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原文传递基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标和波浪统计方法

专利名称：	基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标和波浪统计方法
摘要：	本发明公开了一种基于并联压电式六维加速度传感器的海洋波浪浮标，包括浮标体、传感器系统、控制系统，内置在浮标体中的控制系统综合波浪加速度信息、风速信息、风向信息、电子罗盘发送的方位角信息，分别对海洋波浪浮标所处位置的波浪特征和气象数据进行处理，以计算主波向、波高、波周期、实际风向、实际风速，并将计算出的主波向、波高、波周期、实际风向、实际风速通过通讯模块发送至用户端监测系统。本发明能够解决对海洋波浪进行观测的技术难题以及现有技术的局限性，可以定点、定时、连续、准确地对海面波浪的波高、波周期以及波向等波浪特征和风速、风向等气象要素进行观测。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	南京信息工程大学
发明人：	王鑫;刘云平;杜洋涛;刘宝莹;徐泽
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-11T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-25T00:00:00+0800
申请号：	CN201910287864.9
公开号：	CN109927849A
代理机构：	南京钟山专利代理有限公司
代理人：	戴朝荣
分类号：	B63B22/00(2006.01);B;B63;B63B;B63B22
申请人地址：	210044 江苏省南京市江北新区宁六路219号
主权项：	1.一种基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述海洋波浪浮标包括浮标体、传感器系统、控制系统；所述浮标体包括支架，固定在支架上的航标灯、GPS定位天线和若干个太阳能电池板，浮体，以及设置在浮体内的控制箱、蓄电池组，支架通过紧固部固定在浮体上表面上；所述传感器系统包括并联压电式六维加速度传感器、风速传感器、风向传感器、信号处理模块；所述风速传感器、风向传感器固定在支架顶端，分别用于采集海洋波浪浮标所处位置的风速信息、风向信息；所述并联压电式六维加速度传感器、信号处理模块设置在控制箱内部，并联压电式六维加速度传感器、信号处理模块互相电连接；所述控制系统设置在控制箱内部，包括FPGA处理器、A/D转换器、通讯模块、电子罗盘、只读存储器、SD存储卡、时钟模块；所述太阳能电池板经逆变器降压模块与蓄电池组电连接，所述蓄电池组与FPGA处理器、A/D转换器、信号处理模块电连接；所述信号处理模块的数据输出端、风速传感器、风向传感器的输出端通过A/D转换器分别与FPGA处理器电连接，信号处理模块、风速传感器、风向传感器分别将波浪加速度信息、风速信息、风向信息发送至A/D转换器，经A/D转换器转换格式后发送至FPGA处理器；所述SD存储卡通过串行外设接口与FPGA处理器电连接；所述通讯模块、GPS定位天线通过串口与FPGA处理器电连接，GPS定位天线用于探测海洋波浪浮标所处位置的位置信息，并且将探测到的位置信息发送至FPGA处理器；所述电子罗盘通过集成电路总线与FPGA处理器连接，电子罗盘用于实时探测海洋波浪浮标的方位角信息，将探测到的方位角信息发送至FPGA处理器；所述FPGA处理器结合波浪加速度信息、风速信息、风向信息、电子罗盘发送的方位角信息，分别对海洋波浪浮标所处位置的波浪特征和气象数据进行处理，以计算海洋波浪浮标所处位置的主波向、波高、波周期、实际风向、实际风速，并将计算出的海洋波浪浮标所处位置的主波向、波高、波周期、实际风向、实际风速通过通讯模块发送至用户端监测系统、以及将计算结果存储至SD存储卡和/或只读存储器；所述FPGA处理器通过通讯模块与用户端监测系统建立有通讯链路，所述用户端监测系统包括安装有监测软件的终端服务器。 2.根据权利要求1所述的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述浮标体还包括设置在浮体内的第一容纳盒、第二容纳盒；所述浮体包括呈相互连接的倒圆台状的第一浮体部、呈圆柱体状的第二浮体部，第一浮体部安装在第二浮体部上方，第一浮体部的轴中心线和第二浮体部的轴中心线重叠；所述第一容纳盒呈圆柱体状，固定在第一浮体部内部，第一容纳盒的轴中心线和第一浮体部的轴中心线重叠；所述控制箱固定在第一容纳盒内，其重心位于第一容纳盒的轴中心线上；所述第二容纳盒呈圆柱体状，固定在第二浮体部内部，第二容纳盒的轴中心线和第二浮体部的轴中心线重叠；所述蓄电池组固定在第二容纳盒内，其重心位于第二容纳盒的轴中心线上。 