[0001] 本发明属于浮标结构技术领域，尤其涉及一种用于波浪方向谱数据采集的阵列浮标及方法。

[0002] 波浪方向谱是物理海洋学中的一个重要概念，它描述了海浪的能量在不同方向上的分布情况，其对于理解海浪的生成、发展和传播机制非常重要，可以帮助科研人员预测海浪行为，对于海洋能源开发、海上结构设计等领域具有重要的应用价值。获得波浪方向谱的传统方式包括浮标、卫星遥感等。但卫星遥感方式精度和分辨率均较低，传统浮标方式需要通过额外结构来将多个独立浮标连接成阵列形式，但该种方法一致性差且成本较高，布放工序也比较复杂。

[0020] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

[0021] 本发明的创新点在于：本发明的阵列浮标结构设计创新性地提出了一种八向圆周阵列浮标结构，使得浮标能够从多个方向同时采集波浪数据，从而显著提高了波浪方向谱数据的全面性和准确性。在这一结构中，碳基柔性传感器8作为核心部件被应用于摆臂4上，能够感应摆臂4随波浪的摆动角度，并通过电信号的变化捕捉波浪的动态变化，极大提高了波浪周期和方向数据的采集精度。此外，本发明还实现了一种低成本高效率的布放方式，使得阵列浮标布放简单，成本较传统方式大幅下降，同时保持了较好的一致性，这对于大规模部署波浪监测设备具有重要的经济意义。

[0022] 实施例1，如图1‑图5所示，本发明实施例提供的用于波浪方向谱数据采集的阵列浮标包括浮标主体1，所述浮标主体的上端开口；上设有透明玻璃盖2（PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯）；所述浮标主体1在外壳8个方向具有凸耳3；所述凸耳3与摆臂4通过转动关节9进行连接；所述摆臂4外端部是子浮标5，所述子浮标5为漏勺型容器。

[0023] 浮标主体1内安装有主控制系统；所述主控制系统包括控制器、卫星通讯模块、电源模块、第一计时器、第二计时器、第三计时器、主波浪传感器、蓝牙通讯模块。

[0024] 摆臂4外端部的子浮标5内安装有子控制系统；所述子控制系统包括控制单元、蓝牙通讯模块、电源模块、第四计时器、第五计时器、子波浪传感器。

[0025] 凸耳3与摆臂4连接处为转动关节9；所述转动关节9中间是中空结构，内部安装有碳基柔性传感器8；所述碳基柔性传感器8一端由夹紧装置10与摆臂4端面相连；所述碳基柔性传感器8另一端与凸耳槽孔6固定。

[0026] 凸耳3内部具有扁平槽孔11，由凸耳3端部贯穿至浮标主体1内部；所述扁平槽孔11内部布设有多根电线7将碳基柔性传感器8与主控制系统相连。

[0027] 示例性的，其中主控制系统为集成了单片机的PCB板；卫星通讯模块采用“北斗”L频段短报文通信终端，可以实现浮标到岸基站间每分钟77字节(byte)的数据通信任务；电源模块采用大容量锂电池搭配电源分配系统，并通过局部睡眠模式来延长电池使用寿命；三个计时器都是外设晶振，可以获得更高的时间精确度，其中第一计时器用于控制主程序的时间间隔、卫星通讯模块的数据发送时间间隔，第二计时器用于控制外设模块的休眠和苏醒时间，第三计时器用于控制主控制系统与子控制系统之间信息收发的同步，为每类任务设置不同的定时器可以避免时间干扰；浮标主体1中的主波浪传感器跟随浮标主体1一起运动，从而获得浮标主体1所代表的阵列中心点的波浪有效波高、平均波周期和波向；蓝牙通讯模块采用zigbee协议，浮标主体1中的zigbee模块为协调器，相对应的子模块中的zigbee通讯模块同时作为路由器和终端设备。

[0028] 示例性的，如图6所示，碳基柔性传感器8分为上下双层结构，每层结构从上到下依次为碳纳米管材料层12、聚二甲基硅氧烷层15复合而成；上下双层结构的外部包覆热塑性聚氨酯层13、从碳纳米管材料层12上的引线14引出包覆热塑性聚氨酯层13，接到AISC外设模块，AISC芯片也集成于主控制系统PCB板上并与控制器芯片相连以实现数据交换，单个碳基柔性传感器8总共是由四根引线14引出，实际上获得的是上下两片传感器各自的电信号转变，然后再进行差分运算，分析差分结果与角度之间的函数关系，据此可以计算对应的摆动角度；又一示例性的，如图6所示，碳基柔性传感器8采用碳纳米管作为敏感材料，采用上下对称结构以便于进行上下差分采集电信号，提高精确度；每个碳基柔性传感器8都单独搭配一个AISC芯片，这样可以避免同时刻多个传感器数据冲突；碳基柔性传感器8分为上下两片，需要注意的是碳基柔性传感器8的中间面是穿过转动关节9中间轴的，每个单片传感器由两根线引出，总共四根引线14，一并接入一个AISC芯片，传感器电信号与角度之间的数据由AISC芯片中的程序进行处理，最终将角度数据输入主控制系统的控制器MCU中。

