一种海洋锚碇浮标观测控制系统、方法、装置及应用与流程

本发明属于海洋观测设备
技术领域：
，尤其涉及一种海洋锚碇浮标观测控制系统、方法、装置及应用。
背景技术：
：目前，海洋观测能够为开展渔港精细化预报服务和数值后报模拟，提供必要的实测数据支撑，提高渔港精细化预报精度和服务细化程度，提升渔业防台避风科学决策指挥能力。海洋观测要素包括潮高、潮时、波高、波向、波周期。气象观测要素以风速、风向观测为主，兼顾温度、湿度、气压、降水量等观测。采用三轴加速度计、倾斜与电子罗盘一体化传感器测量浮标的随波运行，经过数字滤波和频域二次积分获得波高的时间序列，具有精度高、可靠性强，稳定性好、功耗低等特点。同时，海洋、河流及湖泊等大型水面上布置的浮标不但可以指示航道和潜在危险，还能协助研究员跟踪研究水文气象情况，监听鲸类声音，甚至协助军方探测水下潜艇。海洋浮标观测技术日趋成熟，专用型浮标是浮标观测技术水平良好体现，也是世界各国在海洋资料浮标领域研究、制造、应用方面综合实力、技术水平和创新能力的标志，代表成果有海洋剖面浮标、海上风剖面浮标、海啸浮标、波浪浮标、光学浮标等，但各浮标数据采集频率不高、采集数据较少，也常忽视了浮标自身状态(地理位置、周围环境)的测量。因此，亟需一种新的海洋锚碇浮标观测控制系统。通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有浮标观测技术中，各浮标数据采集频率不高、采集数据较少，也常忽视了浮标自身状态(地理位置、周围环境)的测量。技术实现要素：针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海洋锚碇浮标观测控制系统、方法、装置及应用。本发明是这样实现的，一种海洋锚碇浮标观测控制系统，所述海洋锚碇浮标观测控制系统包括：浮标体，用于为整个浮标提供浮力，保证浮标在海面正常工作；浮标仪器舱安装于浮标体内，浮标体对浮标数据采集器设备具有保护作用；传感器子系统，包括海洋气象传感器有：激光测风传感器、太阳辐射传感器、气温传感器、相对湿度传感器、气压传感器、超声波测风传感器；水文传感器有：海流传感器和温深传感器；激光测风传感器用于测量浮标上空高度任意高度的三维风速和三维风向，测量时在测量高度范围内其可最多测量6个高度层的数据；太阳辐射传感器用于浮标所在海域的太阳总辐射值；气温传感器用于测量其安装高度处的大气温度；相对湿度传感器用于测量其安装高度处的相对湿度；气压传感器用于测量其安装高度处的大气压力；超声波测风传感器用于测量其安装高度处的风速和风向；海流传感器安装于浮标锚系，用于测量海面以下固定深度处海流的流速和流向；温深传感器安装于浮标锚系，用于测量海面以下固定深度处的海水的温度；卫星通信子系统，采用北斗卫星通信系统，用于传输浮标工作状态，包括浮标位置、供电系统状态、传感器工作状态和浮标数据采集器的工作状态；控制子系统，用于控制传感器和数据采集器电源的通断，使所有电子设备不工作的时候处于断电的状态，降低整个浮标系统的功耗；由arm控制器和继电器组成，arm控制器根据浮标工作流程控制各个继电器线圈的通断，继电器直接控制浮标各个电子设备供电的通断；系泊子系统，用于搭载感应耦合传输系统，将水下传感器数据传输至浮标数据采集子系统；锚定浮标，防止浮标离开布放海域；能源控制子系统，用于为整个浮标的电子设备供电；在供电过程中，对电源进行分布式放电管理，提高浮标能源利用率；在太阳能电池板对蓄电池进行充电式进行分布式充电管理；安全子系统，用于定时向岸边基站发送位置信息，在浮标离开布放海域后能够进行预警和定位功能。进一步，所述传感器子系统由气象模块和水文模块组成；所述气象模块包括气象传感器，所述水文模块包括海洋传感器。进一步，所述卫星通信子系统包括卫星通信模块、通信软件模块；卫星通信模块将要发送的数据转换至电磁波信号，传送至岸基数据接收站；卫星通信软件将要发送的数据根据卫星通信协议进行编码；所述数据采集子系统由控制管理中心和感应耦合传输模块组成；采集传感器数据并进行处理和保存，感应耦合传输模块用于将水下水文传感器数据传输至浮标数据采集器。进一步，所述系泊子系统根据浮标类型及布放站位选择单点系泊链缆混合锚系，包括浮力单元、绳索、链接部件、锚块；其中每相邻的两个部分通过链接部件进行链接，最终整个系泊子系统连接于浮标底部；所述钢缆为感应耦合钢缆；所述浮力单元采用主浮体和辅助浮体组合的配置；所述绳索采用包塑钢缆、尼龙绳及锚链组合配置，测量仪器的重要支撑部件；所述链接部件用于系统之间的连接，包括卸扣、吊环、转环；所述锚块：采用重力锚与抓力锚及锚链组合配置。进一步，所述能源控制子系统包括控制软件、太阳能电池控制器、太阳能板、充电电池；配置有光伏组件、列阵接线箱、控制器、逆变器、蓄电池、系统状态监测接口；所述安全子系统包括雷达反射器、北斗天线、避雷针；太阳能控制器安装在浮标的设备舱内，控制软件运行在太阳能控制器上，太阳能电池板安装于浮标塔架，蓄电池安装于浮标设备舱内，所有的太阳能电池板和蓄电池连接至列阵接线箱后汇总接入太阳能控制器；雷达反射器、北斗天线和避雷针分别安装于浮标塔架上部；浮标塔架通过螺丝安装于浮标体上部分，下架通过螺丝固定在浮标体下部分；太阳能板共八块，分为两组，一组安装于浮标上架，另外一组安装于浮标体；配重与牺牲阳极安装在浮标下架的槽钢上，锚系连接装置安装在浮标下架最下端。进一步，所述浮标体采用圆盘式结构，包括塔架、标体、下架；所述塔架搭载各种传感器及太阳能电池板，材质为铸铝；所述标体包括浮体和舱体；浮体采用pe材料，表面喷涂聚脲；舱体包括仪器舱和电池舱，由不锈钢制成；所述下架支撑整个浮体，安装有配重、牺牲阳极和锚系连接装置。本发明的另一目的在于提供一种运行所述海洋锚碇浮标观测控制系统的海洋锚碇浮标观测控制方法，所述海洋锚碇浮标观测控制方法包括：(1)重心及浮心估算；(2)初稳性计算；(3)大倾角稳性计算。