專利名稱：動態(tài)海浪測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海浪參數(shù)、水深的一種動態(tài)測量技術(shù)和裝置，屬電子信息技術(shù)領(lǐng)域和
海洋研究與開發(fā)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在海洋工程、海洋科考方面，經(jīng)常需要了解當(dāng)?shù)氐暮＠烁叨?、波長和作業(yè)裝置的水下深度等，特別是了解波浪下水深，傳統(tǒng)的方法難以實現(xiàn)。其中海浪參數(shù)往往通過天氣預(yù)報獲得，實時測量的難度很大。水下瞬時深度只能通過作業(yè)器具自身的測深裝置測量。
水下作業(yè)裝置距水面的深度測深方法有聲納測量、壓力傳感器測量、激光測深和GPS定位測深等等，每種技術(shù)方案的應(yīng)用環(huán)境不同。在靜水環(huán)境下的測深技術(shù)難度低，上述方法均能滿足要求，但在海浪環(huán)境下的測深則較為復(fù)雜。GPS定位測深法必須把天線放置在水面以上，根據(jù)GPS天線與水下部分距離計算水深，其高度需要保持垂直，必須有一部分留在水面上，對水下作業(yè)型裝備來說是不可行的。激光測深、聲納測深必須保持垂直狀態(tài)才能準(zhǔn)確測深，而且這兩種主動測深方法不適合隱蔽測量。單壓力傳感器進(jìn)行海水深度測量，因其具有良好的隱蔽性和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，通常成為潛器或海洋探測裝置測深的首選方案。但是，在接近海洋表面測深時，受波浪的影響，測量誤差很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠及時測量顯示海浪的動態(tài)狀況，水下測量點瞬時深度的一種動態(tài)海浪測量方法。本發(fā)明的目的還在于提供一種動態(tài)海浪測量裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的 本發(fā)明的動態(tài)海浪測量裝置由二只壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、傾角傳感器、信號調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)存儲單元、RS485通信單元、電源管理單元和數(shù)字信號處理器組成；壓力傳感器采集水下壓力，經(jīng)過信號調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元后輸入數(shù)字信號處理器；溫度傳感器用于各類傳感器的溫度補償；加速度傳感器和傾角傳感器采集測量裝置的姿態(tài)信息輸入數(shù)字信號處理器；數(shù)字信號處理器根據(jù)壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、傾角傳感器的信息計算海浪的參數(shù)、水下瞬時深度；計算結(jié)果存于數(shù)據(jù)存儲單元，或者通過RS485通信單元發(fā)送；電源管理單元為數(shù)字信號處理器及各種傳感器等提供電源。 本發(fā)明的動態(tài)海浪測量方法為 數(shù)字信號處理器初始化后，每隔T時間采集一次壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器和傾角傳感器的信息，根據(jù)若干點壓力數(shù)值的均值和變化量粗略判斷是深水區(qū)還是淺水區(qū)，當(dāng)在深水區(qū)時，海浪對壓力的影響可以忽略不計，直接根據(jù)公式Pi = - P gZ工計算深度，計算結(jié)果放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等待定時通信程序傳輸至其他系統(tǒng)，然后返回起始點繼續(xù)采集壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)在淺水區(qū)時，首先根據(jù)雙壓力傳感器數(shù)據(jù)尋找行波過零點，如果是過零點，執(zhí)行淺水水深算法，如果是波峰或者波谷點，則轉(zhuǎn)入波高計算模塊，波高計算公式為f2/;;glw = (e—J = Zl ，已知平均水深P工和P2，計算波數(shù)和波高，采用線
