat-C衛(wèi)星通信方式,保證實(shí)時(shí)資料的有效接收率可達(dá)到95%以上。數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容包括有效波高、1/100最大波高、有效波周期、最大波周期、瞬時(shí)最大風(fēng)速、10 min平均風(fēng)速、風(fēng)向氣溫、氣壓、水溫、艙溫、方位表層流速、流向錨燈狀態(tài)、門警、水警、電池電壓等要素。

5.4 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)采用太陽能電池配合大容量免維護(hù)蓄電池的電源組合方式。單一直流供電，電壓范圍：14 V±2 V。設(shè)備總功耗日耗電不大于60 Ah。

6 海上應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)了一套由多個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成的多參數(shù)立體海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)布放于我國(guó)首個(gè)波浪能、潮流能試驗(yàn)場(chǎng)，試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)選址在成山頭海域，波浪能、潮流能資源儲(chǔ)量豐富。

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上充分考慮了試驗(yàn)場(chǎng)的水文、氣象條件，可以長(zhǎng)期有效地監(jiān)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)的海洋環(huán)境參數(shù)，尤其是波浪和潮流兩個(gè)能源相關(guān)參數(shù)，以及會(huì)對(duì)波浪能、潮流能發(fā)電裝置試驗(yàn)與使用產(chǎn)生影響的環(huán)境參數(shù)，為試驗(yàn)場(chǎng)正常運(yùn)行提供保障。

7 結(jié)論與展望

本文對(duì)波浪能、潮流能海上試驗(yàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了一套適用于試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境條件的多參數(shù)多子系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)具有較高的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，可以長(zhǎng)期服務(wù)于試驗(yàn)場(chǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以調(diào)整傳感器配置，為特定條件的環(huán)境監(jiān)測(cè)提供服務(wù)。該系統(tǒng)的建成將極大促進(jìn)我國(guó)首個(gè)波浪能、潮流能海上試驗(yàn)場(chǎng)建設(shè)，促進(jìn)我國(guó)波浪能、潮流能技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化。

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