进一步，所述初稳性计算方法包括：浮标在小倾角倾斜中，倾斜前后的浮力作用线均通过m点，则m点称为浮标的初稳心，称为初稳心半径；稳心半径r是指稳心与浮心的垂向距离，在微倾条件下，计算公式：式中，ix为浮体水线处横截面积对其形心x轴的面积惯性矩；v为浮标的排水体积；ix的计算公式：式中，d1是浮标水线处直径；在初稳性计算中，初稳心高的计算公式：hs＝zs-zg＝zb r-zg；式中，hs代表初稳心高度；zs代表稳心垂向坐标；zb代表浮心垂向坐标；r代表稳心半径；zg代表重心垂向坐标；zb与zg可通过浮标设计图统计得到，将文中浮标参数代入经过计算得浮标的稳心半径；通过计算浮标的横摇固有周期来判断浮标初稳心高设计的合理性，浮标横摇固有周期计算公式：式中，为浮标固有运动周期；j为浮标相对于x轴的转动惯量；δj为浮标体附连水质量相对于x轴的转动惯量，δj≈0.2j；ρ为海水密度；通过浮标固有运动周期，求得浮标在横摇角与波浪斜率较小的情况下的最大横摇角：式中，h代表浮标所在海域波浪的最大波高，l代表浮标所在海域波浪的波长，t代表浮标所在海域波浪周期；将设计的浮标参数和拟不放的海域参数代入求得浮标横摇的固有周期、在波浪中的自由最大横摇角；所述大倾角稳性计算的方法包括：1)静稳性曲线，采用变排水量计算法对浮标的静稳性力臂进行计算，得到浮标静稳性力臂随倾角的变化曲线，再对静稳性力臂曲线进行积分得到浮标动稳性力臂曲线；平衡状态下，浮标正浮于水线w0l0，当浮标横倾角度时的倾斜水线为并与平衡时水线w0l0相交于o点；nn′是通过o点计算倾斜静力矩的参考轴线；倾斜水线下的排水体积计算公式：式中，代表倾斜水线下的浮标排水体积；δ0代表平衡状态下浮标排水体积；v1代表横倾时浮标入水楔形体积；v2代表横倾时浮标出水楔形体积；根据合力矩原理，对于nn′的体积静矩：式中，l1为浮标入水楔形v1浮力作用线与倾斜水线的交点a到旋转点o的距离；l2为浮标出水楔形v2重力作用线与倾斜水线的交点b到旋转点o的距离；l0为浮标平衡状态时排水体积δ0浮力作用线与倾斜水线的交点f到旋转点o的距离；浮标浮于倾斜水线时，浮力作用线至轴线nn′的距离为：其中，l0的计算公式：则浮标的静稳性力臂的计算公式为：d0是指浮标平衡状态时的吃水深度；kb0是指浮标平衡状态时浮心b0到浮标横截面底部中心k的距离；kg是指浮标平衡状态时重心g到浮标横截面底部中心k的距离；c为偏离值，是浮标倾斜后的旋转点距离平衡状态水线中心的距离；旋转点取在入水一侧，偏离值c视浮标吃水线至浮体上沿的距离与吃水比而定，比值越小，偏移越大；通过以上计算流程计算得静稳性力臂曲线，并通过对静稳性力臂曲线进行积分求得动稳性力臂曲线；2)动稳性曲线浮标的动稳性是以复原力矩所做的功来表示的；当浮标横倾至时，复原力矩mr所做的功，复原力矩的变化规律由静稳性曲线表示；式中，tr为复原力臂做的功；ld为动稳性力臂；δ为排水量；mr为复原力臂；ls为静稳性力臂；得出动稳性力臂计算公式为稳性衡准数计算公式为：式中，k为稳性衡准数；lq为最小倾覆力臂；lf为风压倾斜力臂；最小倾覆力臂通过最大动稳性横摇角和动稳性曲线求得，最大动稳性横摇角计算公式为：式中，c1、c2、c3、c4为系数，根据浮标的体积和质量参数查表所得：c1＝1.21、c2＝0.68、c3＝0.02、c4＝0.885，求得最大动稳性横摇角结合动稳性曲线求得最小倾覆力臂方法如下：风压倾斜力臂的计算公式：式中，af为浮标受风面积，浮标吃水线以上部分的侧投影面积；z为浮标受风面积中西至吃水线的距离，风力作用力臂；δ为浮标排水量；p为计算风压，根据浮标布放海域和风力作用力臂查表所得；经过计算文中浮标的风压倾斜力臂为0.2209m；将求得lq和lf代入求得浮标的稳性衡准数k＝1.26。本发明的另一目的在于提供一种安装有所述海洋锚碇浮标观测控制系统的海洋锚碇浮标观测控制装置，所述海洋锚碇浮标观测控制装置包括：北斗通信终端，超声测风传感器，气温传感器，气压传感器，湿度传感器，辐照度传感器，风廓线仪，惯性导航，感应耦合传输系统，数据采集器，太阳能电池组，太阳能充电控制器，铅蓄电池组；数据采集器还包括数字量端口和模拟量端口；仓进水报警和开仓盖报警通过模拟量端口发送至数据采集器，其他数据通过数字量端口利用rs485发送至数据采集器。本发明的另一目的在于提供一种安装有所述海洋锚碇浮标观测控制系统的海洋观测设备。结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的海洋锚碇浮标观测控制系统是海洋监测仪器的安装载体，能够获取海洋大气观测资料的综合性观测系统，可定时提供常规风速、剖面风速风向、气温、相对湿度、气压、海水温度、海水盐度、海水流速、海水流向等气象水文资料。本系统对数字采样、系统控制、数据采集存储和处理功能要求较高，还具有很好地稳定性，能够适应海洋工作环境要求。附图说明图1是本发明实施例提供的海洋锚碇浮标观测控制系统结构框图。图2是本发明实施例提供的海洋锚碇浮标观测控制系统原理图。图3是本发明实施例提供的浮标海上监测站系统组成示意图。图4是本发明实施例提供的浮标体结构设计图。图5是本发明实施例提供的浮体搭载的海洋、气象传感器示意图。图6是本发明实施例提供的感应传输钢缆结构示意图。图7是本发明实施例提供的电源系统原理图。图8是本发明实施例提供的浮标初稳性示意图。图9是本发明实施例提供的浮标静稳性示意图。图10是本发明实施例提供的浮标静稳性曲线示意图。图11是本发明实施例提供的浮标动稳性曲线示意图。图12是本发明实施例提供的浮标网格划分结果示意图。图13是本发明实施例提供的浮标控制系统硬件方案原理图。图14是本发明实施例提供的主浮体二维改进设计示意图。图15是本发明实施例提供的控制舱改进示意图。图16是本发明实施例提供的电池舱改进示意图。图17是本发明实施例提供的浮标主体部分改进示意图。图18是本发明实施例提供的下架改进设计图。图19是本发明实施例提供的浮体整体改进效果图。