CN204881621U - 一种带姿态修正及波流分离的坐底式声学多普勒波浪仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带姿态修正及波流分离的坐底式声学多普勒波浪仪，由水下测量***和路上主机构成，所述水下测量***通过小型铠装电缆与陆上上主机实现通讯；所述水下测量***包括数据采集和处理***、收发电路、姿态传感器、声学收发换能器阵和电子罗盘，所述收发电路、姿态传感器和电子罗盘均连接数据采集和处理***，所述收发电路连接声学收发换能器阵，本实用新型在不改变原有声学多普勒波浪仪的***结构基础上，在波浪处理部分中添加了姿态修正程序及波流分离程序，实现简单且成本低廉，本实用新型保证仪器倾斜及背景流存在条件下波浪估计的准确性，提升了声学多普勒波浪仪的波浪估计性能。

Description

一种带姿态修正及波流分离的坐底式声学多普勒波浪仪

技术领域

本实用新型涉声学多普勒波浪仪领域，具体是一种带姿态修正及波流分离的坐底式声学多普勒波浪仪。

背景技术

坐底式声学多普勒波浪仪广泛应用在近海的表面波浪测量中，可以测量表面波浪的波高、波周期、波向，是在传统声学多普勒流速剖面仪基础上增加了波浪采集和处理部分实现的，采用坐底式测量方式对于表面波浪场不产生任何干扰，测量精度高，***可长时间稳定地、可靠地提供海洋波浪信息。

声学多普勒波浪仪的基本原理：采用四个波束的声学多普勒收发换能器，中央有一个垂直方向波束，其余三个倾斜波束与垂直方向夹角30度，在水平面的投影夹角为120度。其中中央波束垂直向上可以实时跟踪波浪表面的起伏变化，可测量波高变化，根据波高值的变化采用过零检测方法可测量波周期；从某一方向上到来的波浪，到达不同波束上的测点时间不同，利用不同波束测量得到的波浪到达时间差可以进行波向测量，通常利用接近水面位置处的波束方向上速度测点组成阵列进行波向估计。

坐底式声学多普勒波浪仪通常利用接近水面处的速度测点组成阵列进行波浪估计，波浪仪布放在水下平衡支架上，采用重力平衡的方式在一般条件下波浪仪的倾斜很小，但当波浪仪附近存在强流或者地壳出现运动时，波浪仪出现明显倾斜，用来计算波浪的各测点位置发生偏移，此时波浪计算会出现误差。

坐底式声学多普勒波浪仪通常利用接近水面位置处的速度测点组成阵列进行波浪估计，接近水面位置处的速度值包括了波生流（波浪起伏带来的海水流动），背景流，噪声流。其中背景流是主要的影响因素，背景流存在会影响所测量波浪的波长。

现有声学多普勒波浪仪在姿态平稳及背景流较弱时波浪测量准确，但在姿态倾斜较大及背景流较强时，会产生较大的波浪估计误差，影响波浪测量精度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种带姿态修正及波流分离的坐底式声学多普勒波浪仪，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种带姿态修正及波流分离的坐底式声学多普勒波浪仪，由水下测量***和路上主机构成，所述水下测量***通过通讯模块与路上主机相连接；所述水下测量***包括数据采集和处理***、收发电路、姿态传感器、声学收发换能器阵和电子罗盘，所述收发电路、姿态传感器和电子罗盘均连接数据采集和处理***，所述收发电路连接声学收发换能器阵。

作为本实用新型进一步的方案：所述声学收发换能器阵由四个收发合置的声学多普勒换能器组成，且声学收发换能器阵的中央设有一个垂直方向上的波束，中央垂直波束用于实时跟踪波浪波高的变化，进而通过过零检测法得到波周期，其余三个倾斜波束用于进行分层海流测量及波浪的平均波向测量。

作为本实用新型再进一步的方案：所述路上主机包括实时数据显示模块、历史数据查询模块、历史曲线显示模块、波浪计算模块；所述波浪计算模块中设有姿态修正计算模块和波流分离计算模块。

作为本实用新型再进一步的方案：所述水下测量***和陆上处理***通过通小型铠装电缆连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型在不改变原有声学多普勒波浪仪的***结构基础上，在波浪处理部分中添加了姿态修正程序及波流分离程序，实现简单且成本低廉，本实用新型保证仪器倾斜及背景流存在条件下波浪估计的准确性，提升了声学多普勒波浪仪的波浪估计性能。

附图说明

图1为本实用新型一种带姿态修正及波流分离的坐底式声学多普勒波浪仪的结构框图。

图2为本实用新型一种带姿态修正及波流分离的坐底式声学多普勒波浪仪中声学收发换能器阵的结构示意图。

图3为本实用新型一种带姿态修正及波流分离的坐底式声学多普勒波浪仪的程序流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1～3，本实用新型实施例中，一种带姿态修正及波流分离的坐底式声学多普勒波浪仪，由水下测量***和路上主机构成，所述水下测量***通过通讯模块与路上主机相连接；所述水下测量***包括数据采集和处理***、收发电路、姿态传感器、声学收发换能器阵和电子罗盘，所述收发电路、姿态传感器和电子罗盘均连接数据采集和处理***，所述收发电路连接声学收发换能器阵。

