自消浪内孤立波观测浮标

1.本发明属于海洋内孤立波结构海洋学观测领域，具体涉及一种自消浪内孤立波观测浮标。


背景技术：

2.南海北部海域是一片海底地形崎岖、动力过程复杂的海域，也是内潮和内孤立波的频发海域。内孤立波也已成为对我国影响最大的中尺度海洋现象，因此，对其进行准确、系统地观测对于研究其发生与运动特点以及保障海洋工程安全至关重要。
3.内孤立波结构海洋学观测有两大要点，一是海洋要素观测传感器，二是海洋现场的安装与布放，后者往往比前者更为复杂和困难。海洋内孤立波的观测有三大要点，一是动力学观测，主要针对内孤立波传播驱动的辐散与辐合；二是结构海洋学观测，主要针对内孤立波结构单体周期内结构的运动学向微观测；三是水文学观测，主要针对内孤立波引起的水温、盐度、密度的分布变化。
4.目前的海洋内孤立波观测基本局限在气候海洋学范畴，现有浮标将观测系统安装于海面标体上，会受到表面波的直接影响，表面波通常都不是单一的正弦波，而是受各种因素影响、复杂且变化剧烈的积分波，波动与标体相互作用，使得安装在标体上的观测系统经受大震幅波动时具有特别复杂的运动，且难以进行有效分离，导致其对内孤立波速度的观测失准。
5.所以，急需发明能够缓解浮标剧烈震荡的自消浪内孤立波观测浮标，准确对内孤立波进行观测及预报，为水下活动和海洋工程安全提供有效保障。


