CN103630123B - 一种波浪传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种波浪传感器，其技术特点是：电子罗盘、波浪特征处理器，所述的捷联姿态***分别与电子罗盘和波浪特征处理器相连接，该捷联姿态***用于测量载体的加速度、姿态和方位信息；所述的电子罗盘用于校正捷联姿态***的姿态和方位信息；所述的波浪特征处理器用于处理计算波浪特征值。发明将陀螺仪、加速度计、电子罗盘和处理器有机地结合在一起，能够有效地消除载体倾斜、摇动、旋转带来的不利影响，利用电子罗盘校正由于陀螺仪漂移引起的误差，这种软硬件结合的方式不仅提高了姿态角和方位角精度，而且提高了波浪特征值的计算精度，还能够提高波浪传感器的稳定性能，尤其在动态环境中，整体性能得到极大的提高，具有很好的鲁棒性。

Description

一种波浪传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其是一种波浪传感器。
背景技术
在海洋领域，波浪观测主要使用表面测量仪器和水下测量仪器。表面测量仪器一般以浮标、海洋平台或船舶作为载体，波浪传感器是测量波浪特征值的核心设备。利用波浪传感器可以测得波高的各种特征值和对应的波周期外，还可以测得载体随波面纵摇、横摇和方位三组参数，通过计算处理得到波浪的传播方向。波浪传感器固定在载体上，是载体的重要测量单元。目前，比较流行的波浪传感器采用三轴电子罗盘与三轴加速度计构成一个独立***，由于电子罗盘测量误差受诸多因素的影响，尤其是方位精度影响最大、最难控制的是磁罗差；加速度计在载体姿态超过±60°时，输出会有很大的误差。因此，根据加速度计所测的重力加速度而计算出的姿态角的精度也会明显下降。这种波浪传感器由于受到风、波浪、水流的作用，会出现升沉运动、左右摇摆、前后倾斜，甚至还会出现旋转、震动等运动，这大大影响了波浪传感器测量波浪特征值的准确度和精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、精度高且性能稳定的波浪传感器。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种波浪传感器，包括捷联姿态***、电子罗盘、波浪特征处理器，所述的捷联姿态***分别与电子罗盘和波浪特征处理器相连接，该捷联姿态***用于测量载体的加速度、姿态和方位信息；所述的电子罗盘用于校正捷联姿态***的姿态和方位信息；所述的波浪特征处理器用于处理计算波浪特征值。
而且，所述的捷联姿态***包括三个用于测量载体角速率的陀螺仪、三个用于测量载体加速度的加速度计、A/D转换模块和用于解算载体的波高、姿态及 方位信息的姿态解算处理器，三个陀螺仪、三个加速度计通过A/D转换模块与姿态解算处理器相连接。
而且，所述的捷联姿态***还包括安装在陀螺仪和加速度计附近的温度补偿器，该温度补偿器通过A/D转换模块与姿态解算处理器相连接。
而且，所述的三个陀螺和三个加速度计均选用微机械仪表，并将它们相对载体坐标系正交安装。
而且，所述的电子罗盘选用磁通门式电子罗盘。
而且，所述的波浪特征值包括最大波高、平均波高、有效波高和十分之一大波波高及对应的周期值、最大波周期、平均周期、有效波周期和十分之一大波周期及按16个方位角划分的波向出现频率。
本发明的优点和积极效果是：
本发明将陀螺仪、加速度计、电子罗盘和处理器有机地结合在一起，能够有效地消除载体倾斜、摇动、旋转带来的不利影响，利用电子罗盘校正由于陀螺仪漂移引起的误差，这种软硬件结合的方式不仅提高了姿态角和方位角精度，而且提高了波浪特征值的计算精度，还能够提高波浪传感器的稳定性能，尤其在动态环境中，整体性能得到极大的提高，具有很好的鲁棒性。
附图说明
图1是本发明的波浪传感器组成原理图；
图2是加速度计、陀螺仪、A/D转换模块及姿态结算处理器的原理框图；
图3是姿态解算处理器计算测量姿态角的原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
一种波浪传感器，如图1所示，包括捷联姿态***、电子罗盘、波浪特征处理器，所述的捷联姿态***分别与电子罗盘和波浪特征处理器相连接，该捷联姿态***用于测量载体的加速度、姿态和方位信息；电子罗盘用于校正捷联姿态***的姿态和方位信息；波浪特征处理器用于处理计算波浪特征值。下面对各个部分分别进行说明：