图20是本发明实施例提供的海洋锚碇浮标观测控制装置的结构示意图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海洋锚碇浮标观测控制系统、方法及装置，下面结合附图对本发明作详细的描述。如图1所示，本发明实施例提供的海洋锚碇浮标观测控制系统包括：浮标体1、传感器子系统2、卫星通信子系统3、主控制子系统4、数据采集子系统5、系泊子系统6、能源控制子系统7、安全子系统8和岸基数据接收站9。所述浮标体1为浮标提供浮力支撑，同时也作为仪器搭载平台，采用圆盘式结构，由塔架、标体、下架组成；浮标体1的主要功能有：为整个浮标提供浮力，保证浮标在海面正常工作；浮标仪器舱安装于浮标体内，浮标体对浮标数据采集器等设备具有保护作用。(1)塔架：主要搭载各种传感器及太阳能电池板，材质为铸铝。既能保证浮标上架的强度，又具有密度低的优点，有利于降低浮标整体重心，提高浮标的稳性。(2)标体：包括浮体和舱体。浮体采用pe材料，表面喷涂聚脲，保证浮体具有足够的强度和防腐性能。舱体包括仪器舱和电池舱，由不锈钢制成。(3)下架：支撑整个浮体，安装有配重、牺牲阳极和锚系连接装置等，材质与舱体相同。所述传感器子系统2由气象模块和水文模块组成；所述气象模块由气象传感器组成，所述水文模块由海洋传感器组成。传感器子系统2包括海洋气象传感器有：激光测风传感器、太阳辐射传感器、气温传感器、相对湿度传感器、气压传感器、超声波测风传感器；水文传感器有：海流传感器和温深传感器。激光测风传感器用于测量浮标上空高度为10m-200m之间任意高度的三维风速和三维风向，测量时在测量高度范围内其可最多测量6个高度层的数据；太阳辐射传感器用于浮标所在海域的太阳总辐射值；气温传感器用于测量其安装高度处的大气温度；相对湿度传感器用于测量其安装高度处的相对湿度；气压传感器用于测量其安装高度处的大气压力；超声波测风传感器用于测量其安装高度处的风速和风向；海流传感器安装于浮标锚系，用于测量海面以下固定深度处海流的流速和流向；温深传感器安装于浮标锚系，用于测量海面以下固定深度处的海水的温度。所述卫星通信子系统3由卫星通信模块和通信软件组成。卫星通信子系统3采用北斗卫星通信系统，主要功能是传输浮标工作状态，包括浮标位置、供电系统状态、传感器工作状态和浮标数据采集器的工作状态等。所述主控制子系统4用于通过控制器实现传感器通断控制、数据传输控制及数据处理。主控制子系统4的主要功能是控制传感器和数据采集器电源的通断，使所有电子设备不工作的时候处于断电的状态，降低整个浮标系统的功耗；其主要由arm控制器和继电器组成，arm控制器根据浮标工作流程控制各个继电器线圈的通断，继电器直接控制浮标各个电子设备供电的通断。所述数据采集子系统5由控制管理中心和感应耦合传输模块组成。所述系泊子系统6根据浮标类型及布放站位选择单点系泊链缆混合锚系，由浮力单元、绳索(钢缆、尼龙绳)、链接部件和锚块组成。系泊子系统6主要功能为：搭载感应耦合传输系统，将水下传感器数据传输至浮标数据采集子系统；锚定浮标，防止浮标离开布放海域。(1)感应耦合钢缆：采用项目课题3浅海国际有限公司提供的感应耦合系统中的钢缆。(2)浮力单元：系统浮力单元采用主浮体和辅助浮体组合的配置。浮力单元配置目的是绷紧系留索，既满足测量仪器精度要求，又保证系统仪器设备在水下姿态和链接部件之间张力的要求，它是保障整个潜标系统是否正常工作与安全回收的关键所在。系统所配置浮力，应大于系统除锚固单元以外所有仪器设备与链接部件的重力之和。(3)绳索：锚系系留索是测量仪器的重要支撑部件，既要满足系统拉力强度要求，也要满足可能存在人为破坏和意外损坏(鲨鱼损坏和腐蚀)安全性要求，同时还要考虑系统配重要求。因此锚系系留索采用包塑钢缆、尼龙绳及锚链组合配置。(4)链接部件：链接部件用于系统之间的连接，主要包括卸扣、吊环、转环。吊环、转环不能单独使用，必须与卸扣组合使用。由于系统受海洋动力作用与锚系系留绳索之间张力的变化，使锚系系统产生扭矩，导致锚系扭结损坏，因此需要配置转环，克服系统扭矩，保障锚系系统的安全。(5)锚块：锚系系统锚固采用重力锚与抓力锚及锚链组合配置。防止由于地形条件产生滑动、滚动与走锚的情况，保证系统系泊在指定位置。所述能源控制子系统7由控制软件、太阳能电池控制器、太阳能板和充电电池组成；是由太阳电池产生的电能经太阳能控制器贮存在蓄电池中，夜晚经控制器、逆变器为负载提供可靠的电能。本系统采用环保无污染的太阳能供电系统，太阳能电池板为可靠的产品，系统配置：光伏组件、列阵接线箱、控制器、逆变器、蓄电池、系统状态监测接口。技术指标：整个光伏系统采用全自动控制，无需人工操作。系统具有防过充、过放、限流等多重保护功能。能源控制子系统7主要功能为：为整个浮标的电子设备供电；在供电过程中，对电源进行分布式放电管理，提高浮标能源利用率；在太阳能电池板对蓄电池进行充电式进行分布式充电管理，提高太阳能电池板的充电效率，延长蓄电池的使用寿命。(1)浮标观测系统长期在深远海工作，无市电供电，因此电源分系统的设计至关重要，是保障浮标工作的关键环节。海上浮标常见供电方式采用太阳能电池板、充放电控制器和免维护蓄电池组合方式，单一直流供电。(2)考虑到本浮标示范海区地处热带，常年日照充足。选择使用太阳能板发电后转换到铅蓄电池存储并供给各设备使用的方案。在太阳能板和蓄电池之间，选用具有pwm充电功能的太阳能控制器进行充电，可减小充电过程对电池的伤害，提高电池使用寿命。(3)本浮标搭载的功率较高的激光测风雷达，国外激光雷达浮标到我国近海经常出现不工作的情况，所以供电系统不能完全按照常规小浮标的标准设计，需要充分考虑充放电的平衡，详细计算总功耗，以防电力不足系统停止工作的情况。所述安全子系统8由雷达反射器、北斗天线和避雷针组成。安全子系统8：隐藏于浮标体内部，定时向岸边基站发送位置信息，在浮标离开布放海域后能够进行预警和定位功能，有助于浮标被寻回。岸基数据接收站主要功能是接收浮标通过卫星通信子系统回传的浮标数据并进行解析和存储，将浮标工作状态数据进行显示，对出现工作错误的浮标组件或者传感器进行报警显示。