[0029] 碳基柔性传感器8的基底层使用PDMS（聚二甲基硅氧烷）；基底层上铺双层的碳纳米管材料层12，两端连接，同时引出引线14；双层的碳纳米管材料层12之间使用PDMS（聚二甲基硅氧烷层15）进行绝缘；外侧使用TPU（热塑性聚氨酯层13）进行封装。

[0030] 实施例2，如图7所示，作为本发明的另一种实施方式，本发明实施例提供的用于波浪方向谱数据采集的方法包括：S1，利用多个子控制系统的多个子波浪传感器对多个子浮标5随着波浪上下浮动的波浪有效波高、平均波周期进行采集，利用主控制系统的主波浪传感器对浮标主体1随着波浪上下浮动的波浪有效波高、平均波周期进行采集；利用每个碳基柔性传感器8对转动关节9随着波浪上下浮动的摆动角度进行采集；通过摆动角度数据的收集分析获得波浪周期信息和波向信息，子波浪传感器和主波浪传感器通过摆动角度的采集实现波周期观测，并对精度进行修正；
S2，主控制系统的控制器MCU采用码分多址技术，对采集的信息进行编码以区分，利用主控选择技术通过主控制系统发送控制信号选择附属机进行数据接收，每个附属机数据传递接收完成后切换到下一个附属机，有序接收一批次各节点所采集的数据；
S3，对获取的信息整合完成后按时刻进行存储，最终获得数据结构为（T,C）两个维度的数据，T是总共的时刻数，C是每个时刻的数据个数，通过通讯信号发送到岸基上。

[0031] 示例性的，在步骤S1中，浮标主体1中为主控制系统，子浮标5中为子控制系统，主控制系统与子控制系统通过蓝牙通讯模块进行数据交流；当采集信息时，由主控制系统发送采集指令给各子控制系统，子控制系统采集信息后发送给主控制系统；主控制系统同时控制采集各转动关节9处的碳基柔性传感器8的电信号，计算各碳基柔性传感器8的角度；主控制系统负责整合各子控制系统的数据以及碳基柔性传感器8数据，统一由浮标主体1中的卫星通讯模块进行收发。

[0032] 示例性的，在步骤S1中，在指定海域将阵列式漂流浮标部署在指定海域；浮标主体1随着波浪上下摆动；子浮标5也随着波浪上下浮动；摆臂4与凸耳3之间为铰接，可以相互转动，但转动范围有限制，凸耳3端部具有限位结构，摆臂4旋转到一定范围会被限制住。

[0033] 在转动关节9处设有碳基柔性传感器8，碳基柔性传感器8弯曲变形后电阻会发生变化，从而将应变信息转化为电信号，由AISC芯片解析获得摆臂4的旋转角度信息。AISC芯片首先应该设计为拥有一定的缓存的能力，因为边缘设备MCU一般同一时刻只能处理单一接口的数据输入，所以AISC在将角度信息输出给主控制系统的控制器MCU之前应该具有一定时间的数据存储能力。从碳基柔性传感器8电信号输入到角度的解析方法具有两种方式：两者的前提都是先获得大量<传感器电信号,角度>数据对，为了获取该数据，可以先让AISC的程序直接输出电信号数据，将实验用的碳基柔性传感器8与摆臂4接入显示设备（计算机）然后确定好角度范围，将摆臂4旋转到指定的角度，记录对应的电信号数据，就可以获得<传感器电信号,角度>，一般传感器很难获得非常完美的线性度，因此可以采用二次或三次多项式函数对这些数据进行拟合，然后将多项式编入ASIC处理代码；改进方式：采用多段二次多项式进行拟合，比如：角度区间为（‑60 60°），分析发现在‑60 ‑20°这个区间可以用多项~ ~
式 进行拟合，而在‑20°20°之间可以用二次多项式 进行拟合，而在区间20°
~ ~
60°之间可以使用 进行拟合，在整个区间上使用了3段多项式进行拟合，而非单一多项式进行拟合，可以有效进一步增加拟合精度。

