浮标(1)

国内外海洋资料浮标技术现状与发展

海洋资料浮标是世界各国海洋环境监测与海洋灾害预报的主要手段之一。它具有全天候、长期连续、定点进行监测的特点是其它海洋监测手段无法替代的。我国海洋资料浮标技术的研究与发展是从我所起步的 在国家海洋局的支持下经过20多年的努力不断研究与提高特别是经过国家“七五”科技攻关 集中了国内的多家优势有力地推动了浮标事业的发展。1998年代表新一代的实用性大型浮标又在我所诞生。经过几年海上使用与技术改型到目前在我国北海、东海、南海三个海域的三个资料浮标锚位点常年工作的资料浮标都是由我所研制及改型的FZF2-1型、FZF2-2型及FZF2-3型七套大型资料浮标。初步改变了我国海洋资料浮标的落后面貌为我国海洋环境监测网的建设奠定了基础。但我国目前海洋资料浮标的综合性能及规模仍不能满足海洋监测业务化运用的要求与国外资料浮标水平及规模也有差距。本文分析了我国海洋资料浮标技术的现状与不足，提出了今后海洋资料浮标技术研究与发展设想。

国外海洋资料浮标系统技术现状与发展

国外发达国家海洋资料浮标技术的发展已趋完善、成熟、规范。其特点是品种多、技术高、数量多，已形成了规模联网监测。浮标技术本身的研究向低成本、多要素方面发展。资料浮标更新换代走向常规已解决了浮标系统可靠性运转。世界范围内资料浮标系统的工作重点已由七、八十年代的着重研究提高浮标系统长期可靠性工作转移到加强浮标测量数据的质量控制和浮标资料更广泛的应用与交换方面并被列入国际海洋资料浮标合作会议（DBCP）中心议题。美国海洋资料浮标的发展，无论是在技术的先进性上还是在品种、数量上都一直走在世界前列。国家对海洋资料浮标的研究和管理成立了专门机构，即国家资料浮标中心（NDBC）。NDBC管理着锚泊资料浮标主要有下列三种，第一种是大型圆盘形浮标体直径为10m和12m两种；第二种是中型浮标，为6m船形NOMAD浮标，这两种浮标主要用于几百至几千米水深的海域；第三种是3m直径圆盘形浮标，主要用于近海或者湖泊及河口的监测。这些资料浮标系统普遍采用了高可靠的微功耗计算机作为数据采集控制的核心应用了同步卫星或ARGOS卫星传输测量数据。

近几年来NOBC在浮标小型化、研制新型仪表舱、增加测量项目、延长浮标系统的在位时间、改进系留系统、电源系统等方面都做了大量的工作并取得了可喜成绩。

圆柱形浮标运动分析与仿真

将浮标在波浪中的运动等效为一个无源系统，波浪谱的激励为该系统的输入，系统输出为浮标在垂直方向上的升沉运动位移和水平方向上的摇摆角度。

波幅的概率密度函数为p（x），x为波的幅度，则波幅的平均值为公式波幅满足瑞利分布，其概率密度函数为公式，式中公式为波幅的均方值。采用公式表示波幅的谱密度函

数，则有公式采用式子表示浮标体对于波浪单位幅度和角频的线性输出 则浮标输出响应的均方值为公式，式中公式为激励的波浪谱。平均最大值为式子采用工程中常用谱描述波浪的统计特性，只要求出浮标在垂直、水平方向上的传输函数就能够求得在不同海况激励下浮标的运动参数。通过设计参数的调整使的峰值频率与波浪激励的峰值频率分开就能够有效避免浮标运动与波浪激励达到谐振状态。

液压技术在ARGO浮标中的应用

浮标沉降原理ARGO浮标是通过不改变其自身质量，改变自身体积，来实现上升和下沉。国际上通用的结构就是在浮标底部安装气囊（如图1所示），通过柱塞泵向其泵入和抽出液压油，而达到改变气囊体积的目的，进而改变浮标的体积，完成浮标的上下工作。用于改变浮标体积的关键部件是一台单冲程柱塞泵和置于浮标体之外的可变体积皮囊。我们将皮囊制造成双腔结构,用一坚韧的橡胶膜将皮囊分隔成两部分,分别用来盛油和气。当柱塞泵正向行程,将泵内的液压油推进油囊,浮标体积就增大。反之,油泵回程时,油囊内的油被抽回柱塞泵,体积就缩小。油囊的容积设计成,从“零”体积开始,容纳油泵推出的全部液压油后具有从水下最深点上浮到水面的最大浮力。并且,从理论上讲,可以通过改变其体积的变化量,实现在水面与最深处之间的任何深度上让浮标处于中性状态。为确保浮标漂浮在水面时的通讯正常进行,其内部还专门设计一气囊涨缩回路,它是由一台小气泵和单向阀、三通阀、管路,连通气囊组成。该系统可将浮标壳体内的剩余气体泵入气囊使之涨大,让漂浮在水面的浮标更高的浮出水面,抬高露出的天线,保证通信顺利进行。当浮标进入下潜动作,外压将气囊内的气体压回壳体,保证了浮标顺利下潜。

