CN108362269B - 一种基于航标体的波浪测量***及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于航标体的波浪测量***及测量方法，测量***包括漂浮在海面的航标体，航标体内设有机箱及通过水平固定板固定的三轴磁力传感器；航标体的筒外底面的周边均布设置有四个筒装测量模块，模块筒的轴线与航标体的筒体轴线平行；各测量模块中均分别包括一个三轴加速度传感器、一个三轴角速度传感器、一个压力传感器；机箱中设有通讯模块、控制模块、运算模块、存贮模块、GPS模块、电源模块；测量方法是测出航标体自身在波浪作用下的动态数据和航标体吃水深度的变化动态数据，测准这两部分数据后并将其同步相结合，以获得波浪真实运行状况动态数据。能克服浮标波浪仪因运动规律与海浪不一致造成的测量困难，测量更准确。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域，涉及一种基于航标体的波浪测量***及测量方法。
背景技术
近几十年来，人类对海洋的开发和利用日益增多，因此，对海洋环境的监测也显得异常重要。在海洋环境众多监测参数中，海浪相关参数是极其重要的，它对海上的交通安全、生产作业安全等方面，起到了重要的安全指导作用。
目前，波浪测量仪器有好几个种类，浮标波浪仪是其中较为常见的一种波浪测量仪器，其测量原理如下：在一个随波性好的航标体的质心位置，固定安装一个多自由度传感器(包括一个三轴加速度传感器，一个三轴角速度传感器，一个三轴磁力计)和一个中央处理器，中央处理器同步采集所有传感器的数据，然后将三轴加速度传感器和三轴角速度传感器的数据合成提取出航标体的垂直运动轨迹，通过垂直运动轨迹就能提取出海浪的波高和周期数据。中央处理器再将三轴加速度传感器，三轴角速度传感器和三轴磁力计的数据合成提取出航标体的运动姿态，通过运动姿态就能提取出海浪的波向数据。
采用现有的浮标波浪测量***虽然可以使用，但还存在以下不足：该方法只能在随波性好的航标体上才能较准确地提取海浪的波高、周期和波向数据，在随波性差的航标体(如航标体)上运用，则提取的海浪波高、周期和波向数据偏差较大，甚至无法使用。因此，现有的浮标波浪测量***的使用效果还不够理想。并且，专业的波浪浮标价格昂贵，其很大一部分原因在于浮标壳体的成本较高，因此较高的价格就妨碍了其普及应用。而海面上现成的航标较多，如果能充分利用航标载体，则可以达到以较低的价格普及波浪的观测。但是，航标的首要任务是为了给航行的船舶提供指示，因此通常要求其稳定性较好，这一点与波浪测量需要载体具有较好的随波性是矛盾的。如何解决这一问题，实现在随波性较差的航标上观测海浪，具有重要的意义和应用前景。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于航标体的波浪测量***及测量方法，能克服现有的浮标波浪测量***因航标体的运动规律与海浪的运动规律不一致造成的测量困难，使测量数据更准确。
本发明为达到上述技术目的所采用的技术方案是：
一种基于航标体的波浪测量方法，所述的测量方法采用一波浪测量***，所述波浪测量***包括：
漂浮设置在海面上的密封圆筒形的航标体，所述航标体的筒腔内设有机箱及通过水平固定板固定连接的三轴磁力传感器；所述航标体的筒外底面的周边均布设置有四个通过细圆筒体封装的测量模块，所述细圆筒体的轴线与航标体的筒体轴线平行；各所述测量模块中均分别包括一个三轴加速度传感器、一个三轴角速度传感器、一个压力传感器；所述圆筒体的顶面设有通讯天线及GPS天线；所述机箱中设有通讯模块、控制模块、运算模块、存贮模块、GPS模块、电源模块；四个测量模块、三轴磁力传感器、GPS模块、运算模块、通讯模块、存贮模块九者的对应信号输出端分别与控制模块的对应信号输入端连接；控制模块的对应信号输出端分别与四个测量模块、三轴磁力传感器、运算模块、通讯模块、存贮模块八者的对应信号输入端连接；电源模块的对应输出端分别与控制模块、四个测量模块、三轴磁力传感器、GPS模块、运算模块、通讯模块、存贮模块十者的对应电源输入端连接；通讯天线通过馈线与通讯模块的对应天线端连接；GPS天线通过馈线与GPS模块的对应天线端连接；在海面平静的状态下，航标体漂浮设置在海面上时通过配重及重心的调整设置为轴线与海面垂直且水平固定板与海面齐平；
