微型波浪浮标监测系统

刘世萱,齐 勇,刘海丰

(山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东 青岛266001)

微型波浪浮标监测系统

刘世萱,齐 勇,刘海丰

(山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东 青岛266001)

针对现有波浪浮标监测系统体积大、重量大，布放和维护费用高等不足，提出一种微型实时波浪浮标监测系统。该系统主要由直径0.25 m的微型浮标体、波浪传感器、供电系统、通讯系统及锚泊系统组成，具有波高、波向等多参数实时测量、传输功能，并且体积小、重量轻，便于快速运输、布放与回收，还可用于抛弃式测量及特殊隐蔽性测量中。文中对其关键技术进行了研究，海上实验结果表明，系统波高测量范围0.1～10 m，准确度优于±3%，波向测量范围 0～360°，准确度优于± 10 °。

海洋技术；波浪浮标；微型；实时观测

海浪观测是海洋调查的一项重要内容，采用装有加速度式波浪传感器的波浪浮标是一种有效的海浪测量方式,具备在位测量、精度高和可以测量波向的特点。目前国内外常见波浪浮标直径都大于0.5 m，重量大于50 kg，具备较强的生存能力与较长的维护周期，但体积大，重量大，浮标的运输布放难度较大，成本较高，使用的灵活性受限。而本文介绍的微型波浪浮标，直径仅有0.25 m，重量约2 kg,不仅具有常规波浪浮标的观测功能，而且具有如下独特的优点：体积小重量轻，便于快速布放回收；成本低，可用于抛弃式波浪监测；隐蔽性好，可用于特殊场合。本文对其微型浮标体、波浪传感器、供电系统、通讯系统及锚泊系统等关键系统进行了设计，并进行了近海实验，取得了良好的试验结果。

1 微型波浪浮标监测系统的关键技术研究

浮标在波浪的作用下起伏运动，其浮体对波浪的响应情况直接影响测波的效果。不同直径的浮体对波浪的响应存在巨大差异，图1为几种典型直径球形浮体的理论波浪响应曲线。可以看出，浮标体的直径越小，对于短周期波浪的响应越好。0.25 m直径的微型波浪浮标在波浪响应上具备明显的优势。在波浪测量中基本不需要对浮体的响应进行修正。

但浮标体积的减小也带来了设计加工上的困难，因此我国长期以来直径小于0.5 m以下的波浪浮标一直是空白，技术方面主要有以下困难：波浪传感器体积较大；浮标要长时间连续运行，必须有充足的电能，而电池的容量与体积和重量密切相关；良好的通讯方式，需要较高的供电电压；浮标需要具备较高的生存能力。要完成微型波浪浮标的设计，解决以上问题是关键。

1.1 微型波浪浮标体及锚泊系统设计

微型波浪浮标体的结构如图2所示。浮标外壳体由整体注塑的下部壳体，采用透明聚碳酸酯材料的上部壳体及中部弹性橡胶护弦组成。外壳体整体防水，具备较强的强度与一定的弹性。太阳能板与天线安置在外壳体内部，有壳体的保护，可靠性大幅度提高。上部壳体所用聚碳酸酯材料添加合适的添加剂，具备高透光性、耐候性、高抗紫外线，抗弯强度高，尺寸稳定性较高，吸水性小等特点。

内壳体采用铝合金材料，为全密封结构，除天线与太阳能板外的所有电子设备全部封装在内壳体中。内外两层壳体间用发泡材料灌封，是浮标主要的浮力来源，具备较好的弹性。这样的设计可以保证即使外壳破裂也不会沉覆，只要不是被长而尖锐的物体刺破内壳体，系统仍可继续顽强工作。

微型波浪浮标因为体积重量小，因此对锚系要求非常低，简易锚定就可满足要求，不易发生移位。锚系使用丙烯浮水缆绳与10 kg水泥沉块组合的形式，单人就可以完成浮标的布放操作。成本低且使用灵活。

1.2 波浪传感器的设计

传统的波浪传感器需要使用机械平衡结构，复杂机械结构的存在使得波浪传感器的体积重量一直较大较沉，一般直径不小于150 mm，高度不少于100 mm，重量不低于2 kg。而我所目前生产的SBY1-1型波浪传感器，由于采用了三轴的加速度计与数字积分技术，无需机械平衡结构，电路板体积也大为缩减。与波浪浮标其他功能电路整合后，整体尺寸压缩到直径150 mm，高度50 mm,重量120 g。

