一种海洋内孤立波观测平台的制作方法

1.本实用新型涉及海洋观测技术领域，尤其涉及一种海洋内孤立波观测平台。


背景技术：

2.内波是一种重要的海水运动，它将海洋上层的能量传至深层，又把深层较冷的海水连同营养物带到较暖的浅层，促进生物的生息繁衍。孤立波是具有单一驼峰形状的波，它能够传播相当远的距离而不改变其形状，甚至在与其他物质相碰撞之后仍能保持它原先的形状，因此称之为孤立波。而内孤立波就是内波中的具有孤立波形态和性质的一种特殊波动，它一般出现在海水几十米以下(即海区温跃层所在的深度附近)，是由于强的潮流在越过水下地形变化陡峭的海山时所激发产生的波动振幅很大(一般超过几十米)、流速很强、并沿着特定方向传播出去的强非线性内波。
3.目前，内孤立波已成为对海洋石油开发影响最大的中尺度海洋现象，通过对内孤立波准确、系统地观测，能够为海洋石油开发工程及水下施工提供有效的保障。现有技术中，海洋内孤立波的观测主要采用潜标和浮标两种方式。潜标的整个标体都位于海表之下，主观测标体则位于主温跃层附近，由于内孤立波的大振幅特性，观测标体在内孤立波经过时会发生显著的掉深效应，不仅导致观测范围缺失，更容易使观测仪器本身的速度和姿态发生复杂变化，导致内孤立波的测量数据失真，特别是内孤立波的垂直速度观测失准，会遗漏掉关键特征信息。
4.而浮标浮于海面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产生的复杂且变化剧烈的积分波，表面波的波动与浮标相互作用，导致安装在浮标上的观测仪器也具有特别复杂的运动，后期难以进行有效分离，导致观测仪器测得的内孤立波速度失准。
5.因此，亟需一种海洋内孤立波观测平台，以解决上述问题。


技术实现要素：

6.基于以上问题，本实用新型的目的在于提供一种海洋内孤立波观测平台，能够准确测量海洋的内孤立波，为海洋水下活动和海洋工程提供有效保障。
7.为达上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
8.一种海洋内孤立波观测平台，包括：
9.承载框架，所述承载框架上安装有多个竖向设置的浮体，多个所述浮体于所述承载框架上间隔分布，每个所述浮体均呈螺旋状；
10.观测设备，所述观测设备用于观测海洋的内孤立波；
11.缓冲组件，所述缓冲组件的一端连接于所述承载框架的重心处，并位于背向多个所述浮体的一侧，所述缓冲组件的另一端连接所述观测设备，所述缓冲组件被配置为能够吸收过滤海浪的纵向和横向波震荡。
12.作为本实用新型的海洋内孤立波观测平台的优选方案，所述承载框架包括框架
圈、多个第一杆和多个第二杆，多个所述第一杆与多个所述第二杆交叉设置于所述框架圈内，并与所述框架圈连接。
13.作为本实用新型的海洋内孤立波观测平台的优选方案，所述框架圈包括对称设置的第一圈部和第二圈部，所述第一圈部和所述第二圈部的外轮廓均呈斐波那契螺旋线形状。
14.作为本实用新型的海洋内孤立波观测平台的优选方案，所述第一圈部包括依次相接且圆弧半径依次增大的第一圆弧部、第二圆弧部、第三圆弧部和第四圆弧部，所述第一圆弧部的圆弧半径为a，所述第二圆弧部的圆弧半径为b，所述第三圆弧部的圆弧半径为a+b，所述第四圆弧部的圆弧半径为a+2b，其中，a/b＝b/(a+b)＝(a+b)/(a+2b)＝φ，φ为所述第一圈部的等比递转值。
15.作为本实用新型的海洋内孤立波观测平台的优选方案，所述等比递转值φ＝(√5-1)/2。
16.作为本实用新型的海洋内孤立波观测平台的优选方案，所述承载框架的重心根据公式一计算，所述公式一为：
[0017][0018]
其中，
[0019][0020]
cx和cy分别为所述重心的x坐标和y坐标；
[0021]
xy坐标系的坐标原点o位于所述承载框架的对称轴上，且所述坐标原点o与所述对称轴的中点之间距离为a。
[0022]