所述测量方法包括，所述的三轴加速度传感器和三轴角速度传感器输出对应处的细圆筒体封装的测量模块本体的上下起伏运动状态的时间序列数据信号；所述的压力传感器输出对应处的细圆筒体封装的测量模块本体的吃水深度的时间序列数据信号；所述的三轴磁力传感器输出航标体的朝向的时间序列数据信号；控制模块控制各时间序列数据信号在时间上的同步；对应的测量模块将其本体的上下起伏运动状态的时间序列数据信号与本体的吃水深度的时间序列数据信号矢量合成后，即为该测量模块本体处的波浪的真实运动的时间序列数据信号，四个测量模块取得的时间序列数据信号合成处理后即为航标体测量处的波浪的真实运动的时间序列数据信号，运算模块再根据波浪观测规范中的数据处理方法从航标体测量处的波浪的真实运动的时间序列数据信号中就可提取海浪的波高、周期值；再结合三轴磁力传感器输出的航标体的朝向的时间序列数据信号就可提取出波向值；所述的GPS模块将航标体的经纬度信号输出至控制模块，并提供基准时间信号作为***校时之用，实现测量。
进一步的，所述的四个通过细圆筒体封装的测量模块包括甲测量模块、乙测量模块、丙测量模块、丁测量模块；所述的甲测量模块包括甲三轴加速度传感器、甲三轴角速度传感器、甲压力传感器；所述的乙测量模块包括乙三轴加速度传感器、乙三轴角速度传感器、乙压力传感器；所述的丙测量模块包括丙三轴加速度传感器、丙三轴角速度传感器、丙压力传感器；所述的丁测量模块包括丁三轴加速度传感器、丁三轴角速度传感器、丁压力传感器。
本发明的有益效果是：由于采用以上结构特点的测量***并采用以上的测量方法。因此，本发明能克服浮标波浪仪因航标体的运动规律与海浪的运动规律不一致造成的测量困难，测量数据更准确，使用效果更理想。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。其中：
图1是本发明中的航标体部分的示意图；
图2是本发明的框图。
附图中的标记编号说明如下：甲测量模块1、甲三轴加速度传感器101、甲三轴角速度传感器102、甲压力传感器103、乙测量模块2、乙三轴加速度传感器201、乙三轴角速度传感器202、乙压力传感器203、丙测量模块3、丙三轴加速度传感器301、丙三轴角速度传感器302、丙压力传感器303、丁测量模块4、丁三轴加速度传感器401、丁三轴角速度传感器402、丁压力传感器403、三轴磁力传感器5、通讯模块6、控制模块7、运算模块8、存贮模块9、GPS模块10、电源模块11、机箱12、航标体13、水平固定板14、通讯天线15、GPS天线16。
具体实施方式
本发明的实施例，如图1、图2所示，一种基于航标体的波浪测量***及测量方法，所述的测量***包括漂浮设置在海面上的密封圆筒形的航标体13，航标体13的筒腔内设有机箱12及通过水平固定板14固定连接的三轴磁力传感器5；航标体13的筒外底面的周边均布设置有四个通过细圆筒体封装的测量模块，细圆筒体的轴线与航标体13的筒体轴线平行；各测量模块中均分别包括一个三轴加速度传感器、一个三轴角速度传感器、一个压力传感器；圆筒体的顶面设有通讯天线15及GPS天线16；机箱12中设有通讯模块6、控制模块7、运算模块8、存贮模块9、GPS模块10、电源模块11；四个测量模块、三轴磁力传感器5、GPS模块10、运算模块8、通讯模块6、存贮模块9九者的对应信号输出端分别与控制模块7的对应信号输入端连接；控制模块7的对应信号输出端分别与四个测量模块、三轴磁力传感器5、运算模块8、通讯模块6、存贮模块9八者的对应信号输入端连接；电源模块11的对应输出端分别与控制模块7、四个测量模块、三轴磁力传感器5、GPS模块10、运算模块8、通讯模块6、存贮模块9十者的对应电源输入端连接；通讯天线15通过馈线与通讯模块6的对应天线端连接；GPS天线16通过馈线与GPS模块10的对应天线端连接；在海面平静的状态下，航标体13漂浮设置在海面上时通过配重及重心的调整设置为轴线与海面垂直且水平固定板14与海面齐平。