卫星通信子系统3中的卫星通信模块的功能是将要发送的数据转换至电磁波信号，传送至岸基数据接收站；卫星通信软件是的功能是将要发送的数据根据卫星通信协议进行编码。数据采集子系统5控制管理中心主要功能是控制浮标电子设备的工作状态，采集传感器数据并进行处理和保存，感应耦合传输模块用于将水下水文传感器数据传输至浮标数据采集器。系泊子系统6自下而上的连接顺序为：锚块、绳索和浮力单元，其中每相邻的两个部分通过链接部件进行链接，最终整个系泊子系统连接于浮标底部。太阳能控制器安装在浮标的设备舱内，控制软件运行在太阳能控制器上，太阳能电池板安装于浮标塔架，蓄电池安装于浮标设备舱内，所有的太阳能电池板和蓄电池连接至列阵接线箱后汇总接入太阳能控制器。雷达反射器、北斗天线和避雷针分别安装于浮标塔架上部。浮标塔架通过螺丝安装于浮标体上部分，下架通过螺丝固定在浮标体下部分。太阳能板共八块，分为两组，一组安装于浮标上架，另外一组安装于浮标体。配重与牺牲阳极安装在浮标下架的槽钢上，锚系连接装置安装在浮标下架最下端。如图13和图20所示，本发明实施例提供的海洋锚碇浮标观测控制装置包括：北斗通信终端，超声测风、气温、气压、湿度、辐照度传感器，风廓线仪，惯性导航，由ctd-6和海流计×3组成的感应耦合传输系统，pc104数据采集器，太阳能电池组，太阳能充电控制器，800ah的铅蓄电池组。所述pc104数据采集器还包括数字量端口和模拟量端口；所述仓进水报警和开仓盖报警通过模拟量端口发送至pc104数据采集器，其他数据通过数字量端口利用rs485发送至pc104数据采集器。北斗通信系统通过rs232串口与数据采集器的rs232串口1连接；超声波测风传感器通过rs485串口与数据采集器的rs485串口2连接；气温传感器通过rs485串口与数据采集器的rs485串口3连接；气压传感器通过rs485串口与数据采集器的rs485串口4连接；湿度传感器通过rs485串口与数据采集器的rs485串口5连接；辐照度传感器通过rs485串口与数据采集器的rs485串口6连接；风廓线仪通过rs485串口与数据采集器的rs485串口7连接；惯性导航系统通过rs422串口与数据采集器的rs422串口8连接；感应耦合传输系统通过rs232串口与数据采集器的rs232串口9连接。数据采集器通过电源接口与太阳能控制器连接，所有的太阳能电池板和蓄电池连接至列阵接线箱后汇总接入太阳能控制器。舱进水报警和开仓盖报警通过模拟量接口与数据采集器的gpio口连接。下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。实施例1：高稳性耐波性好的小型激光雷达浮标1、系统概述本发明提供的海洋锚碇浮标平台是海洋监测仪器的安装载体，用于获取海洋大气观测资料的综合性观测系统，可定时提供常规风速、剖面风速风向、气温、相对湿度、气压、海水温度、海水盐度、海水流速、海水流向等气象水文资料。本浮标是3米海洋锚碇浮标观测控制系统，系统由传感器单元、浮标标体、系泊系统、数据采集系统、电源系统、控制系统、安全系统和岸基数据接收站等组成。浮标观测系统组成见图2。浮标由于受布放海区海流、深度、地形等环境条件以及测量仪器性能与参数和观测目的、布放与回收方法的不同而变化，进行浮标总体结构设计前，需分析搭载传感器测量要素计量指标、电气特性、系统指标和示范海域工况，然后设计作为有效载荷搭载到浮标标体和系泊上的各系统。浮标海上监测站系统组成如图3所示。2、主要子系统2.1浮标体浮标体为浮标提供浮力支撑，同时也作为仪器搭载平台，采用圆盘式结构，由塔架、标体、下架组成。浮标体结构设计图如图4所示。(1)塔架：主要搭载各种传感器及太阳能电池板，材质为铸铝。既能保证浮标上架的强度，又具有密度低的优点，有利于降低浮标整体重心，提高浮标的稳性。(2)标体：包括浮体和舱体。浮体采用pe材料，表面喷涂聚脲，保证浮体具有足够的强度和防腐性能。舱体包括仪器舱和电池舱，由不锈钢制成。(3)下架：支撑整个浮体，安装有配重、牺牲阳极和锚系连接装置等，材质与舱体相同。2.2传感器子系统根据监测仪项目指南考核指标要求：深海测量，其深度测量范围0～1000m，精度≤±2％fs，电导率测量范围0.2～65ms/cm，精度≤±0.05ms/cm；水温测量精度≤±0.05℃，流速分辨力≤1.5cm/s；气候监测，其气压测量误差≤±0.2％fs，湿度测量范围0～100％rh，精度≤±2％，风速测量范围0～70m/s，精度≤0.5m/s，风向测量范围0～360°，精度≤±3°，雨量测量范围0～15mm/min，精度≤0.5mm/min，太阳辐射测量范围0～2500w/m2，精度≤1.5％fs，气温测量精度≤0.1℃。海洋传感器计量指标见表1，气象传感器计量指标见表2。浮体搭载的海洋、气象传感器如图5所示。表1海洋传感器计量指标测量要素测量范围测量精度工作深度设计单位ctd--电导率0.2～65ms/cm≤±0.005ms/cm>1000m浅海国际ctd--温度-2～35℃≤±0.005℃>1000m浅海国际ctd--深度0～1000m≤±0.1％f.s.>1000m浅海国际单点流速0～300cm/s≤0.5cm/s>1000m浅海国际表2气象传感器计量指标2.3锚系系留子系统浮标锚系是用来给浮标体提供一个系泊力，使浮标体能够在恶劣的海洋环境中可靠系泊定位的系泊系统。浮标锚系根据浮标类型及布放站位可选择单点系泊全链式或单点系泊链缆混合锚系。其中，全链式锚系通常由锚链、连接附件及锚等组成；链缆混合式锚系通常由锚链、缆绳、连接附件、耐压浮球、锚等组成。本课题根据示范海区深度要求，选择链缆混合式锚系方案。系统包括浮力单元、绳索(钢缆、尼龙绳)、链接部件、锚块几部分组成。(1)感应耦合钢缆：采用项目课题3浅海国际有限公司提供的感应耦合系统中的钢缆。感应传输钢缆结构示意图如图6所示，包塑钢缆信息见表3。表3包塑钢缆信息注：钢丝绳直径为13mm，包塑后直径为18mm。(2)浮力单元：系统浮力单元采用主浮体和辅助浮体组合的配置。浮力单元配置目的是绷紧系留索，既满足测量仪器精度要求，又保证系统仪器设备在水下姿态和链接部件之间张力的要求，它是保障整个潜标系统是否正常工作与安全回收的关键所在。系统所配置浮力，应大于系统除锚固单元以外所有仪器设备与链接部件的重力之和。(3)绳索：锚系系留索是测量仪器的重要支撑部件，既要满足系统拉力强度要求，也要满足可能存在人为破坏和意外损坏(鲨鱼损坏和腐蚀)安全性要求，同时还要考虑系统配重要求。因此锚系系留索采用包塑钢缆、尼龙绳及锚链组合配置。(4)链接部件：链接部件用于系统之间的连接，主要包括卸扣、吊环、转环。吊环、转环不能单独使用，必须与卸扣组合使用。由于系统受海洋动力作用与锚系系留绳索之间张力的变化，使锚系系统产生扭矩，导致锚系扭结损坏，因此需要配置转环，克服系统扭矩，保障锚系系统的安全。(5)锚块：锚系系统锚固采用重力锚与抓力锚及锚链组合配置。防止由于地形条件产生滑动、滚动与走锚的情况，保证系统系泊在指定位置。2.4电源子系统太阳能供电系统是由太阳电池产生的电能经太阳能控制器贮存在蓄电池中，夜晚经控制器、逆变器为负载提供可靠的电能。本系统采用环保无污染的太阳能供电系统，太阳能电池板为可靠的产品，系统配置：光伏组件、列阵接线箱、控制器、逆变器、蓄电池、系统状态监测接口。技术指标：整个光伏系统采用全自动控制，无需人工操作。系统具有防过充、过放、限流等多重保护功能。电源系统原理图如图7所示。(1)浮标观测系统长期在深远海工作，无市电供电，因此电源分系统的设计至关重要，是保障浮标工作的关键环节。海上浮标常见供电方式采用太阳能电池板、充放电控制器和免维护蓄电池组合方式，单一直流供电。(2)考虑到本浮标示范海区地处热带，常年日照充足。选择使用太阳能板发电后转换到铅蓄电池存储并供给各设备使用的方案。在太阳能板和蓄电池之间，选用具有pwm充电功能的太阳能控制器进行充电，可减小充电过程对电池的伤害，提高电池使用寿命。(3)本浮标搭载的功率较高的激光测风雷达，国外激光雷达浮标到我国近海经常出现不工作的情况，所以供电系统不能完全按照常规小浮标的标准设计，需要充分考虑充放电的平衡，详细计算总功耗，以防电力不足系统停止工作的情况。3、浮标校核计算浮标在外力作用下偏离平衡位置而倾斜，当外力消失后，能自行恢复到最初平衡状态的能力称作浮标的稳性。包括初稳性和大倾角稳定：初稳性通常指倾斜角度小于10°～15°或者甲板边缘开始入水前的稳性；大倾角稳性是指倾角大于10°～15°或者甲板边缘开始入水后的稳性。3.1重心及浮心估算3.2初稳性计算浮标初稳性示意图如图8所示。图8中，浮标在横倾角度后，浮心自原来的位置b沿某一曲线移动至b1，此时浮力作用线垂直于新的倾斜水线并且与浮标正浮时的浮力作用线(中线)相交于m点。当为小倾角时，曲线可看作是圆弧的一段，m点为曲线的圆心，为曲线的半径。浮标在小倾角倾斜过程中，假定倾斜前后的浮力作用线均通过m点，则m点称为浮标的初稳心，称为初稳心半径。稳心半径r是指稳心与浮心的垂向距离，在微倾条件下，计算公式如式(3-1)：上式中，ix为浮体水线处横截面积对其形心x轴的面积惯性矩；v为浮标的排水体积。ix的计算公式如式(3-2)：上式中，d1是浮标水线处直径。浮标要具有稳定的平衡状态，除了稳心要高于重心，还要有合理的稳心高度，在初稳性计算中初稳心高是衡量浮标初稳性好坏的重要指标，其计算公式如式(3-3)：hs＝zs-zg＝zb r-zg，(3-3)上式中，hs代表初稳心高度；zs代表稳心垂向坐标；zb代表浮心垂向坐标；r代表稳心半径；zg代表重心垂向坐标。zb与zg可通过浮标设计图统计得到，将文中浮标参数代入式(3-1)、(3-2)、(3-3)经过计算得浮标的稳心半径为1.033米，则初稳心高度为1.056米。《国内航行海船法定检验技术规则》中海洋浮式结构初稳性对初稳心高度的要求是不小于0.15米，文中设计的浮标的初稳心高远大于规范要求值，说明该浮标设计满足此项初稳性要求。浮标的初稳心高度同时决定了浮标在小倾角自由摇摆时的运动特性。浮标横摇固有周期与初稳心高度有直接关系，且随着初稳心高度的增加而减小，若初稳心高过大，浮标的横摇周期过短，在海洋中遇到风浪时会产生急剧的摇摆，降低浮标的安全性和采集数据的精准性。因此需通过计算浮标的横摇固有周期来判断浮标初稳心高设计的合理性，浮标横摇固有周期计算公式如式(3-4)：上式中，为浮标固有运动周期；j为浮标相对于x轴的转动惯量；δj为浮标体附连水质量相对于x轴的转动惯量，一般认为δj≈0.2j；ρ为海水密度。通过浮标固有运动周期，可以求得浮标在横摇角与波浪斜率较小的情况下的最大横摇角如式(3-5)：式(3-5)中，h代表浮标所在海域波浪的最大波高，l代表浮标所在海域波浪的波长，t代表浮标所在海域波浪周期。通过式(3-5)可以看出，当浮标的固有周期趋近于所在海域的波浪周期时，将发生谐振，浮标的最大横摇角将大增，浮标的安全性降低，因此在设计浮标时浮标的固有周期应该避开所在海域的波浪周期。将文中设计的浮标参数和拟不放的海域参数代入式(3-4)和式(3-5)求得浮标横摇的固有周期为5.2s，在波浪中的自由最大横摇角为15.3°。其固有周期与波浪周期有足够的差距，工作时不会发生谐振，保证浮标有足够的安全性。3.3大倾角稳性计算所谓大倾角稳性是指浮标在大风、大浪的极端海况下受到外力作用，横摇角过多程度地超过10°～15°后的稳性，它涉及到浮标在布放海区能够抗多大的浪，或者说浮标横倾到什么程度将丧失稳性而倾覆。大倾角稳性主要是计算浮标在静力作用下的静稳性和动力作用下的动稳性，以浮标的稳性力臂来反映浮标的稳性。故要求得浮标的大倾角稳性，需求得浮标的静稳性力臂曲线和动稳性力臂曲线。3.3.1静稳性曲线本发明采用变排水量计算法对浮标的静稳性力臂进行计算，得到浮标静稳性力臂随倾角的变化曲线，再对静稳性力臂曲线进行积分得到浮标动稳性力臂曲线。