技术实现要素：

6.本发明致力于海表面附近内孤立波的结构单体观测，发明一种自消浪内孤立波观测浮标。该发明基于对表面波特性的深入了解，通过内孤立波观测浮标整体尺寸的可滤波化设计、分体化模块式设计、垂向三级运动学维稳设计，将传统一体式浮标分为海面浮标体与观测系统两部分，围绕浮标体的减摇和观测系统的减震，进行重点设计。主要发明内容包括：
7.(1)内孤立波观测浮标整体尺寸的可滤波化设计：随机海浪理论认为，随机海面是由不同频率的组成谐波叠加的结果，频率大于1hz的波浪，波长尺度在米量级及以下，需要考虑表面张力，因此为毛细重力波和毛细波，这类波动频繁而杂乱，当浮标水平尺寸大于其波长时，对其有很好滤除效果；一般的风浪周期在几秒到30秒之间，波长从几米到1000米，当浮标水平尺寸小于1/4波长时，对这种频率波浪造成的摇晃就具有周期性特征，可以用算法进行滤除。所以，确定内孤立波观测浮标的尺寸为1.5m。在垂直方向上，为了让传感器尽可能贴近海面，同时又尽可能少受波浪在垂直方向上的影响，按照半波原理，确定观测传感器离水面的距离也为1.5m。
8.(2)对海面浮标体与观测系统进行物理隔断和计算隔离的分体化模块式设计：传
统内孤立波观测浮标的浮标体与观测系统之间，无论是硬连接或是软连接，都缺乏必要的物理隔断和计算隔离，导致来自浮标体的噪音和来自观测系统的噪音交相混合，难以进行有效的噪音过滤，使整体系统的消浪与减震设计呈熵增趋势。本发明将海面浮标体与观测系统分体式设计，使浮标体的减摇设计与计算，以及浮标体向观测系统的震动传导控制与计算，都成为可能。同时，分体式设计也为设备安装、布放以及维护提供了便利。
9.(3)发明内孤立波观测浮标波浪减摇器：浮于海面的浮标体会受到表面波的直接影响，表面波通常为受各种因素影响、复杂且变化剧烈的积分波。发明内孤立波观测浮标波浪减摇器，考虑并计算波浪对浮标体的冲击特征和影响深度，在最大直径为150cm的对称性海表观测浮标的水面线之下15cm处，设置下倾26度、长度为15cm的鳍状减摇结构，其中通过分立的龙骨进行结构强度支撑，而龙骨撑起的薄翼形成阻摇功能。试验检测可减小浮标体摇晃幅度50％以上。
10.(4)发明内孤立波观测浮标波浪减震器：内孤立波观测浮标的浮标体，要承受海面波的持续冲击，引起的复杂震动如果直接传导给观测系统，会产生大量不可剔除的噪声，发明内孤立波观测浮标波浪减震器，一是减震器与浮标体之间的连接采用松脱式两层吊环，直接过滤来自浮标体的瞬间大加速度；二是减震器内部由消除谐震的弹簧组构成，考虑并计算与波浪频率的关系，进一步减小浮标体震动对观测系统的影响。
11.同时，减震器的长度，也用于调节换能器距离海面的距离。
12.(5)垂向三级运动学维稳设计：为了提高设备稳定性，在浮标体外围采用内孤立波观测浮标波浪减摇器，有助于浮标体减摇阻摇，维持浮标体姿态；浮标体与设备间通过孤立波海表观测浮标波浪减震器相连，过滤来自浮标体的瞬间大加速度，进一步减小浮标体震动对观测系统的影响；在下端软硬件控制仓采用万向节结构，可进一步消除任意方向的复杂波动，实现垂向自上而下三级维稳，确保设备平稳运行，提高观测效率与准确性。
13.本发明具有的有益效果：
14.(1)内孤立波观测浮标整体尺寸的可滤波化设计确定内孤立波观测浮标的尺寸为1.5m，能够有效滤除频繁而杂乱的毛细重力波和毛细波，同时能够让传感器尽可能贴近海面，又尽可能少受波浪在垂直方向上的影响。
15.(2)海面浮标体与观测系统物理隔断和计算隔离的分体化模块式设计将传统一体式浮标分为海面浮标体与观测系统两部分，面对复杂表面波与内孤立波影响时，浮体经受大震幅波动引起的复杂运动通过分体式设计进行向下隔断，减小因浮体震荡对观测结果的影响，分体式设计也使浮标体的减摇设计与计算，以及浮标体向观测系统的震动传导控制与计算，都成为可能。同时，分体式设计也为设备安装、布放以及维护提供了便利。
16.(3)垂向三级运动学维稳设计自上而下串联起整套设备，上端波浪减摇器有助于减小浮标体摇晃幅度，维持浮标体姿态，分体式设备间通过波浪缓震器相连，松脱式两层吊环直接过滤来自浮标体的瞬间大加速度，内部消除谐震的弹簧组进一步减小浮标体震动对观测系统的影响，下端软硬件控制仓的万向节结构进一步消除任意方向的复杂波动，实现垂向自上而下三级维稳，确保设备平稳运行，提高观测效率与准确性。
附图说明
17.下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
18.图1是自消浪内孤立波观测浮标三维模型图。图中，1为球形浮标体，2为内孤立波观测浮标波浪减摇器的薄翼结构，3为内孤立波观测浮标波浪减摇器的龙骨结构，4为内孤立波观测浮标波浪减震器，5为控制仓，6为设备仓，7为电池仓，8为观测换能器。
具体实施方式
19.根据发明内容，制作自消浪内孤立波观测浮标的具体施工操作如下：
20.(1)根据内孤立波观测浮标整体尺寸的可滤波化设计，生产直径为1.5m的球形浮体模具，采用高强轻质eva材料向模具内填充进行发泡定型后静置48小时，待整个eva材料硬质后采用spua技术对外表面进行喷涂，静置48小时后完成整个浮体可滤波化设计。(2)采用316l不锈钢，自上而下构建分体化模块式设计中浮体与设备间连接扣、设备主支撑架、控制仓、设备固定器、电池仓、设备保护框等刚性结构，在电池仓内安装观测设备电池，将设备从电池仓穿孔中穿入进行安装固定，并对设备进行接线通电测试，测试后完成分体化模块式设计中观测设备部分，最后通过内孤立波观测浮标波浪减摇器松脱式两层吊环与观测系统设备连接扣进行连接，完成整个分体化模块式设计。
21.(3)采用316l不锈钢在对称性海表观测浮标的水面线之下15cm处安装下倾26度、长度为15cm的分立龙骨，为整个内孤立波观测浮标波浪减摇器提供强度支撑，在龙骨中间安装硬质薄翼，形成浮体阻摇功能。
22.(4)用抗海水腐蚀、高强度、低密度、无磁性的钛材料构造内孤立波观测浮标波浪减震器，主要减震部分由钛金属外壳与内部消除谐震的弹簧组构成，在缓震器两端建造松脱式两层吊环实现瞬间大加速度过滤，完成整个内孤立波观测浮标波浪减震器设计。
23.(5)采用316l不锈钢构造控制仓处万向节结构，与内孤立波观测浮标浮体中安装的内孤立波观测浮标波浪减摇器、海面浮标体与观测系统中起到连接与过滤震动作用的内孤立波观测浮标波浪减震器构成垂向三级运动学维稳设计。
24.(6)防电化处理。
25.(7)防生物附着处理。