[0034] AISC芯片便可以通过多项式将碳基柔性传感器8电信号转换成角度；另一种方式则是采用两层神经网络，因为神经网络中每一层都拥有激活函数来增加整个神经网络的非线性，因此采用神经网络模型进行拟合效果会更好，但计算速度会比数值方式稍慢，但两层神经网络结构比较简单，因此推理速度也比较快，模型训练则依旧使用<传感器电信号,角度>数据，并且可以通过线性插值来获得大量中间数据；实验获得数据为角度数值列表AngleList和对应的电信号数据列表SignalList，依据此数据先进行拟合，获得以下线性方程：；
式中，代表线性关系，把SignalList带入，也就是 ，表示的是角度列表（数列），可以计算出对应的角度值，即 此时求计算的角度和实际角度的均方根误差RMSE：
；
式中，表示根据线性方程计算的角度，则表示物理实验实际测量的角度值，而
表示角度列表中的第几个角度，也就是index的缩写。

[0035] 然后选择某个数值 从而计算插值角度，这里 表示的是物理实验未实际测量出的电信号，求的插值后的角度 为：；
式中，表示的是查之后的角度，为取的某个电信号值， 表示
根据正态分布取随机数，而且该正态分布是服从均值为0，标准差为 的正态分布。这样获得的数据对 就可以作为新的数据补充到训练数据中去，用于神经网络的训练。

[0036] 再进行多轮次训练防止过拟合，再将神经网络部署到ASIC芯片中用于进行碳基柔性传感器8电信号和角度值之间的转换。

[0037] 示例性的，在步骤S2中，关于主控制系统整合各子控制系统数据及碳基柔性传感器8数据的方式，其中最大的问题就是各个节点采集完数据后如果同时发送给主控制系统的控制器MCU,MCU无法及时接收的话数据就会丢失，所以首先每个碳基柔性传感器8都单独搭配一个AISC芯片，AISC芯片和子控制系统都具有缓存机制用来存储各类传感器获得的数据；MCU会采用码分多址技术，对各个碳基柔性传感器8和子控制系统进行编码以区分；编码就是通过编码来进行区分，比如有8个子控制系统，使用3位二进制对其进行编码，分别为000，001，010，011，100，101，110，111分别代表8个子控制系统，在MCU中，可以通过软件编程来实现编码。为每个子系统创建一个唯一的标识符（ID），并在发送和接收数据时使用这个ID。），然后通过主控选择技术（每个子控系统有了编码后，在MCU的控制程序中可以通过在循环程序中识别当前是哪个ID，从而确定信号的收发口，该收发口和对应ID的子控系统相连，而控制命令信号也只从该收发口传递，从而实现选择性地进行命令数据交流）通过主控制系统发送控制信号选择特定的附属机进行数据接收，每个附属机数据传递接收完成后迅速切换到下一个附属机，从而有序接收一批次各节点所采集的数据，这个时间对于数据采集间隔时间尺度是非常小的，因此对于数据采集不会造成影响，因为到下一次触发数据采集指令时数据采集整合早已经完成了。

[0038] 示例性的，在步骤S3中，采集的数据按时刻进行存储，即一个时刻的数据为九个节点和八个碳基柔性传感器8的数据，最终数据结构应该是（T,C）两个维度的数据，T是总共的时刻数，C是每个时刻的数据个数，假如波浪传感器会获得有效波高swh和平均波周期mwp两个数据，C的大小：；
式中， 为主波浪传感器数量， 为子波浪传感器数量， 为碳基柔性传感器数
量；
这26个数据依序排开，次序不可交换，可以按照向量存储于主控系统的存储单元中，并通过卫星通讯设备发送到岸基上。

[0039] 将该发明的样机放入人造波浪池中，定向制造波浪，收集该样机的实验数据，从而评估该样机的表现，实验观察到主体浮标和子浮标5中的波浪传感器分别可以独立工作，实现波浪的有效波高、平均波周期、波浪方向的获取，这些数据可以形成阵列式数据并进行展示；如图8的实验池阵列浮标各阵列点实验有效波高数据，通过实验还获取了其对应的关节角度数据；通过图9的角度阵列点分布图，获得一个子浮标5的角度变化情况；通过图10浮标角度‑时间变化情况，分析出波浪的周期，当前实验已充分说明该发明的实用价值，以及其获取数据的巨大作用。

[0040] 以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。