在计算过程中，由于浮标上架形状不规则且入水体积远小于浮标体与下架，为了提高计算效率，忽略浮标上架的出水与入水体积，仅考虑浮标体与下架的出水与入水体积。浮标静稳性示意图如图9所示，平衡状态下，浮标正浮于水线w0l0，当浮标横倾角度时的倾斜水线为并与平衡时水线w0l0相交于o点。nn′是通过o点计算倾斜静力矩的参考轴线。倾斜水线下的排水体积计算公式如式(3-6)：上式中，代表倾斜水线下的浮标排水体积；δ0代表平衡状态下浮标排水体积；v1代表横倾时浮标入水楔形体积；v2代表横倾时浮标出水楔形体积。根据合力矩原理，从图9中可以看出，对于nn′的体积静矩如公式(3-7)：上式中，l1为浮标入水楔形v1浮力作用线与倾斜水线的交点a到旋转点o的距离；l2为浮标出水楔形v2重力作用线与倾斜水线的交点b到旋转点o的距离；l0为浮标平衡状态时排水体积δ0浮力作用线与倾斜水线的交点f到旋转点o的距离。由式(3-6)和式(3-7)可得，浮标浮于倾斜水线时，浮力作用线至轴线nn′的距离为：其中，l0的计算公式如式(3-9)：则浮标的静稳性力臂的计算公式为：由于浮标倾斜时入水和出水楔形的不规则，不同倾角的v1、l1、v2和l2通过三维制图软件统计所得。在式(3-9)中，d0是指浮标平衡状态时的吃水深度；kb0是指浮标平衡状态时浮心b0到浮标横截面底部中心k的距离；kg是指浮标平衡状态时重心g到浮标横截面底部中心k的距离；c为偏离值，指的是浮标倾斜后的旋转点距离平衡状态水线中心的距离。旋转点取在入水一侧，偏离值c视浮标吃水线至浮体上沿的距离与吃水比而定，比值越小，偏移越大，以便在大倾角水线下入水楔形与出水楔形的大小大致相同，文中根据设计的浮标的吃水、型宽等参数以及参考其他人的工作经验，取c值为0.1m。一般情况下，海洋浮体结构的大倾角稳性计算中横倾角最大取值为70°～80°，文中计算时浮标的横倾角取值范围为10°～90°，取值间隔为5°。通过以上计算流程计算得静稳性力臂曲线，并通过对静稳性力臂曲线进行积分求得动稳性力臂曲线如图10所示。图10中，图中曲线为浮标的静稳性曲线，直线为再原点处的斜率，等于初稳心高，二者结合起来可以判断静稳性曲线绘制的准确性。静稳性曲线最高点b的纵坐标值是浮标在横倾过程中具有的最大复原力臂，可以求得浮标所能承受的最大静态横倾力矩。若外来的恒定横倾力臂超过浮标所能承受的最大静态横倾力矩，浮标将倾覆。因此b最高点的纵坐标值即为最大复原力臂，其对应的横倾角为极限静倾角在达到极限静倾角之前，浮标处于稳定平衡状态，当超过极限静倾角后，浮标处于不稳定平衡状态。静稳性曲线下降段复原力臂等于0时对应的横倾角称为稳性消失角。从图中可以得出，该浮标的极限静倾角约为41°，最大复原力臂约为0.58米，稳性消失角超过90°。《国内航行海船法定检验技术规则》中对于海洋浮体结构的大倾角稳性的要求有：横倾角等于30°处的复原力臂应不小于0.2m；最大复原力臂对应的横倾角应不小于25°；稳性消失角应不小于55°。由上述分析可知，文中设计的浮标完全满足技术规则的要求，具备足够的静稳性。3.3.2动稳性曲线静稳性曲线的计算是假定外力矩缓慢作用于浮标，使浮标在横倾过程中角速度很小，一般认为等于零。但是浮标在海洋中运行时，经常会受到外力矩的突然作用，如阵风的突然吹袭和海浪的猛烈冲击等，浮标在受到外力矩的突然作用产生很快速的倾斜，并且在倾斜过程中具有一定的角速度，这种情况就属于动稳性计算。在这种运动过程中，当复原力矩等于外力矩时，外力矩虽然已经不能使浮标继续倾斜，但是由于浮标具有一定的角速度，在惯性的作用下会继续倾斜。只有复原力矩做的功抵消外力矩做的功时，浮标的角速度才能变为零而停止倾斜。因此浮标的动稳性是以复原力矩所做的功来表示的。当浮标横倾至时，复原力矩mr所做的功如式(3-11)，复原力矩的变化规律由静稳性曲线表示。上式中，tr为复原力臂做的功；ld为动稳性力臂；δ为排水量；mr为复原力臂；ls为静稳性力臂。由式(3-11)可得出动稳性力臂计算公式为因此，动稳性曲线是静稳性曲线的积分曲线。动稳性曲线的重要应用是计算浮标的稳性衡准数，稳性衡准数计算公式为：式(3-12)中,k为稳性衡准数；lq为最小倾覆力臂；lf为风压倾斜力臂。最小倾覆力臂通过最大动稳性横摇角和动稳性曲线求得，最大动稳性横摇角计算公式为：式(3-13)中，c1、c2、c3、c4为系数，根据浮标的体积和质量参数查表所得：c1＝1.21、c2＝0.68、c3＝0.02、c4＝0.885，可求得最大动稳性横摇角结合动稳性曲线求得最小倾覆力臂方法如下。浮标动稳性曲线如图11所示，图中，x轴正半轴的曲线为浮标的的动稳性曲线，将动稳性曲线沿着横坐标轴向负方向延伸如蓝线所示，在横轴上自原点向负方向取值等于最大动稳性横摇角的一点，过此点沿着纵坐标轴方向做垂线，与动稳性曲线延伸线相交于a点，由a点做动稳性曲线的切线。再过a点做直线平行于横轴，自a点起，在此直线上量取长度等于1rad(57.3°)线段，线段终点为b点。自b点沿纵轴方向做垂线与切线相交于c点，线段bc长度即为最小倾覆力臂lq。按照上述方法文中浮标的最小倾覆力臂为0.2776m。风压倾斜力臂的计算公式如下：式中，af为浮标受风面积，即浮标吃水线以上部分的侧投影面积；z为浮标受风面积中西至吃水线的距离，即风力作用力臂；δ为浮标排水量；以上三者可通过浮标设计图统计所得。p为计算风压，根据浮标布放海域和风力作用力臂查表所得。经过计算文中浮标的风压倾斜力臂为0.2209m。将求得lq和lf代入式(3-12)求得浮标的稳性衡准数k＝1.26，满足《船舶与海上设施法定检验规则》中要求浮体稳性衡准数大于等于1的要求，表明文中浮标具备足够的动稳性。3.4浮标水动力学仿真试验目前常见的水动力分析软件有aqwa、wamit、hydrostav、moses、waveload等，通过综合比较这几种软件的前处理能力、后处理能力、水动力分析能力和安装分析能力等方面，发现aqwa既具备较强的前后处理能力，又拥有比较完整的分析能力，所以文中采用aqwa软件对浮标进行水动力分析，计算和输出相应的水动力结果。3.4.1计算原理及方法(1)势流理论假定浮标所处的流场中的流体是无黏、不可压缩的流体，流场的运动是无旋的，自由表面波为微幅波，则流场的运动可以采用三维势流理论来描述。流场的边界由物面边界、流体自由面、海底边界面和无穷远处柱面构成。所需要满足的边界条件有：拉普拉斯方程：海底边界条件：自由表面条件：浸没物体表面条件：辐射条件：辐射波无穷远处速度势趋近于0。(2)速度势方程在三维势流理论描述的流场中，浮标周围流场总的速度势为：上式中，为总速度势，为波浪未经浮体扰动的入射势，为辐射式，由浮体运动产生，为波浪穿过浮体后产生的波浪绕射势。通常，将辐射速度势和绕射速度势合称为散射速度势，即入射速度势是已知的，为求解波动场内任意一点的总速度势，需要用green函数法求得散射速度势。三维势流理论将结构物表面上各点均视为波源，则结构物表面上的源强度的任意一点波源n对波动场内任意一点p(x，y，z)所引起的扰动势为因源强度在结构物表面上是连续分布的，因此波动场任一点处的散射势为：式中，为格林函数，在满足三维势流理论的边界条件下，格林函数的积分形式为：上式中，式中，p0v0为取积分的柯西主值，j0()为零阶第一类bessel函数。在求解结构物表面源强度时，可将散射势计算公式(7)代入自由表面边界条件公式(3)，得到表面源强度分布函数基本方程，又称第二类fredholm积分方程如下：在己知入射势的条件下求得格林函数g，根据式(9)可求得表面源强度分布函数然后根据式(7)便可得到结构物表面所有点的散射速度势。在得到散射波速度势之后，将其与入射波速度势叠加，即可得到波动场内任一点的总速度势。(3)波浪力由线性化的伯努利方程可求得结构物表面水动力压力为：根据性质不同，水动压力通常分为三个部分：由入射势所引起的froude-kriloff力ffk、辐射势所引起的辐射力f2以及由绕射势引起的绕射力f1。一般的将froude-kriloff力与波浪绕射力合称为一阶波浪力f1，计算公式如下：上式中，i＝1，2，3…，6表示相应的运动模态，ni为广义单位法线矢量的各分量，ω为浮标震荡的圆频率。由辐射势所引起的辐射力通常表示为附加质量力和阻尼力的形式。浮标在波浪力的作用下产生强迫简谐运动，这种运动会产生向外扩张的波浪，给其浮体周围流体带来一定的速度和加速度，在浮体表面上产生振荡的流体压力。波浪辐射力的计算公式如下：上式中，i，j＝1，2，3…，6，波浪辐射力的公式可看出，波浪辐射力分为两部分：比例系数为ui的附加质量项，与震荡加速度成正比；比例系数为λij的辐射阻尼项，与摇荡加速度成正比。浮标除受到一阶波浪力的作用外，还受到高阶波浪力的作用，高阶波浪为是由一系列不规则波的长周期漂移运动所引起，浮标的运动平衡位置相对于原来的平衡位置发生变化而产生。实际应用中一般只考虑二阶波浪力，因为二阶上的波浪力数值较小，对结构物的运动影响基本上可忽略不计。二阶波浪力主要分为二阶平均波浪漂移力、二阶低频波浪漂移力和二阶离频波浪漂移力，虽然二阶波浪力的数值大小与一阶波浪力相比很小，但二阶波浪力会在谐振的情况下产生很大的附加力，导致结构物发生大幅漂移运动。因此当浮标与波浪发生共振，必须计算二阶波浪力对浮体水动力性能的影响。(4)rao浮体运动幅值响应算子(responseamplitudeoperators，rao)是由波浪激励到船体运动的传递函数，指浮体对应自由度运动幅值与波幅的比，表明在线性波浪作用下浮体的运动响应特征。以浮标的横摇运动为例，横摇rao为浮体在单位波幅的规则波作用下关于波浪频率的横摇运动幅值函数，计算公式如下：上式中，θx为浮体横摇运动幅值；ξ0为入射波波幅，为规则波单位波幅；dafrol为横摇运动方程得到的动力放大系数；ω为入射波圆频率；β为入射波角度。当对运动响应求一次导数、二次导数后，对应的运动rao变为运动速度响应rao和加速度响应rao。3.4.2浮标参数及建模文中采用直径3米的小型海洋资料浮标作为国产传感器深远海试验平台，该种型号的浮标具备造价低、承载能力强、易于运输和布放等优点。使用三维制图软件solidworks设计了浮标的上架、浮体和下架并将三者进行了装配，通过软件统计浮标的设计参数如表4。aqwa软件对浮标进行水动力分析时忽略其结构外形，所以在软件里进行浮标建模时综合考虑浮标上架和下架的外形尺寸、受力投影面积和受力作用点等因素对浮标上架和下架进行简化。将浮标简化后的三维图导入aqwa后，首先进行水线切割，然后按照浮标设计参数设置全局变量和浮体的质量信息，最后按照0.3m的网格大小对浮体进行网格划分以完成浮标建模。浮标网格划分结果如图12所示。浮标在海水中沿着三个坐标的平移和绕着三个坐标轴的转动，共有六个自由度的运动，分别称为横荡、纵荡、垂荡和横摇、纵摇以及艏摇，坐标原点为浮标重心。由于浮标几乎左右对称，所以仅研究浮标横荡、横摇、垂荡和艏摇四个自由度的运动特征即可。表4浮标主要参数实施例2：基于高功耗设备的平台管理系统控制系统是整个浮标系统的“大脑”。其主要功能包括：传感器通断控制、数据传输控制、数据处理等。该控制器对数字采样、系统控制、数据采集存储和处理功能要求较高。同时，该控制器要具有很好地稳定性，以适应海洋工作环境要求。表5为常见控制及数据采集处理系统方案在海洋设备上使用的优缺点。从表中可见，这几种方案都存在不足，以pc104为核心的数据采集器集成度高，机械性能好，采样精度高，具有表6所示优点，故而，选用该方案作为基础硬件开发整个浮标控制系统。表5常见控制系统方案分类优点不足msc51实验测试完善；运行稳定传感器过少；采样精度低avr通信效率高；系统可靠性强缺乏实验；采样精度低armlinux扩展口多；采样精度高系统及程序设计复杂，研发周期过长表6pc104主要技术指标及应用优势基于上文各系统方案，及pc104硬件特点，开发浮标系统硬件方案如图13所示。完成系统硬件设计后，编写还需程序实现如下功能：(1)控制各气象传感器采样频率，并采集模拟量原始电压、电阻值数据；(2)控制感应耦合通讯系统采集水下传感器数字量数据；(3)对各传感器原始数据进行处理，剔除无效数据；(4)控制通讯模块通讯时间，控制误码率。