1.3 通讯系统设计

考虑微型波浪浮标主要工作在近岸海域，因此在通讯方式设计选用目前国内比较成熟的CDMA通讯网络。我国沿海地区及岛屿建有大功率基站，多数地区都可覆盖距岸50 km的海域。CDMA通讯工作在800 MHz频段，可以使用较短的天线，便于浮标体设计。目前国内CDMA模块技术非常成熟，我们选用华为EM200模块性能稳定可靠，试验证明可以保证可靠的数据通讯。

图1 几种典型直径浮体的波浪响应理论曲线

图2 微型波浪浮标体结构

1.4 电源系统设计

系统电源需求如表1，考虑设备的电源需求，系统供电电压不应低于3.3 V，峰值供电电流不小于1 500 mA。经计算日电能消耗约3.5 Wh。由此设计出供电方式见电源系统结构图（图 3）。

表1 系统电源需求

若采用一次性电池，严格的体积与重量限制系统工作周期必将很短，因此采用太阳能电池与锂聚合物充电电池组合的供电方式。

图3 电源系统结构图

由锂聚合物电池放电曲线可知，电池80%以上的电能释放都是不低于3.3 V电压的。因此，将电池输出通过低压差LDO稳压器转换为3.0 V给单片机、电子罗盘及加速度传感器供电，300 mV的压差足以保证LDO可靠稳定工作。CDMA模块的电源则直接由电池提供。

电池采用两只3.6 V 5 Ah软包装锂聚合物电池。电池容量保证连续10 d阴天情况下系统工作不中断。采用4片5.5 V 60 mA太阳能板并联，考虑60%工作效率，则日补充能量约为7 Wh，3天内即可充足一块电池。

锂电池单位体积质量下具备较大的容量，但需要严格的充放电管理，无法像铅酸电池一样进行浮充使用。因此设计采用两只电池轮换工作的方式，一只充电时另一只为系统提供电能。两只电池的充放电管理及状态转换由以MAX1538的电源管理电路承担，系统单片机亦参与辅助管理。如此可以保证最大的充电效率，并尽量延长电池的使用寿命。

1.5 浮标安全性设计

浮标在位运行安全问题非常重要，本设计中特别针对移位、碰撞、人为破坏、盗窃等问题采用了如下措施：

浮标安装GPS，可定时传送浮标位置。CDMA通讯模块具备语音通信功能，如发现浮标发生移位，可向浮标拨打语音电话，浮标接收到预定号码的呼叫后,自动接通免提通讯，及时与浮标周边人员进行语音联系。

浮标体积小重量轻，不会对过往船只造成威胁，因此无需安装信号灯，具备较小的体积，不易被注意，降低被发现的概率即减少被盗窃的可能。浮体质轻且有弹性，具备较强的防碰撞能力。

2 实验分析

2009年3月至6月在青岛近海作了为期4个月的现场实验，取得了良好的试验效果，试验期间浮标电源、通讯、锚系等系统工作稳定可靠。图4为3月1日0时至5月31日23时逐小时有效波高曲线，与当地普通波浪浮标取得的数据具备较高的吻合度。

图4 微型波浪浮标海上实验数据有效波高图

3 结论

由上述的设计及实验表明，微型波浪浮标系统外壳直径为0.25 m，仪器舱内径为0.15 m，高度为0.24 m，重量为2.1 kg，波高测量范围为0.1～10 m，准确度优于±3%，波周期测量范围为 2～30 s，准确度优于± 0.25 s，波向测量范围为 0～360°，准确度优于±10°，通讯方式选择CDMA，通讯可靠且资费便宜。该创新性的设计，使微型波浪浮标系统具备体积小、重量轻等显著的优点，为我国海洋调查与监测提供一种方便、实用、快捷的调查工具，在某些特定应用环境中，必将能发挥不可替代的作用。

[1]毛祖松.我国近海波浪浮标的历史、现状与发展[J].海洋技术，2007，26(2):23-27.

[2]王亚洲，李忠君.SBF3-1型波浪浮标标体结构设计[J]，山东科学，2006，19(5):51-52.

[3]李忠君，白强，王亚洲.波浪浮标系留系统[J]，山东科学，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

刘世萱(1979-)，男，籍贯济阳，助理研究员，大学本科，主要研究方向海洋气象、水文观测仪器设计开发，波浪传感器算法研究与开发。