作为本实用新型的海洋内孤立波观测平台的优选方案，所述缓冲组件包括第一连接件、第二连接件和连接环，所述第一连接件上设置有第一通孔，所述第二连接件上设置有第二通孔，所述连接环活动穿设于所述第一通孔和所述第二通孔内，以使所述第一连接件与所述第二连接件活动连接。
[0023]
作为本实用新型的海洋内孤立波观测平台的优选方案，所述连接环内设置有空腔，所述空腔内设置有多个滚珠。
[0024]
作为本实用新型的海洋内孤立波观测平台的优选方案，所述缓冲组件还包括万向连接件，所述万向连接件的一端连接所述第二连接件，另一端连接所述观测设备。
[0025]
作为本实用新型的海洋内孤立波观测平台的优选方案，所述海洋内孤立波观测平台还包括电池单元，所述电池单元设置于所述承载框架的重心位置处上，并与所述观测设备电连接，所述观测设备上设置有加速度传感器，所述加速度传感器用于测量所述观测设备的纵向位移。
[0026]
本实用新型的有益效果为：
[0027]
本实用新型提供的海洋内孤立波观测平台，由于多个竖向设置的浮体分散固定在承载框架上(即浮体垂向固定在承载框架上)，且每个浮体均为螺旋状，因此，表面波可在多
个分散的浮体间穿行，有效减轻内孤立波经过承载框架和浮体时产生的掉深效应，避免观测设备本身产生复杂运动，从而保证观测结果的准确性。竖向设置的螺旋状浮体设计减少了浮体与海浪表面波的直接接触面积，从而能够大幅度提高观测平台的稳定性，进一步减轻表面波波动对观测设备观测结果的影响。此外，由于观测设备与承载框架之间通过缓冲组件连接，因此缓冲组件能够吸收过滤海水的纵向和横向波震荡，从而进一步消除海浪的残余波动对观测设备的影响。缓冲组件连接于承载框架的重心处，即观测设备位于承载框架的重心下方，使得整个观测平台的浮力与重力在同一直线上，能够更有效地提高观测设备的稳定性，进而提高观测效率和观测结果的准确性。也就是说，该海洋内孤立波观测平台既能克服内孤立波对浮体产生的掉深效应对观测结果的影响，又能有效减缓表面波对浮体产生的振荡影响，从而使得观测设备能够准确获取海洋内孤立波周期内的运动学结构，为水下活动和海洋工程提供有效保障。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对本实用新型实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本实用新型实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
[0029]
图1是本实用新型具体实施方式提供的海洋内孤立波观测平台的结构示意图；
[0030]
图2是本实用新型具体实施方式提供的海洋内孤立波观测平台的俯视图(隐藏浮体、电池单元和天线)；
[0031]
图3是本实用新型具体实施方式提供的海洋内孤立波观测平台的承载框架的尺寸比例示意图；
[0032]
图4是本实用新型具体实施方式提供的海洋内孤立波观测平台的正视图；
[0033]
图5是本实用新型具体实施方式提供的海洋内孤立波观测平台的缓冲组件的结构示意图。
[0034]
图中：
[0035]
1-承载框架；2-浮体；3-观测设备；4-缓冲组件；5-电池单元；6-天线；
[0036]
11-框架圈；12-第一杆；13-第二杆；
[0037]
111-第一圈部；112-第二圈部；
[0038]
1111-第一圆弧部；1112-第二圆弧部；1113-第三圆弧部；1114-第四圆弧部；
[0039]
41-第一连接件；42-第二连接件；43-连接环；44-万向连接件；
[0040]
411-第一通孔；421-第二通孔；431-滚珠。
具体实施方式
[0041]
为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0042]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