所述的四个通过细圆筒体封装的测量模块包括甲测量模块1、乙测量模块2、丙测量模块3、丁测量模块4；所述的甲测量模块1包括甲三轴加速度传感器101、甲三轴角速度传感器102、甲压力传感器103；所述的乙测量模块2包括乙三轴加速度传感器201、乙三轴角速度传感器202、乙压力传感器203；所述的丙测量模块3包括丙三轴加速度传感器301、丙三轴角速度传感器302、丙压力传感器303；所述的丁测量模块4包括丁三轴加速度传感器401、丁三轴角速度传感器402、丁压力传感器403。
所述的测量方法是采用所述的测量***，测量步骤是：所述的三轴加速度传感器和三轴角速度传感器输出对应处的细圆筒体封装的测量模块本体的上下起伏运动状态的时间序列数据信号；所述的压力传感器输出对应处的细圆筒体封装的测量模块本体的吃水深度的时间序列数据信号；所述的三轴磁力传感器5输出航标体13的朝向的时间序列数据信号；控制模块7控制各时间序列数据信号在时间上的同步；对应的测量模块将其本体的上下起伏运动状态的时间序列数据信号与本体的吃水深度的时间序列数据信号矢量合成后，即为该测量模块本体处的波浪的真实运动的时间序列数据信号，四个测量模块取得的时间序列数据信号合成处理后即为航标体13测量处的波浪的真实运动的时间序列数据信号，运算模块8再根据波浪观测规范中的数据处理方法从航标体13测量处的波浪的真实运动的时间序列数据信号中就可提取海浪的波高、周期值；再结合三轴磁力传感器5输出的航标体13的朝向的时间序列数据信号就可提取出波向值；所述的GPS模块10将航标体13的经纬度信号输出至控制模块7，并提供基准时间信号作为***校时之用，这样就可实现测量。
对本发明的进一步说明：
数据处理流程分为两个步骤：
(1)单点处理
加速度计原理的波浪测量设备通过测准载体在波浪作用下的运动位移来获取波浪的信息。这一做法的前提条件是载体具有良好的随波性能，但是，并非任何一种载体都具有这样的性能，随波性越差，测量结果也越差。
无论载体的随波性能如何，我们都可以将其运动分解为载体自身在波浪作用下的运动和载体吃水深度两部分组成，测准这两部分数据，并将其相结合，就可以获得波浪的真实运行状况。以每一个点位为例，对应处的三轴加速度传感器输出的信号与三轴角速度传感器输出的信号通过二次积分可以获得这个点位的运动状况，对应处的压力传感器则可以测得每一时刻的吃水深度，只要两个测量是严格意义上的时间同步，那么这两部分结果可以合成为波浪的真实运动的时间序列数据。再根据波浪规范中关于计算波高和波周期的特征值的标准方法，可以得到波高和波周期数据。
GPS模块10负责测量载体所处的经纬度，并提供标准时间进行校时。通讯模块6中包括若干个RS-232串口，负责数据传输，可连接各种标准RS-232串口的通讯设备。控制模块7则负责控制运行整个工作流程。
其余三个点的处理方式均相同。
经过这一步处理，可以得到波浪真实的波高和周期。
(2)多点处理
载体随波性差不仅仅表现在随波高的变化性能差，还可能存在随波浪方向的变化性能差。在这种情况下，仅仅通过一个点位的倾角测量是不足以测准波浪方向的。通过四个点位的测量，达到阵列式测量的效果，再使用经典的阵列式波浪方向和方向谱数据处理算法并结合三轴磁力传感器5测得的载体的朝向才能获得真实的波浪方向以及方向谱。
本发明的先进性在于如下两点：
(1)采用了三轴加速度传感器与三轴角速度传感器与压力传感器相结合的新颖方式，通过压力传感器的测量数据进行修正，使得测量结果与航标体13的随波性不存在关系，解决了航标体13随波性差时仍可以准确测量海浪波高和周期的问题。
(2)采用四组三轴加速度传感器与三轴角速度传感器与压力传感器相结合的方式，不仅可以有效地解决航标体13随波高性能差的问题，还可以解决航标体13随波浪方向性能差的问题，真正实现波高和波向均能准确测量的目标。
将本发明推广应用时，可以大量使用现有的航标体13，实现良好的波浪观测能力，为保障航行安全，可为重点港口和重点航线的航行安全提供保障。
Claims (2)
1.一种基于航标体的波浪测量方法，其特征在于,所述的测量方法采用一波浪测量***，所述波浪测量***包括：