性預(yù)測和濾波方法對波高、波數(shù)和平均水深進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完畢后返回初始點繼續(xù)采樣，重復(fù)下一次計算循環(huán)。 所述淺水水深算法包括過零點水深計算和啟動由加速度傳感器和傾角傳感器計算過零點間任意時刻平均水深運算，其主要步驟為1)由公式Pi = -p gZ工計算過零點平均水深；2)初始化由三維加速度傳感器和傾角傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)計算壓力傳感器在相鄰兩個過零點之間垂直深度變化量流程，3)采用濾波方法估計相鄰過零點之間任意時刻的平均水深Z"然后返回初始點繼續(xù)采樣。 所述采用線性預(yù)測和濾波方法對波高、波數(shù)和平均水深進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。波高、波長
只在計算誤差最小的波峰波谷點計算，在一個波浪周期內(nèi)只進(jìn)行一次預(yù)測濾波運算。 本發(fā)明中所涉及的計算公式有 P = - p gz+ p gA cos (kx- co t) ek z............ (1) ^g^y = (e—.(2)..................(3) P,-pgZ丄...........................(4) 式中，Ah表示兩只傳感器的高度差，第一只傳感器壓力值Pp第二只壓力傳感器壓力值&， Z工為平均水深。兩只壓力傳感器固定在支架上，其間的高度差是固定的，在水中可以隨海浪漂浮或者被牽弓I移動。 本發(fā)明的創(chuàng)新點在于用雙壓力傳感器、慣性器件和數(shù)字信號處理器，以及濾波、預(yù)測和航跡跟蹤等算法，計算海浪參數(shù)、水下深度，具有使用靈活、不需要海底固定等優(yōu)點，可在運動、漂浮狀態(tài)下使用。 本發(fā)明根據(jù)海浪流體力學(xué)原理推導(dǎo)出海浪的波長、波高的計算方法，采用加速度傳感器、傾角傳感器等技術(shù)手段，計算測量點的平均水深。 本發(fā)明所提供的技術(shù)方法不僅具有其新潁性和創(chuàng)造性，而且其結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，能廣泛地用于水下機器人、通信浮標(biāo)和其它潛水測深系統(tǒng)。


圖1典型海浪參數(shù)示意圖； 圖2動態(tài)海浪檢測裝置結(jié)構(gòu)原理圖； 圖3動態(tài)海浪檢測方法流程具體實施例方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述 本發(fā)明是一種能夠及時測量顯示海浪的動態(tài)狀況，不僅可以快速地計算出海浪的
參數(shù)，而且還可以隨時顯示動態(tài)的海浪狀況的動態(tài)海浪測量裝置及測量方法。 海浪模型如圖1所示。 一般情況下，海浪用波高H、波長A和平均海面高度h來描
繪海浪。如果波幅A，則波峰h+A，波谷h-A，波高2A ;波數(shù)K和波長A的關(guān)系為K = 2 Ji /
A ，本專利所提供的技術(shù)方法，首先求得波數(shù)K，隨后求得波幅A。
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本發(fā)明動態(tài)海浪測量裝置包括二只壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、傾角 儀、信號調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)存儲單元、RS485通信單元、電源管理單元、數(shù)字信號 處理器等，見原理圖2。壓力傳感器采集測量裝置所在位置的壓力，經(jīng)過信號調(diào)理、數(shù)模轉(zhuǎn)換 器后輸入信號處理器中。溫度傳感器用于各類傳感器的溫度補償。加速度計和傾角儀采集 裝置的姿態(tài)信息，根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算過零點之外的平均水深。本系統(tǒng)設(shè)計一個大容量Flash 存儲器，用于保存壓力數(shù)據(jù)和海浪參數(shù)，用于事后分析和記錄查詢。該裝置中設(shè)計一個串行 通信口 RS485，將測量的數(shù)據(jù)通過該串口傳輸?shù)狡渌b置上。電源模塊負(fù)責(zé)為數(shù)字信號處 理、各種傳感器等提供電源。所有的運算均在數(shù)字信號處理器上完成。實時計算海浪參數(shù) 如波高、波數(shù)以及瞬時平均水深。 加速度傳感器和傾角傳感器兩個慣性器件獲得載體姿態(tài)信息，計算出載體垂直方 向的位移信息。加速度傳感器使用芬蘭VTI公司出品的SCA3000-D02型三軸加速度計。傾 角傳感器SCA100T-D02。