[0043]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0044]
如图1至图5所示，本实施例提供一种海洋内孤立波观测平台，可以应用于石油开发等水下工程的海洋内孤立波观测。该海洋内孤立波观测平台包括承载框架1、多个浮体2、观测设备3和缓冲组件4。
[0045]
其中，多个浮体2于承载框架1上间隔分布，且每个浮体2均竖向安装于承载框架1上，每个浮体2均呈螺旋状。观测设备3用于观测海洋的内孤立波。缓冲组件4的一端连接于承载框架1的重心处，并位于背向多个浮体2的一侧，缓冲组件4的另一端连接观测设备3，缓冲组件4被配置为能够吸收过滤海浪的纵向和横向波震荡。
[0046]
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；二是运动学观测，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。
[0047]
本实施例提供的海洋内孤立波观测平台，主要用于解决由于观测平台不稳而影响对海洋内孤立波动力学观测和运动学观测的问题。由于多个竖向设置的浮体2分散固定在承载框架1上(即浮体2垂向固定在承载框架1上)，且每个浮体2均为螺旋状，因此，表面波可在多个分散的浮体2间穿行，有效减轻内孤立波经过承载框架1和浮体2时产生的掉深效应，避免观测设备3本身产生复杂运动，从而保证观测结果的准确性。竖向设置的螺旋状浮体2设计减少了浮体2与海浪表面波的直接接触面积，从而能够大幅度提高观测平台的稳定性，进一步减轻表面波波动对观测设备3观测结果的影响。此外，由于观测设备3与承载框架1之间通过缓冲组件4连接，因此缓冲组件4能够吸收过滤海水的纵向和横向波震荡，从而进一步消除海浪的残余波动对观测设备3的影响。缓冲组件4连接于承载框架1的重心处，即观测设备3位于承载框架1的重心下方，使得整个观测平台的浮力与重力在同一直线上，能够更有效地提高观测设备3的稳定性，进而提高观测效率和观测结果的准确性。也就是说，该海洋内孤立波观测平台既能克服内孤立波对浮体2产生的掉深效应对观测结果的影响，又能有效减缓表面波对浮体2产生的振荡影响，从而使得观测设备3能够准确获取海洋内孤立波周期内的运动学结构，为水下活动和海洋工程提供有效保障。
[0048]
可选地，参阅图1和图2，承载框架1包括框架圈11、多个第一杆12和多个第二杆13，多个第一杆12与多个第二杆13交叉设置于框架圈11内，并与框架圈11连接。多个第一杆12和多个第二杆13增加了整个承载框架1的结构强度，同时，第一杆12(第二杆13)能够为缓冲组件4与承载框架1的连接提供安装基础。本实施例中，多个浮体2沿周向固定于框架圈11
上，以将多个浮体2分散设置，表面波能够在多个浮体2间穿行，从而有效减轻内孤立波经过承载框架1和浮体2时的掉深效应。
[0049]
可选地，参阅图2，框架圈11包括对称设置的第一圈部111和第二圈部112，第一圈部111和第二圈部112的外轮廓均呈斐波那契螺旋线形状。该曲线形状的框架圈11能够有效抑制内孤立波产生的掉深效应，提高整个观测平台在水中的稳定性。
[0050]
具体地，参阅图3，第一圈部111与第二圈部112结构相同，以第一圈部111为例，第一圈部111包括依次相接且圆弧半径依次增大的第一圆弧部1111、第二圆弧部1112、第三圆弧部1113和第四圆弧部1114，第一圆弧部1111的圆弧半径为a，第二圆弧部1112的圆弧半径为b，第三圆弧部1113的圆弧半径为a+b，第四圆弧部1114的圆弧半径为a+2b，其中，a/b＝b/(a+b)＝(a+b)/(a+2b)＝φ，φ为第一圈部111的等比递转值。即，采取等比递转法则形成第一圈部111，参照图3中的方位，第一圆弧部1111、第二圆弧部1112、第三圆弧部1113和第四圆弧部1114均为1/4圆，且依次沿逆时针方向递转。第一圆弧部1111与第二圆弧部1112的圆弧半径之比为a/b＝φ，第二圆弧部1112与第三圆弧部1113的圆弧半径之比为b/(a+b)＝φ，第三圆弧部1113与第四圆弧部1114的圆弧半径之比为(a+b)/(a+2b)＝φ。第一圈部111与第二圈部112以该螺旋线的内圆切线为对称轴拼接形成整个承载框架1。