漂浮设置在海面上的密封圆筒形的航标体，所述航标体的筒腔内设有机箱及通过水平固定板固定连接的三轴磁力传感器；所述航标体的筒外底面的周边均布设置有四个通过细圆筒体封装的测量模块，所述细圆筒体的轴线与航标体的筒体轴线平行；各所述测量模块中均分别包括一个三轴加速度传感器、一个三轴角速度传感器、一个压力传感器；所述圆筒体的顶面设有通讯天线及GPS天线；所述机箱中设有通讯模块、控制模块、运算模块、存贮模块、GPS模块、电源模块；四个测量模块、三轴磁力传感器、GPS模块、运算模块、通讯模块、存贮模块九者的对应信号输出端分别与控制模块的对应信号输入端连接；控制模块的对应信号输出端分别与四个测量模块、三轴磁力传感器、运算模块、通讯模块、存贮模块八者的对应信号输入端连接；电源模块的对应输出端分别与控制模块、四个测量模块、三轴磁力传感器、GPS模块、运算模块、通讯模块、存贮模块十者的对应电源输入端连接；通讯天线通过馈线与通讯模块的对应天线端连接；GPS天线通过馈线与GPS模块的对应天线端连接；在海面平静的状态下，航标体漂浮设置在海面上时通过配重及重心的调整设置为轴线与海面垂直且水平固定板与海面齐平；
所述测量方法包括，所述的三轴加速度传感器和三轴角速度传感器输出对应处的细圆筒体封装的测量模块本体的上下起伏运动状态的时间序列数据信号；所述的压力传感器输出对应处的细圆筒体封装的测量模块本体的吃水深度的时间序列数据信号；所述的三轴磁力传感器输出航标体的朝向的时间序列数据信号；控制模块控制各时间序列数据信号在时间上的同步；对应的测量模块将其本体的上下起伏运动状态的时间序列数据信号与本体的吃水深度的时间序列数据信号矢量合成后，即为该测量模块本体处的波浪的真实运动的时间序列数据信号，四个测量模块取得的时间序列数据信号合成处理后即为航标体测量处的波浪的真实运动的时间序列数据信号，运算模块再根据波浪观测规范中的数据处理方法从航标体测量处的波浪的真实运动的时间序列数据信号中就可提取海浪的波高、周期值；再结合三轴磁力传感器输出的航标体的朝向的时间序列数据信号就可提取出波向值；所述的GPS模块将航标体的经纬度信号输出至控制模块，并提供基准时间信号作为***校时之用，实现测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于航标体的波浪测量方法，其特征在于：所述的四个通过细圆筒体封装的测量模块包括甲测量模块、乙测量模块、丙测量模块、丁测量模块；所述的甲测量模块包括甲三轴加速度传感器、甲三轴角速度传感器、甲压力传感器；所述的乙测量模块包括乙三轴加速度传感器、乙三轴角速度传感器、乙压力传感器；所述的丙测量模块包括丙三轴加速度传感器、丙三轴角速度传感器、丙压力传感器；所述的丁测量模块包括丁三轴加速度传感器、丁三轴角速度传感器、丁压力传感器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 361006 room 3d2-1, No. 46, Huli Avenue, Huli District, Xiamen City, Fujian Province Applicant after: Xiamen Yinghuan marine instrument Co.,Ltd. Address before: 361006 room 3d2-1, No. 46, Huli Avenue, Huli District, Xiamen City, Fujian Province Applicant before: XIAMEN YINGHUAN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Unit 401, No. 1728 Gangzhong Road, Xiamen Area, China (Fujian) Pilot Free Trade Zone, Xiamen City, Fujian Province, 361006 Applicant after: Xiamen Yinghuan marine instrument Co.,Ltd. Address before: 361006 room 3d2-1, No. 46, Huli Avenue, Huli District, Xiamen City, Fujian Province Applicant before: Xiamen Yinghuan marine instrument Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |