微型波浪浮標監測系統

劉世萱,齊 勇,劉海豐

(山東省科學院海洋儀器儀表研究所,山東 青島266001)

微型波浪浮標監測系統

劉世萱,齊 勇,劉海豐

(山東省科學院海洋儀器儀表研究所,山東 青島266001)

針對現有波浪浮標監測系統體積大、重量大，布放和維護費用高等不足，提出一種微型實時波浪浮標監測系統。該系統主要由直徑0.25 m的微型浮標體、波浪傳感器、供電系統、通訊系統及錨泊系統組成，具有波高、波向等多參數實時測量、傳輸功能，并且體積小、重量輕，便于快速運輸、布放與回收，還可用于拋棄式測量及特殊隱蔽性測量中。文中對其關鍵技術進行了研究，海上實驗結果表明，系統波高測量范圍0.1～10 m，準確度優于±3%，波向測量范圍 0～360°，準確度優于± 10 °。

海洋技術；波浪浮標；微型；實時觀測

海浪觀測是海洋調查的一項重要內容，采用裝有加速度式波浪傳感器的波浪浮標是一種有效的海浪測量方式,具備在位測量、精度高和可以測量波向的特點。目前國內外常見波浪浮標直徑都大于0.5 m，重量大于50 kg，具備較強的生存能力與較長的維護周期，但體積大，重量大，浮標的運輸布放難度較大，成本較高，使用的靈活性受限。而本文介紹的微型波浪浮標，直徑僅有0.25 m，重量約2 kg,不僅具有常規波浪浮標的觀測功能，而且具有如下獨特的優點：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測；隱蔽性好，可用于特殊場合。本文對其微型浮標體、波浪傳感器、供電系統、通訊系統及錨泊系統等關鍵系統進行了設計，并進行了近海實驗，取得了良好的試驗結果。

1 微型波浪浮標監測系統的關鍵技術研究

浮標在波浪的作用下起伏運動，其浮體對波浪的響應情況直接影響測波的效果。不同直徑的浮體對波浪的響應存在巨大差異，圖1為幾種典型直徑球形浮體的理論波浪響應曲線。可以看出，浮標體的直徑越小，對于短周期波浪的響應越好。0.25 m直徑的微型波浪浮標在波浪響應上具備明顯的優勢。在波浪測量中基本不需要對浮體的響應進行修正。

但浮標體積的減小也帶來了設計加工上的困難，因此我國長期以來直徑小于0.5 m以下的波浪浮標一直是空白，技術方面主要有以下困難：波浪傳感器體積較大；浮標要長時間連續運行，必須有充足的電能，而電池的容量與體積和重量密切相關；良好的通訊方式，需要較高的供電電壓；浮標需要具備較高的生存能力。要完成微型波浪浮標的設計，解決以上問題是關鍵。

1.1 微型波浪浮標體及錨泊系統設計

微型波浪浮標體的結構如圖2所示。浮標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弦組成。外殼體整體防水，具備較強的強度與一定的彈性。太陽能板與天線安置在外殼體內部，有殼體的保護，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，抗彎強度高，尺寸穩定性較高，吸水性小等特點。

內殼體采用鋁合金材料，為全密封結構，除天線與太陽能板外的所有電子設備全部封裝在內殼體中。內外兩層殼體間用發泡材料灌封，是浮標主要的浮力來源，具備較好的彈性。這樣的設計可以保證即使外殼破裂也不會沉覆，只要不是被長而尖銳的物體刺破內殼體，系統仍可繼續頑強工作。

微型波浪浮標因為體積重量小，因此對錨系要求非常低，簡易錨定就可滿足要求，不易發生移位。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的布放操作。成本低且使用靈活。

1.2 波浪傳感器的設計

傳統的波浪傳感器需要使用機械平衡結構，復雜機械結構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。而我所目前生產的SBY1-1型波浪傳感器，由于采用了三軸的加速度計與數字積分技術，無需機械平衡結構，電路板體積也大為縮減。與波浪浮標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 通訊系統設計