所述声学收发换能器阵由四个收发合置的声学多普勒换能器组成，且声学收发换能器阵的中央设有一个垂直方向上的波束，中央垂直波束用于实时跟踪波浪波高的变化，进而通过过零检测法得到波周期，其余三个倾斜波束用于进行分层海流测量及波浪的平均波向测量。

所述路上主机包括实时数据显示模块、历史数据查询模块、历史曲线显示模块、波浪计算模块；所述波浪计算模块中设有姿态修正计算模块和波流分离计算模块。

所述连接水下测量***和陆上主机的通讯模块由小型铠装电缆组成。

本实用新型的工作原理是：首先将换能器阵置为发射模式，通过换能器阵发射信号（200kHz的窄带正弦信号）；然后将换能器转为接收模式，不同时间段上的接收回波信号对应了不同深度上的水流回波；采用对于水流分层的方法，即分别计算不同时间段上的多普勒频移可知对应不同深度上的海水流速；最后将计算的海流流速剖面值进行存储；水下测量***同时通过姿态传感器和电子罗盘实时采集仪器的姿态信息及方位信息，并进行存储；最后，将海流、姿态、方位信息进行打包，将数据包通过小型铠装电缆发送到陆上主机中。

陆上主机通过小型铠装电缆接收到水下测量***送上来的数据包，陆上主机对于数据包进行解析，通过陆上主机的上位机软件用户可以进行海流及波浪的观测，陆上主机上的上位机软件主要具备实时数据显示、历史数据查询、历史曲线显示和波浪计算功能。

其中实时数据显示是能够解析、显示和存储水下测量***送上来的数据，主要显示流速剖面及波浪特征值；历史数据查询、历史曲线显示功能是指能够根据用户需要进行数据查询及数据曲线显示；波浪计算功能是指上位机软件每个小时计算波浪特征值一次，主要包括1/3波高、1/10波高、最大波高、平均波高及对应周期，平均波向。本实用新型在波浪计算模块中增加了姿态修正计算模块和波流分离模块，分别包含了姿态修正程序及波流分离程序，可有效消除仪器倾斜及背景流存在对于波浪估计的影响，本实用新型有效地提升了波浪估计的准确性。

水下测量***的换能器阵由四个收发合置的声学多普勒换能器组成，中央有一个垂直方向上的波束，中央垂直波束用于实时跟踪波浪波高的变化（H），根据波高的变化利用过零检测方法可以估计得到波浪周期（T）；其余三个倾斜波束和垂直方向之间的夹角为30度，三个倾斜波束之间的水平上的投影是之间的夹角是固定的，夹角为120度，可以测量波束方向上的水质点速度（V1,V2,V3），通过计算可以得到大地坐标下的水质点速度（U,V,W）。波向估计可以通过波束方向速度（V1,V2,V3）组成测点阵列进行估计，或者通过水质点速度（U,V,W）进行计算。

一个波浪计算周期内的仪器工作流程，其计算流程如下：首先声学多普勒收发换能器阵置为发射模式，并通过换能器阵发射200kHz窄带正弦信号；将换能器阵置为接收模式，接收水流反射回波信号，通过对于不同时间段上的回波信号进行处理，进行多普勒频偏估计，得到不同深度上三个倾斜波束方向上速度（V1,V2,V3），通过坐标转换得到大地坐标下的不同深度上的速度值（U,V,W），即流速剖面；通过中央垂直波束可实时跟踪波高的变化，波高值变化利用过零检测方法可以计算波周期；本实用新型拟每个小时计算波浪一次，需要采集每个小时的前四十分钟海流等数据，当采集时间满足要求后才可计算波浪特征值；在本实用新型中，在波向计算模块中，加入了姿态修正模块和波流分离模块，分别固化了姿态修正程序及波流分离程序，保证仪器倾斜及背景流存在时波浪估计的准确性。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种带姿态修正及波流分离的坐底式声学多普勒波浪仪，其特征在于，由水下测量***和路上主机构成，所述水下测量***通过通讯模块与路上主机相连接；所述水下测量***包括数据采集和处理***、收发电路、姿态传感器、声学收发换能器阵和电子罗盘，所述收发电路、姿态传感器和电子罗盘均连接数据采集和处理***，所述收发电路连接声学收发换能器阵。

2.根据权利要求1所述的带姿态修正及波流分离的坐底式声学多普勒波浪仪，其特征在于，所述声学收发换能器阵由四个收发合置的声学多普勒换能器组成，且声学收发换能器阵的中央设有一个垂直方向上的波束。

3.根据权利要求1所述的带姿态修正及波流分离的坐底式声学多普勒波浪仪，其特征在于，所述路上主机包括实时数据显示模块、历史数据查询模块、历史曲线显示模块、波浪计算模块；所述波浪计算模块中设有姿态修正计算模块和波流分离计算模块。

4.根据权利要求1所述的带姿态修正及波流分离的坐底式声学多普勒波浪仪，其特征在于，所述连接水下测量***和陆上主机的通讯模块由小型铠装电缆组成。