浮标内部系统

（1）内腔真空处理剖面探测浮标长期交替地在水面和水下2 000m处工作,为防止浮标体在水面低压时出现泄漏,通常采用的是将浮标内部抽成真空状,对外形成负压.在常压时外界就已在上下端盖预加一外压力,确保高低压均不泄漏,还可保护内部电子器件减少氧化现象。

（2）高压油路和气路系统如图2所示，油路其实很简单,柱塞泵直通油囊。皮囊在浮标壳体之外,处在海水包围中,因此它所受到的外压直接反映了海洋深度。气囊中所充的气体是浮标壳体内抽真空所剩余的残留气,气路中需要用单向阀和三通阀实现气囊与壳体内空间在特定位置处接通与关闭。高压柱塞泵:柱塞泵的动力是一台微型直流电动机;通过高减速比的微型减速器将电机转速降低和输出以较大的转距,使滚珠丝杠旋转带动活塞平移动,使活塞足以推动因20 MPa深海压力产生1600 N的阻力。

3）为保证浮标可靠上浮的专项设计①设置辅助油缸,增大浮标的上浮能力:海水密度随地理位置的分布会有较大区别,要将浮标用在不同海区,用户会遇到专业性很强的参数重新设置问题。此设计出于提高浮标上浮能力,即确保浮标可靠上浮,又不需用户针对不同海区的情况提出各自的要求。从计算得知并经实验验证,浮标从水下上浮到水面的能力与皮囊体积和浮标本身体积之比有关(△V/V 0 ),该比值愈大浮标上浮能力愈强。但由于受到浮标体积与耗电量须严格限制等原因,不能随意加大柱塞泵的油缸容积,采用不消耗能量的预置力辅助油缸措施是加大△V/V值的方法之一,借助压缩气体或弹簧在受外力不同时其活塞位移会发生变化来增大油囊体积的变化量。设计以某一预定压力为分界,皮囊中将有更多的油量出自辅助油缸,从而加大△V值,提高浮标上浮能力。其工作原理如下,假如设定值是3 MPa,在以下3种情况时:一是处在水面,外界压力p=0,辅助缸内的油全部注入皮囊,使之膨涨到最大,稳定漂浮;二是下潜,外界压力p遂渐升高,即随外界压力的升高,皮囊中的油逐渐被压回辅助缸,3 MPa时皮囊收缩到最小值,浮标可潜入到预定深度;三是上浮,外界压力p<3 MPa,预置力将辅助缸油再次逐渐注入皮囊,到达水面后皮囊又可涨到最大,该过程有助于浮标上浮。

②可以现场拆卸检修和封装的抽真空设计:上盖结构特有的抽真空密封装置,使未布放的浮标可以在现场拆卸浮标进行内部检修。

小型浮标设计方案的确定

小型海洋调查浮标的设计在浮标性能计算、材料选择和浮标锚系结构上应能满足投放海区对浮标的安全要求其中包括：1小型海洋调查浮标应有足够的初稳性和大倾角稳性，抗热带气旋能力强，保证浮标在恶劣海况下不倾复。2小型海洋调查浮标应有良好的抗沉性保证浮标在遭到最严重破坏时即使进满水都不下沉。3小型海洋调查浮标的自摇周期应小于投放海区的常遇波周期避免发生共振而引起的浮标倾复。4小型海洋调查浮标体使用的材料及其结构应经得起船只碰撞具有“三防”防碰、防蚀、防盗措施。5小型海洋调查浮标在恶劣海况下