溫度傳感器 溫度是影響測量精度的一個重要因素，需要用溫度對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行補償校正，從 而提高每個傳感器的測量精度。溫度傳感器選用MAXIM公司出品的DS1631型溫度傳感器。
信號調(diào)理單元 壓力傳感器輸出往往采用電流傳輸方式，可以避免電壓傳輸時帶來的線路壓降問
題，因此需要將電流轉(zhuǎn)換為電壓，并根據(jù)量程和數(shù)模轉(zhuǎn)換的要求放大信號。 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元 采用TI公司的12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器LV2544，具有精度高，體積小、通道多，使用靈活 的特點。 電源管理單元 本技術(shù)實施方案，使用UA78M12將+24v供電電壓降至+12v為壓力傳感器供電。采 用TI公司的TPS5430開關(guān)型穩(wěn)壓器直接將+24v變換至+7v，再通過UCC283將+7v穩(wěn)壓到 +5v、 TPS767D301產(chǎn)生DSP和其他數(shù)字芯片所需的+3. 3v和+1. 9v電壓。
數(shù)字信號處理器 為實現(xiàn)本發(fā)明專利的的最終目標(biāo)，為滿足新型動態(tài)海浪壓力測深系統(tǒng)的需求， 本技術(shù)方案選擇TI公司的TMS320F28335型浮點型數(shù)字信號處理器(DigitalSignal Processor)，芯片既集成了控制系統(tǒng)所需的外設(shè)資源，又具有數(shù)據(jù)處理能力和C編譯效率。
數(shù)據(jù)存儲單元 數(shù)據(jù)存儲單元的功能是記錄海浪參數(shù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)。選擇SPANSI0N公司的4片 S25FL064A大容量FLASH存儲器，以滿足系統(tǒng)運行過程中數(shù)據(jù)的記錄。
RS485通信單元 此部分按全雙工模式設(shè)計，應(yīng)用MAXM公司的全雙工RS485收發(fā)器MAX3490，工作 電壓3. 3v，通信速率高達(dá)10Mbps。 動態(tài)海浪參數(shù)測量方法的核心特征是利用雙壓力傳感器檢測水中壓力，根據(jù)流體 力學(xué)中的Bernoulli方程式(1)所描述的水中壓力計算公式，推導(dǎo)出過零點時刻波數(shù)(2) 和波高(3)計算關(guān)系式，計算過零點的深度，根據(jù)加速度傳感器和角度傳感器數(shù)據(jù)連續(xù)估 計過零點以外其他時間的深度。算法是兩個并行的計算流程組成，一個周期計算深度；一個 5是周期計算海浪參數(shù)(波數(shù)和波高)。算法流程見圖3。
結(jié)合圖3，本發(fā)明的動態(tài)海浪測量方法為 動態(tài)海浪參數(shù)測量主要在海平面附近。較深水域時，動態(tài)海浪引起的壓力變化非 常小，難以準(zhǔn)確提取海浪參數(shù)，因此首先根據(jù)壓力值粗略判斷水深，深水區(qū)只進(jìn)行深度測 量，并對數(shù)據(jù)濾波去噪，獲得穩(wěn)定的深度序列。如果實在淺水區(qū)域，動態(tài)海浪的影響接近水 面時影響很大，必須根據(jù)流體力學(xué)關(guān)系計算深度，并根據(jù)深度、姿態(tài)和運動狀態(tài)計算海浪參 數(shù)和瞬時深度。
軟件實現(xiàn) 本系統(tǒng)的軟件，按下位機和上位機兩部分設(shè)計，其中下位機軟件完成信息采集與 水深計算算法的實現(xiàn)以及計算結(jié)果向上位機傳輸，這一部分由C語言寫成；上位機完成數(shù) 據(jù)的接收和解析并且將水深信息繪圖顯示，這一部分用MATLAB語言編寫。在運算過程中， 為了加快運算的速度，對指數(shù)、對數(shù)和正弦等函數(shù)，編寫出相應(yīng)的"運算函數(shù)表"，采用查表 和泰勒展開式結(jié)合的算法，從而，縮短了運算的時間。
權(quán)利要求
一種動態(tài)海浪測量裝置，由二只壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、傾角傳感器、信號調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)存儲單元、RS485通信單元、電源管理單元和數(shù)字信號處理器組成；其特征是壓力傳感器采集水下壓力，經(jīng)過信號調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元后輸入數(shù)字信號處理器；溫度傳感器用于各類傳感器的溫度補償；加速度傳感器和傾角傳感器采集測量裝置的姿態(tài)信息輸入數(shù)字信號處理器；數(shù)字信號處理器根據(jù)壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、傾角傳感器的信息計算海浪的參數(shù)、水下瞬時深度；計算結(jié)果存于數(shù)據(jù)存儲單元，或者通過RS485通信單元發(fā)送；電源管理單元為數(shù)字信號處理器及各種傳感器提供電源。
2. —種動態(tài)海浪測量方法，其特征是數(shù)字信號處理器初始化后，每隔T時間采集一次 壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器和傾角傳感器的信息，根據(jù)若干點壓力數(shù)值的均值 和變化量粗略判斷是深水區(qū)還是淺水區(qū)。當(dāng)在深水區(qū)時，海浪對壓力的影響可以忽略不計， 可直接根據(jù)公式Pi = _ P gZ工計算深度，計算結(jié)果放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等待定時通信程序傳輸至 其他系統(tǒng)，然后返回起始點繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。當(dāng)在淺水區(qū)時，首先根據(jù)雙壓力傳感器數(shù)據(jù)尋找 行波過零點，如果是過零點，執(zhí)行淺水水深算法，如果是波峰或者波谷點，則轉(zhuǎn)入波高波數(shù) 計算模塊，計算公式為p/^g竭=(e—《)M」=，(Z)-^ ，已知平均水深Zl、 P工和P2，計算波數(shù)和波高，采用線性預(yù)測和濾波方法對波高、波數(shù)和平均水深進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完畢后返 回初始點繼續(xù)采樣，重復(fù)下一次計算循環(huán)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的動態(tài)海浪測量方法，其特征是所述淺水水深算法包括過零 點水深計算和啟動由加速度傳感器和傾角傳感器計算過零點間任意時刻平均水深運算，其 主要步驟為1)由公式Pi = - P gZ工計算過零點平均水深；2)初始化由三維加速度傳感器和 傾角傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)計算壓力傳感器在相鄰兩個過零點之間垂直深度變化量流程，3)采用 濾波方法估計相鄰過零點之間任意時刻的平均水深Zp然后返回初始點繼續(xù)采樣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的動態(tài)海浪測量方法，其特征是所述采用線性預(yù)測和濾 波方法對波高、波數(shù)和平均水深進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。波高、波數(shù)只在計算誤差最小的波峰波谷點 計算，在一個波浪周期內(nèi)只進(jìn)行一次預(yù)測濾波運算。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種動態(tài)海浪測量方法及測量裝置。本發(fā)明的裝置由二只壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、傾角傳感器、信號調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)存儲單元、RS485通信單元、電源管理單元和數(shù)字信號處理器組成。本發(fā)明的核心是利用雙壓力傳感器檢測水中壓力，根據(jù)流體力學(xué)中的Bernoulli方程式所描述的水中壓力計算公式，推導(dǎo)出過零點時刻的深度，根據(jù)加速度傳感器和角度傳感器數(shù)據(jù)連續(xù)估計過零點以外其他時間的深度，再根據(jù)非過零點時刻波數(shù)和波高計算關(guān)系式計算波數(shù)和波高。本發(fā)明所提供的技術(shù)方法不僅具有其新潁性和創(chuàng)造性，而且其結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，能廣泛地用于水下機器人、通信浮標(biāo)和其它潛水測深系統(tǒng)。
文檔編號G01C13/00GK101706275SQ20091007315
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月9日
發(fā)明者馮馳, 張海東, 李康 申請人:哈爾濱工程大學(xué)