考慮微型波浪浮標主要工作在近岸海域，因此在通訊方式設計選用目前國內比較成熟的CDMA通訊網絡。我國沿海地區及島嶼建有大功率基站，多數地區都可覆蓋距岸50 km的海域。CDMA通訊工作在800 MHz頻段，可以使用較短的天線，便于浮標體設計。目前國內CDMA模塊技術非常成熟，我們選用華為EM200模塊性能穩定可靠，試驗證明可以保證可靠的數據通訊。

圖1 幾種典型直徑浮體的波浪響應理論曲線

圖2 微型波浪浮標體結構

1.4 電源系統設計

系統電源需求如表1，考慮設備的電源需求，系統供電電壓不應低于3.3 V，峰值供電電流不小于1 500 mA。經計算日電能消耗約3.5 Wh。由此設計出供電方式見電源系統結構圖（圖 3）。

表1 系統電源需求

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

圖3 電源系統結構圖

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，將電池輸出通過低壓差LDO穩壓器轉換為3.0 V給單片機、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10 d陰天情況下系統工作不中斷。采用4片5.5 V 60 mA太陽能板并聯，考慮60%工作效率，則日補充能量約為7 Wh，3天內即可充足一塊電池。

鋰電池單位體積質量下具備較大的容量，但需要嚴格的充放電管理，無法像鉛酸電池一樣進行浮充使用。因此設計采用兩只電池輪換工作的方式，一只充電時另一只為系統提供電能。兩只電池的充放電管理及狀態轉換由以MAX1538的電源管理電路承擔，系統單片機亦參與輔助管理。如此可以保證最大的充電效率，并盡量延長電池的使用壽命。

1.5 浮標安全性設計

浮標在位運行安全問題非常重要，本設計中特別針對移位、碰撞、人為破壞、盜竊等問題采用了如下措施：

浮標安裝GPS，可定時傳送浮標位置。CDMA通訊模塊具備語音通信功能，如發現浮標發生移位，可向浮標撥打語音電話，浮標接收到預定號碼的呼叫后,自動接通免提通訊，及時與浮標周邊人員進行語音聯系。

浮標體積小重量輕，不會對過往船只造成威脅，因此無需安裝信號燈，具備較小的體積，不易被注意，降低被發現的概率即減少被盜竊的可能。浮體質輕且有彈性，具備較強的防碰撞能力。

2 實驗分析

2009年3月至6月在青島近海作了為期4個月的現場實驗，取得了良好的試驗效果，試驗期間浮標電源、通訊、錨系等系統工作穩定可靠。圖4為3月1日0時至5月31日23時逐小時有效波高曲線，與當地普通波浪浮標取得的數據具備較高的吻合度。

圖4 微型波浪浮標海上實驗數據有效波高圖

3 結論

由上述的設計及實驗表明，微型波浪浮標系統外殼直徑為0.25 m，儀器艙內徑為0.15 m，高度為0.24 m，重量為2.1 kg，波高測量范圍為0.1～10 m，準確度優于±3%，波周期測量范圍為 2～30 s，準確度優于± 0.25 s，波向測量范圍為 0～360°，準確度優于±10°，通訊方式選擇CDMA，通訊可靠且資費便宜。該創新性的設計，使微型波浪浮標系統具備體積小、重量輕等顯著的優點，為我國海洋調查與監測提供一種方便、實用、快捷的調查工具，在某些特定應用環境中，必將能發揮不可替代的作用。

[1]毛祖松.我國近海波浪浮標的歷史、現狀與發展[J].海洋技術，2007，26(2):23-27.

[2]王亞洲，李忠君.SBF3-1型波浪浮標標體結構設計[J]，山東科學，2006，19(5):51-52.

[3]李忠君，白強，王亞洲.波浪浮標系留系統[J]，山東科學，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，籍貫濟陽，助理研究員，大學本科，主要研究方向海洋氣象、水文觀測儀器設計開發，波浪傳感器算法研究與開發。