3.根据权利要求1所述的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述支架安装在浮体上方，包括第一支撑部、第二支撑部、圆顶盖；所述第一支撑部安装在浮体上表面，包括与支撑柱、顶部平台、底部平台、若干个支撑板；所述支撑柱垂直安装在浮体上表面上，所述底部平台固定在支撑柱临近浮体一端，所述顶部平台固定在支撑柱远离浮体一端，所述顶部平台、底部平台均与浮体上表面平行，在竖直方向上，底部平台的投影完全覆盖顶部平台的投影；所述若干个支撑板均匀分布在顶部平台、底部平台之间，其两端分别与顶部平台、底部平台连接；所述若干个太阳能电池板一一对应地固定在支撑板上；所述圆顶盖可拆卸地连接在浮体上表面上，且圆顶盖完全覆盖第一支撑部；所述第二支撑部包括第一支撑杆、第二支撑杆、两个斜支撑杆；所述第一支撑杆垂直安装在第一浮体部上表面上，第二支撑杆垂直安装在第一支撑杆远离浮体上表面的一端，两个斜支撑杆相对地固定在第一支撑杆和第二支撑杆之间。 4.根据权利要求1所述的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述风速传感器、风向传感器分别固定在第二支撑杆的两端，两者之间的距离大于等于45cm。 5.根据权利要求1所述的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述并联压电式六维加速度传感器包括具有一容纳腔的壳体、惯性质量块、6个锁紧板、6个预紧柱、6个复合铰链、12个压电陶瓷、12个球铰链、6个定位螺母；所述壳体呈正方体状，其6个侧面上各设置有一副板，锁紧板与副板一一对应，锁紧板通过预紧柱安装在副板远离壳体的一侧；所述定位螺母设置在惯性质量块的两个对角点所对应的6个棱边的中点处，所述惯性质量块通过定位螺母安装在容纳腔正中心处，每个副板与最临近的惯性质量块的侧面平行；所述6个复合铰链分别安装在惯性质量块的另外6个棱边的中点处，每个复合铰链均包括两个互相垂直的铰链侧壁，每个铰链侧壁贴附在惯性质量块的其中一个侧面上；所述12个球铰链分为6个球铰链组，每个球铰链组包含2个互相垂直的球铰链，球铰链组与复合铰链一一对应，球铰链的两端分别垂直安装在临近的铰链侧壁上和临近的副板上；所述压电陶瓷与球铰链一一对应，串联在球铰链和对应的复合铰链之间。 6.根据权利要求1所述的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述信号处理模块包括依次电连接的电荷转换器、第一缓冲器、滤波器、第二缓冲器、放大器；所述电荷转换器的输入端与并联压电式六维加速度传感器的输出端电连接；所述放大器的输出端为信号处理模块的数据输出端。 7.根据权利要求1所述的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述浮体还包括两个吊装部和两个锚固部；所述两个吊装部对称设置在浮体临近上表面的两个外侧面上；所述两个锚固部对称设置在浮体临近下表面的两个外侧面上；所述吊装部和锚固部上设置有至少一个通孔。 8.根据权利要求2所述的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述海洋波浪浮标还包括至少一个液位变送器；所述液位变送器均匀分布设置在第一浮体部内，与第一浮体部的轴中心线平行，液位变送器的采集端穿过第一浮体部临近第二浮体部的端面，延伸至第一浮体部外侧。 9.根据权利要求1所述的基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标，其特征在于，所述通讯模块包括GPRS通讯模块、GPS通讯模块、北斗卫星通讯装置中的一种或者几种。 10.一种基于六维加速度传感器的海洋波浪浮标的波浪统计方法，其特征在于，所述波浪统计方法包括：采用风速传感器、风向传器感以采集海洋波浪浮标所处位置的风速信息、风向信息；采用气象数据拟合算法对采集的风速信息、风向信息进行去干扰处理，以获取海洋波浪浮标所处位置的实际风速、实际风向；采用并联压电式六维加速度传感器以采集波浪加速度信息，加速度传感器输出为电荷量信号，将电荷量信号经信号处理模块转换成电压信号后，经动力学模型解耦获取波浪加速度信号；对波浪加速度信号依次进行一次积分处理、一次多项式拟合数据去除趋势项处理、二次积分处理、二次多项式拟合数据去除趋势项处理，以计算位移信号；对位移信号执行去误差处理，结合GPS定位天线反馈的位置信息，以获取有效位移序列；采用电子罗盘获取的海洋波浪浮标的方位角信息，对有效位移序列中包含的波浪方向信息进行校正，以获取主波向；采用跨零点法，结合有效位移序列以计算波高、波周期。
所属类别：	发明专利