捷联姿态***包括三个陀螺仪、三个加速度计、温度补偿器、A/D转换模块 和姿态解算处理器，三个陀螺仪、三个加速度计、温度补偿器通过A/D转换模块与姿态解算处理器相连接，在本实施例中，三个陀螺和三个加速度计均选用微机械仪表，将它们相对载体坐标系正交安装，温度补偿器固定在陀螺仪和加速度计附近。其中，三个加速度计用于测量载体的加速度，加速度计可以跟踪陀螺仪的偏差；三个陀螺仪用于测量角速率，配合角加速度计测量载体角度；温度补偿器用于做温度补偿。姿态解算处理器用于解算载体的波高、姿态和方位信息及滤波，利用四元数方法实时计算出姿态矩阵，通过姿态矩阵把加速度计测量的载体坐标系的轴向加速度信息变换到地理坐标系，同时解算出载体的姿态和方位信息。
电子罗盘选用磁通门式电子罗盘，用于校正陀螺仪由于长时间漂移造成的误差，利用电子罗盘提供的姿态、方位信息与捷联姿态***相比较，作为角度误差的观测量，经过滤波估计姿态角、方位角误差，利用它对捷联姿态***进行校正，从而以提高姿态角和方位角的解算精度。
波浪特征处理器可以利用姿态解算的方向余弦阵计算载体坐标系三个轴上的角速度分量与加速度分量，减去由于倾斜带来重力分量的影响，最终得到准确的波浪特征值。该波浪特征值包括最大波高、平均波高、有效波高和十分之一大波波高及对应的周期值，最大波周期、平均周期、有效波周期和十分之一大波周期，以及按16个方位角划分的波向出现频率。
本波浪传感器的工作原理为：如图2所示，三个陀螺仪与三个加速度计相对载体坐标系固连，对各传感器进行调偏（或调零）和标度，并将陀螺、加速度计的标定系数读入，再由A/D转换模块（16位A/D）分别对三个陀螺、三个加速度计和温度补偿器进行采样，将采样结果送入姿态解算处理器进行解算。如图3所示，姿态解算处理器对角速度信号和加速度信号分别进行积分与低通滤波并进行误差补偿得到稳定角度。另外，电子罗盘将电子罗盘姿态角和方位角分配给捷联姿态***，以确定初始姿态矩阵和四元数初值，完成初始粗对准，然后利用四元数方法实时计算出姿态矩阵，通过姿态矩阵把加速度计测量的载体坐标系的轴向加速度信息变换到地理坐标系。利用电子罗盘提供的三维姿态角与捷联姿态***提供的姿态角比较，经过Kalman滤波估计出姿态角误差。再 利用电子罗盘对捷联姿态***进行校正，在姿态解算处理器中进行误差补偿和滤波处理，即可实时计算出载体的姿态、方位与加速度信息。
根据捷联解算得出载体坐标系和地理坐标系之间的方向余弦矩阵，通过这个方向余弦矩阵的姿态信息和载体方位便可以将加速度计的输出变为载体沿地理坐标系的加速度分量，利用一般的计算加速度的公式，从解算出的加速度值减去由于倾斜带来重力分量的影响，对有害的加速度进行补偿，最终得到准确的波浪加速度值。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种波浪传感器，其特征在于：包括捷联姿态***、电子罗盘、波浪特征处理器，所述的捷联姿态***分别与电子罗盘和波浪特征处理器相连接，该捷联姿态***用于测量载体的加速度、姿态和方位信息；所述的电子罗盘用于校正捷联姿态***的姿态和方位信息；所述的波浪特征处理器用于处理计算波浪特征值；
所述的捷联姿态***包括三个用于测量载体角速率的陀螺仪、三个用于测量载体加速度的加速度计、A/D转换模块和用于解算载体的波高、姿态及方位信息的姿态解算处理器，三个陀螺仪、三个加速度计通过A/D转换模块与姿态解算处理器相连接；
所述的捷联姿态***还包括安装在陀螺仪和加速度计附近的温度补偿器，该温度补偿器通过A/D转换模块与姿态解算处理器相连接。
2.根据权利要求1所述的一种波浪传感器，其特征在于：所述的三个陀螺和三个加速度计均选用微机械仪表，并将它们相对载体坐标系正交安装。
3.根据权利要求1所述的一种波浪传感器，其特征在于：所述的电子罗盘选用磁通门式电子罗盘。
4.根据权利要求1所述的一种波浪传感器，其特征在于：所述的波浪特征值包括最大波高、平均波高、有效波高和十分之一大波波高及对应的周期值、最大波周期、平均周期、有效波周期和十分之一大波周期及按16个方位角划分的波向出现频率。
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