在某些特殊天气及海况情况下加密接收数据重要数据；(5)为各传感器提供标准外加电压，并监测电池组工作情况，保障系统正常工作。实施例3：高功率浮标平台的供电系统浮标体供电细化方案：由于本课题搭载了功耗较大的激光测风雷达和激光测湿仪，所以电源系统不能按照常规浮标的方案进行。细化方案需重新计算系统总功耗、蓄电池选型和电池板选型几个步骤。1、系统总功耗计算根据浮标实际工作需要，结合项目任务书中对于浮标的耗能要求，对本浮标系统做如下耗能假设：(1)正常工作模式下连续工作时间不小于1年。(2)示范海域在南海北部，台风天气会出现连续降水天气。必须满足在连续15天无法充电情况下提供设备正常工作电能；(3)各传感器(除测风传感器)每15分钟采集一次数据。开机后连续采样1分钟。(4)激光测风雷达每30分钟采集一次数据，开机后连续采样6分钟。(5)超声测风传感器，每15分钟采集一次数据，开机后连续采样10分钟。(6)所有传感器在风速大于20m/s时作数据加密采集处理，连续采样半小时。(7)卫星通讯模块每个小时开启一次，持续传输数据15分钟。根据上述耗能假设，统计各电子设备功耗情况，结果如下表：表7仪器功率及功耗2、蓄电池类型根据浮标用蓄电池得技术要求：(1)可接受海洋工作环境下较大角度晃动及冲击；(2)适应海水、盐雾等潮湿环境，不易发生霉变、漏电；(3)自身发热量较小，可在热带常年30多度环境下工作。当前市面上较为常见的蓄电池主要包括锂电池、镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池等，各自性能特点如表8所示。表8各类蓄电池特性考虑浮标对电池使用寿命要求不是特别苛刻。而各种电池价位相差较大，其中，高质量的铅蓄电池价格最低，技术成熟高，且满足可靠性要求。同时，铅酸电池比能量低可部分替代铅块得配重作用。因此，本课题选择采用高质量的铅蓄电池作为储能部件，并设计了电池组合方案如表9所示。表9蓄电池组合方案标称容量额定电压重量尺寸数量联接方式200ah12v62kg549·125·33010并联以上两种方案均满足浮标电子部分15天极限功耗需求，该方案的可行性强、成本也较低。3、太阳能电池板选型表10为各种太阳能板其性能及价位。常见的硅材料太阳能板主要有单晶硅板，多晶硅板和非晶硅板。表10各类太阳能电池板性能及价位考虑到浮标维护难度，太阳能板在具有较高的光电转化率同时，还需要较好的机械性能。而高质量的单晶硅板价位适中，性能优良，且使用寿命较长，故而选择单晶硅板。各系统功率的计算可知浮标各耗电模块总功率为94.8w，实际各系统每天总工作时间在2小时左右，系统的平均功率约为55w。考虑到充电效率和充电过程中的损耗(按实际使用功率为70％计算)，则太阳能板需要输出功率约为80w。根据示范海区气候分析，海上有效日照时间可达8小时，平均辐照度约为300w/m2，考虑到太阳能板在浮标上的摆放角度，选择四块12v、100w，四块12v、150w单晶硅太阳能板并联使用。表11太阳能板性能指标实施例4：高稳定的下架结构改良浮标1、浮体设计目前各国投入使用的深海浮标中，以标体外形来看总体可分为两大类，即船型浮标和圆形浮标。船型浮标体因符合流体动力学原理，在水流中阻力较小，且重量较轻、能抗风浪、不易倾覆，适用于经常处于恶劣海况如大风浪、强海流的海区。但其制作成本较高，并且运输、布放操作较为复杂；圆形浮标结构和造型简单、随波性和稳定性较好、运输和布放较为方便且同样具有不错的抗环境干扰能力。考虑到本浮标布放目标海域并非长时间处于极端海况，且由于所搭载传感器对浮标稳定的要求，决定设计本浮标总体结构为圆形。在排水量相同的情况下，适度增加浮体的直径能够使浮标耐波性上升，但同时也会使其初稳心升高，不利于浮标稳定性。由于浮标所搭载传感器功耗较高，为使浮标具有充足的续航能力，搭载足够功率的太阳能电池板，综合考虑后选用直径3米的近圆盘型浮体。主浮体二维设计如图14所示。浮体采用混合发泡材料，将eva、pe等材料按一定比例混合发泡后形成密度为100㎏/m3的胚料，再切割成型。浮体外表面需刷涂5㎜聚脲涂层，以使其完全防水，并增强硬度和抗腐蚀性。2、舱室设计浮标共有五个舱室，分别为一个控制舱和四个电池舱。为保障设备长期安全、稳定地工作，浮标电池舱及控制舱舱盖采用防腐蚀性能优秀的316不锈钢材料密封焊接而成，并在封口法兰上采用密封条等防水密封措施。控制舱位于浮标的中轴线上，同浮标上盘支撑结构连接为一体，舱内放置数据采集器和加速度计等设备，作为整个浮标的中枢控制系统。电池舱体同样为圆柱型，环绕于控制舱周围。法兰部分为近似三角形，通过三根贯穿浮体的固定柱固定，既稳固自身，也作为整个浮标的支撑骨架。控制舱如图15所示，电池舱如图16所示。3、中间浮体部分总体结构设计以上五个舱室包裹于浮体之中，共同组成浮标主体部分。为充分利用空间，浮体顶部也安装了四块100w太阳能电池板以保证电力供应。另外为便于浮标布放，四周加装四组直径20mm的钢柱作为起吊点。浮标主体部分的总体结构如图17所示。4、底座及配重设计为了浮标在陆地上时能够正常安置，以便进行安装和测试，需要一个支撑底座。底座同样采用316不锈钢材料，以求坚固稳定耐腐蚀。同时底座还可以作为配重的载体。为降低浮标重心，使浮标在水中的姿态更稳定，配重是必不可少的。采用比重较大的铅块作为配重，用螺栓固定在底座上，能够有效增加浮标稳定性。下架设计图如图18所示。为降低单块配重重量以便于安装，共选用12块配重铅块，每块重量31kg，共计372kg。以上即为浮标整体结构设计，将所有部分利用solidworks软件组装模拟并进行校对检查，以确保安装可行性。图19为浮标整体效果图。浮体质量属性统计表见表12。表12浮体质量属性统计表以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页12