技术特征：
1.内孤立波观测浮标整体尺寸的可滤波化设计，其特征在于：频率大于1hz的波浪，波长尺度在米量级及以下，需要考虑表面张力，因此为毛细重力波和毛细波，这类波动频繁而杂乱，当浮标水平尺寸大于其波长时，对其有很好滤除效果；一般的风浪周期在几秒到30秒之间，波长从几米到1000米，当浮标水平尺寸小于1/4波长时，对这种频率波浪造成的摇晃就具有周期性特征，可以用算法进行滤除。确定内孤立波观测浮标为球形或水滴形，水平整体尺寸为1.5m。在垂直方向上，为了让传感器尽可能贴近海面，同时又尽可能少受波浪在垂直方向上的影响，按照垂向半波影响原理，通过浮力计算，确定观测传感器离海面的距离也为1.5m。2.对内孤立波观测浮标的浮标体与观测系统进行物理隔断和计算隔离的分体化模块式设计，其特征在于：将海面浮标体与观测系统分体式设计，使浮标体的减摇设计与计算，以及浮标体向观测系统的震动传导控制与计算，都成为可能。同时，分体式设计也为设备安装、布放以及维护提供了便利。3.为内孤立波观测浮标的浮体设制波浪减摇器，其特征在于：浮于海面的浮体会受到表面波的直接影响，表面波通常为受各种因素影响、复杂且变化剧烈的积分波。为抑制波浪摇晃，发明内孤立波观测浮标波浪减摇器，考虑并计算波浪冲击特征和影响深度，在最大直径为150cm的对称性海表观测浮标的水面线之下15cm处，设置下倾26度、长度为15cm的减摇结构，其中通过分立的龙骨进行结构强度支撑，龙骨撑起的薄翼形成阻摇功能。试验检测可减小摇晃幅度50％以上。4.为内孤立波观测浮标的观测系统设制波浪减震器，其特征在于：内孤立波观测浮标的浮体，要承受海面波的持续冲击，引起的复杂振动如果直接传导给观测仪器，会产生大量不可剔除的噪声，发明内孤立波观测浮标波浪减震器，一是减震器与浮体之间的连接采用松脱式两层吊环，直接过滤来自浮体的瞬间大加速度；二是减震器内部由消除谐振的弹簧组构成，考虑并计算与波浪频率的关系，进一步减小浮体振动对观测仪器的影响。5.内孤立波观测浮标的垂向三级运动学维稳设计，其特征在于：为了提高设备稳定性，在浮体外围采用内孤立波观测浮标波浪减摇器，有助于浮体减摇阻摇，维持浮体姿态；浮体与观测系统之间通过内孤立波观测浮标波浪减震器相连，过滤来自浮体的瞬间大加速度，进一步减小浮体振动对观测仪器的影响；在下端软硬件控制仓采用万向节结构，可进一步消除任意方向的复杂波动，实现垂向自上而下三级维稳，确保设备平稳运行，提高观测效率与准确性。

技术总结
本发明属于海洋内孤立波结构海洋学观测领域，提供一种用于海洋内孤立波观测的自消浪浮标，主要创造包括：(1)内孤立波观测浮标整体尺寸的可滤波化设计；(2)对内孤立波观测浮标的浮标体与观测系统进行物理隔断和计算隔离的分体化模块式设计；(3)为内孤立波观测浮标的浮体设制波浪减摇器；(4)为内孤立波观测浮标的观测系统设制波浪减震器；(5)内孤立波观测浮标的垂向三级运动学维稳设计。该内孤立波观测浮标能够有效缓解表面波对的浮标的剧烈摇晃和标体对观测仪器的剧烈震荡，实现对内孤立波的准确预报，为水下活动和海洋工程安全提供有效保障。供有效保障。供有效保障。


技术研发人员：任翔宇 熊学军 朱正涛 胡筱敏 杨爱民 解志军 黄景帅 陈亮 于龙 郭延良 鞠霞 孙佳 云升军 杨光兵 回贞立 崔欣梅 王颖杰 高皜 张超 郑棒信 荣林泰 王宇 崔虎山 李峂玥 高健男
受保护的技术使用者：自然资源部第一海洋研究所 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所 青岛大熊海洋科技有限公司 中国海洋石油集团有限公司 中海石油深海开发有限公司 哈尔滨工程大学
技术研发日：2022.10.25
技术公布日：2023/4/4