[0051]
优选地，本实施例中，等比递转值φ＝(√5-1)/2。通过对不同φ值的承载框架1进行系列化海上实验，发现当φ＝(√5-1)/2时，各比例的协调性达到最佳，且具有最佳抑制内孤立波掉深效应和过滤表面波影响的效果。因此，等比递转值取φ＝(√5-1)/2，能够使整个观测平台为观测设备3提供稳定的基础，确保观测结果的准确度。
[0052]
可选地，本实施例中，承载框架1的重心根据公式一计算，公式一为：
[0053][0054]
其中，
[0055][0056]
cx和cy分别为重心的x坐标和y坐标；
[0057]
xy坐标系的坐标原点o位于承载框架1的对称轴上，且坐标原点o与对称轴的中点之间距离为a。
[0058]
本实施例将观测设备3置于对称式斐波那契螺旋线的承载框架1重心的设计，使得观测设备3在水下与海面浮体2的重心和浮心相匹配，从而能够使整个观测平台更稳定，观测结果更准确。
[0059]
可选地，参阅图1和图4，缓冲组件4包括第一连接件41、第二连接件42和连接环43，第一连接件41上设置有第一通孔411，第二连接件42上设置有第二通孔421，连接环43活动穿设于第一通孔411和第二通孔421内，以使第一连接件41与第二连接件42活动连接。第一连接件41与第二连接件42通过连接环43活动连接的设计，使得第一连接件41、第二连接件42和连接环43每相邻两者之间均留有冗余空间，该冗余空间可有效过滤表面波的纵向振荡和横向振荡，提高观测设备3的稳定性和观测准确性。
[0060]
优选地，第一连接件41、第二连接件42和连接环43均采用耐腐蚀材料制备而成，耐腐蚀材料优选为钛材料，钛材料抗海水腐蚀能力强，且强度高、密度低、无磁性，不会对观测设备3以及承载框架1产生影响，确保观测设备3能够平稳运行。
[0061]
进一步地，参阅图5，连接环43内设置有空腔，空腔内设置有多个滚珠431。连接环43内的多个滚珠431能够降低连接环43与水之间的阻力，从而有效过滤海水的横向振荡和纵向振荡。
[0062]
可选地，参阅图4和图5，缓冲组件4还包括万向连接件44，万向连接件44的一端连接第二连接件42，另一端连接观测设备3。万向连接件44可以沿任一方向转动，以进一步过滤任意方向的波动，从而进一步提高观测设备3的稳定性以及观测精准度。
[0063]
可选地，参阅图1和图4，海洋内孤立波观测平台还包括电池单元5，电池单元5设置于承载框架1的重心位置处上，并与观测设备3电连接，用于为观测设备3供电，确保观测设备3能够正常运行。进一步地，观测设备3包括信息存储单元，用于储存收集观测获得的内孤立波信息。电池单元5的上方设置有天线6，天线6用于接收或发射信号，以便于掌握观测平台的实时位置和观测情况。
[0064]
可选地，观测设备3上设置有加速度传感器，加速度传感器用于测量观测设备3的纵向位移。由于波动幅度较大的表面波和内孤立波仍能对观测设备3造成较大影响，因此通过设置加速度传感器能够精确记录观测设备3发生的纵向抖动，以便于后期处理数据时去噪、去错，防止观测结果失准。加速度传感器优选高精度传感器，噪音小，观测准确度高。
[0065]
注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

技术特征：