应能“坚守岗位”、不跑锚、不断链

浮标的自摇周期 关于浮标自摇周期的计，有些浮标设计者采用船舶设计的经验公式公式，该公式是以宽为B、高为两倍重心高度2Z的直角六面体形为前提按杜埃拉质量惯性矩近似式公式。并对附加水质量惯性矩忽略不计的情况下得出来的。这样计算出来的自摇周期一般是偏小的但对船舶设计较为安全这是因为船舶设计是采用大于海区常遇波周期来避免共振的但是设计浮标却恰恰相反必须采用小于海区常遇波周期来避免共振。因此在浮标周期的计算中若不考虑附加水质量惯性矩则使用计算出来的结果就较为危险。而且浮标的圆盘形与公式假设的直角六面体差别太大、不能用杜埃拉公式来估算浮标的质量惯性矩。因此必须按下述公式 公式进行计算：

浮标的稳性

浮标受到外力作用而离开平衡位置当外力消除后浮标回到原来平衡位置的能力称为浮标的稳性。稳性的大小取决于浮标的形状、尺寸和浮标上截荷分布的情况。同一形状尺寸的浮标其稳性大小就取决于浮标的彭乙、浮心和稳心的相互位置。圆盘形浮标由于其水线面大稳心曲率半径大因此稳心很高可得到大的初稳性高度和大的回复力矩。圆盘形浮标的稳性可按下列公式计算

浮标的结构设计

浮体采用钢质材料以造船钢3C为主体，上支架等次要构件可用普通钢A3浮体骨架均采取弹性连接的形式增加防碰效果并于侧舷的上、下端各设置钢质护舷环1个以保证浮标遭船舶碰撞时不被破坏。浮标仓室分电源仓和浮力仓，浮力仓的容积超过排水体积，其仓内充满不吸水的泡沫塑料。因此当浮标遭到最严重的破坏而进满水，后仍能保持足够的浮力而不致下沉。浮标的仓盖及人孔盖均用􀀁 型水密胶圈加压水密。浮体电源仓顶设出气管出气管沿上支架上升至锚灯之下其上端向卞弯曲以防雨水进入出气管的另一个作用是容许电缆从管内穿过从而为锚灯通电。浮体吃水线以下的舷及标底安装若干块栖牲阳极铝合金以保护浮体材料免受腐蚀。浮力仓及电源仓均进行水密（0.3Kg）或气密（0.25kg）试验和超声波探伤。浮体按2级焊缝施焊但因施上中的疏忽扩曾发现个别焊缝有假焊现象及时进行了补焊加固确保浮标在恶劣海况下的安全。

DGPS在浮标定位中的应用

GPS早期开放民用的C/A码（粗捕获码）美国军方人为地限制了非军用用户的系统精度，只能提供20-40米的单点实时定位精度。尽管美国政府于2000年5月取消了影响民用定位精度的SA（选择可用性)政策，但是由于受空间大气层延迟、星历误差、卫星钟误差等因素的影响GPS的定位误差一般在30至40m。这样的误差在精度要求不太高的浮标定位中尚可接受，但用于狭窄航道的浮标定位则远不能满足要求。由此产生了DGPS。DGPS实际上是把一台高性能GPS接收机放在位置已精确测定

的点上组成基准台。基准台接收机通过接收GPS卫星信号测得并计算出到卫星的伪距将伪距和已知距离相比较求得该点在GPS系统中的伪距测量误差，再将这些误差作为修正值以标准数据格式通过播发台向周围空间播发。附近的GPS用户接收到来自基准台的误差修正信息以此来修正自身的GPS测量值从而大大提高其定位精度用户距基准台愈近定位精度愈好。

Flash存储器在海洋资料浮标中的应用

Flash存储器具有不需电池维护，掉电后数据仍然不会丢失的特点，目前已逐渐应用到各个领域。近年来生产的Flash 芯片不但容量增大了，且数据写入和擦除仅需+5V电压即可，与单片机的接口为串行接口，占用单片机的资源很少，Flash 的存储优势在海洋仪器，特别是在新近开发的资料浮标——多功能波浪浮标的使用上，发挥了不可或缺的作用。

多功能波浪浮标主要用于测量海浪的波高、海浪的传播方向、海浪的周期，以及表层海水温度和盐度，浮标每3小时或1小时自动测量一次，通讯方式采用超短波通讯，由于一次测得的数据量较大，波浪原始数据有16K，另加62个字节的统计特征值，如果要将所有的原始数据通过无线数传电台发回接收站，每次发射机工作的时间就会过长，该系统所用数传电台的波特率为1200b/s，为了提高接收率，每组波浪数据重发三遍，这样发射机就要工作7分多钟，这对采用电池供电的浮标来说，显然耗电太大，因此，在浮标内设计了一存储容量为16Mbit~64Mbit的数据存储器，存储容量的大小可根据用户的需要而定，在16Mbit~64Mbit 之间进行选择。