1.一种海洋内孤立波观测平台，其特征在于，包括：承载框架(1)，所述承载框架(1)上安装有多个竖向设置的浮体(2)，多个所述浮体(2)于所述承载框架(1)上间隔分布，每个所述浮体(2)均呈螺旋状；观测设备(3)，所述观测设备(3)用于观测海洋的内孤立波；缓冲组件(4)，所述缓冲组件(4)的一端连接于所述承载框架(1)的重心处，并位于背向多个所述浮体(2)的一侧，所述缓冲组件(4)的另一端连接所述观测设备(3)，所述缓冲组件(4)被配置为能够吸收过滤海浪的纵向和横向波震荡。2.根据权利要求1所述的海洋内孤立波观测平台，其特征在于，所述承载框架(1)包括框架圈(11)、多个第一杆(12)和多个第二杆(13)，多个所述第一杆(12)与多个所述第二杆(13)交叉设置于所述框架圈(11)内，并与所述框架圈(11)连接。3.根据权利要求2所述的海洋内孤立波观测平台，其特征在于，所述框架圈(11)包括对称设置的第一圈部(111)和第二圈部(112)，所述第一圈部(111)和所述第二圈部(112)的外轮廓均呈斐波那契螺旋线形状。4.根据权利要求3所述的海洋内孤立波观测平台，其特征在于，所述第一圈部(111)包括依次相接且圆弧半径依次增大的第一圆弧部(1111)、第二圆弧部(1112)、第三圆弧部(1113)和第四圆弧部(1114)，所述第一圆弧部(1111)的圆弧半径为a，所述第二圆弧部(1112)的圆弧半径为b，所述第三圆弧部(1113)的圆弧半径为a+b，所述第四圆弧部(1114)的圆弧半径为a+2b，其中，a/b＝b/(a+b)＝(a+b)/(a+2b)＝φ，φ为所述第一圈部(111)的等比递转值。5.根据权利要求4所述的海洋内孤立波观测平台，其特征在于，所述等比递转值φ＝。6.根据权利要求4所述的海洋内孤立波观测平台，其特征在于，所述承载框架(1)的重心根据公式一计算，所述公式一为：其中，cx和cy分别为所述重心的x坐标和y坐标；xy坐标系的坐标原点o位于所述承载框架(1)的对称轴上，且所述坐标原点o与所述对称轴的中点之间距离为a。7.根据权利要求1所述的海洋内孤立波观测平台，其特征在于，所述缓冲组件(4)包括第一连接件(41)、第二连接件(42)和连接环(43)，所述第一连接件(41)上设置有第一通孔(411)，所述第二连接件(42)上设置有第二通孔(421)，所述连接环(43)活动穿设于所述第一通孔(411)和所述第二通孔(421)内，以使所述第一连接件(41)与所述第二连接件(42)活动连接。
8.根据权利要求7所述的海洋内孤立波观测平台，其特征在于，所述连接环(43)内设置有空腔，所述空腔内设置有多个滚珠(431)。9.根据权利要求7所述的海洋内孤立波观测平台，其特征在于，所述缓冲组件(4)还包括万向连接件(44)，所述万向连接件(44)的一端连接所述第二连接件(42)，另一端连接所述观测设备(3)。10.根据权利要求1-9任一项所述的海洋内孤立波观测平台，其特征在于，所述海洋内孤立波观测平台还包括电池单元(5)，所述电池单元(5)设置于所述承载框架(1)的重心位置处上，并与所述观测设备(3)电连接，所述观测设备(3)上设置有加速度传感器，所述加速度传感器用于测量所述观测设备(3)的纵向位移。

技术总结
本实用新型涉及海洋观测技术领域，公开一种海洋内孤立波观测平台，包括承载框架、观测设备和缓冲组件。承载框架上安装有多个竖向设置且间隔分布的浮体，表面波可在多个分散的浮体间穿行，有效减轻内孤立波经过承载框架和浮体时的掉深效应，保证观测结果的准确性。螺旋状浮体减少了其与表面波的接触面积，提高了观测平台的稳定性。缓冲组件能够吸收过滤海水的纵向和横向波震荡，进一步消除残余波动对观测设备的影响。缓冲组件连接于承载框架的重心处，即观测设备位于承载框架的重心下方，使得整个观测平台的浮力与重力在同一直线上，能够进一步提高观测设备的稳定性，从而提高观测效率和观测结果的准确性，为水下活动和海洋工程提供有效保障。提供有效保障。提供有效保障。


技术研发人员：王火平 刘华祥 熊学军 冒家友 曹柳忠 任翔宇 卢德杰 陈亮 王德洋 于龙 孙佳 刘浩 鞠霞 郭延良 杨光兵
受保护的技术使用者：中海石油深海开发有限公司
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2023/3/13