专利名称：一种中远程全自动自适应测波浮标的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种海洋波浪测量、信号与信息处理、通信与信息系统和GPS技 术的海洋监测系统装置，特别涉及一种中远程全自动自适应测波浮标。
背景技术：
海洋开发是一个具有战略意义的领域。随着海洋技术的发展和人们对海洋资源 的不断开发，对海浪参数的监测就显得尤为重要。在对近海岸中远程海浪的监测多采用测 波浮标，测波浮标可以无人值守、自动、定点和连续地对有效波高、波向、波周期和波速等海 洋参数进行遥测，测波浮标可以作为连续波浪测量的唯一可靠来源。由于测波浮标无人值 守，测波浮标由锚系系统固定于海底，所以测波浮标一般不适用于深海和距离海岸太远的 区域。国外有荷兰的“波浪骑士”等测波浮标，而在国内也有一些品牌的测波浮标，它们 都有一些相似的特点一般按测波传感器的不同分为有两种，一种是以加速度计作为传感 器；一种是以GPS作为传感器，都是在海上通过传感器采集数据，然后把采集到的数据传送 到岸上，在岸上用计算机对数据进行处理，反演海洋参数。发明人在实现本实用新型的过程中，发现上述现有技术至少存在以下缺点和不 足由于测波传感器的使用比较单一使得测波的精确度不高；参数计算部分均在计算 机内完成，限制了测波浮标的应用范围及灵活性；测波浮标通过内部电池或太阳能电池板 供电，使得在海上的工作年限很短，对海洋的监测造成了很大的不便而且浪费了很多人力 和物力。
实用新型内容为了提高测波的精确度；扩大测波浮标的应用范围及灵活性；提高测波浮标的工 作年限，减少对海洋的监测造成的不便，节省人力和物力，本实用新型提供了一种中远程全 自动自适应测波浮标；所述中远程全自动自适应测波浮标包括测波浮标和手持终端；所述测波浮标包 括传感器测波单元、微控制器、数字信号处理系统、高频发射系统和供电系统；所述手持终 端包括高频接收系统、终端微控制器和显示屏；所述传感器测波单元采集所述测波浮标所在位置的海浪信息后，通过所述数字信 号处理系统对海浪信息进行处理和反演得到海洋参数，通过所述高频发射系统将海洋参数 发射出去，所述高频接收系统接收海洋参数，所述终端微控制器将接收到的海洋参数在所 述显示屏上显示出来；所述微控制器对所述测波浮标中的各个传感器进行实时控制和定时 采集；所述供电系统由太阳能发电系统、电池和波浪能发电系统组成；所述传感器测波 单元具体为GPS传感器测波单元和加速度传感器测波单元。[0010]所述微控制器根据采集的数据自适应选择所述GPS传感器测波单元和所述加速 度传感器测波单元。所述GPS传感器测波单元包括GPS接收机、纵摇传感器、横摇传感器和艏摇传感 器；所述GPS接收机用于获取所述测波浮标的海浪信息；所述纵摇传感器、所述横摇 传感器和所述艏摇传感器用于采集出所述测波浮标的三个姿态角的时间序列。本实用新型提供的技术方案的有益效果是中远程全自动自适应测波浮标内采用GPS传感器和加速度传感器两种传感器测 波系统，二者可以相互补偿，相互校正，可以有效提高测波的精确度；测波浮标采集数据之 后，所有的信号处理都在测波浮标内完成，只要在岸上或船上有个匹配的手持终端就可以 得到各种海洋参数，使测波浮标的使用更加灵活，应用更广泛；并且测波浮标的供电系统由 内部电池，太阳能电池板，波浪能供电系统组成，自适应选择供电方式，使浮标的能源更清 洁，在海上工作的时间更长，可以有效的节省人力和物力。
图1是本实用新型提供的中远程全自动自适应测波浮标的结构框图；图2是本实用新型提供的测波浮标的结构框图；图3是本实用新型提供的手持终端系统的结构框图；图4是本实用新型提供的GPS传感器测波单元的结构框图；图5是本实用新型提供的供电系统的结构框图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新 型实施方式作进一步地详细描述。参见图1、图2和图3，本实用新型提供的中远程全自动自适应测波浮标，包括测 波浮标100和手持终端200 ；其中，测波浮标100包括传感器测波单元101、微控制器102、数字信号处理系统 103、高频发射系统104和供电系统105 ；手持终端200包括高频接收系统201、终端微控制 器202和显示屏203 ；传感器测波单元101采集测波浮标100所在位置的海浪信息后，通过数字信号处 理系统103对海浪信息进行处理和反演得到海洋参数，通过高频发射系统104将海洋参数 发射出去，高频接收系统201接收海洋参数，终端微控制器202将接收到的海洋参数在显示 屏203上显示出来；微控制器102对测波浮标100中的各个传感器进行实时控制和定时采 集；数字信号处理系统103对采集的各个信号进行处理和运算；终端微控制器202对高频 接收系统201和显示屏203进行实时的控制。进一步地，该传感器测波单元101具体为GPS传感器测波单元101-1和加速度传 感器测波单元101-2。进一步地，微控制器102根据采集的数据自适应选择GPS传感器测波单元101_1 和加速度传感器测波单元101-2。
4[0026]GPS传感器测波单元101-1和加速度传感器测波单元101_2均可以单独测量各种 海浪参数。GPS传感器测波单元101-1采集的信息I1和加速度传感器测波单元101-2采 集的信息I2进行互补校正和统计处理，由ι = ^1I1 +S2I2可得到经过校正的海洋信息I，并 且满足A +a2=i^>0,a2>0。由统计学可知，I1,12若相互独立则q =d2 = 1/2时ι取最佳。 但由于海域和海况的不同，A、民的最佳值由海域和海况而具体确定。例如当海况正常时 (有海浪但海浪不大时)A=民=1/2时，I最佳；当海浪很大时，海浪的周期小于10秒，则 &=0，民=1时，I最佳；当海面上非常平静，几乎没有海浪时，海浪的周期大于100秒。则 A =1，民=0时ι最佳。而在不同的海域中，S1和民还会有相应的变化，由微控制器102自适 应的选择&和民的具体值。并综合A和民的具体值在数字信号处理系统103上进行参数处理 来达到各种海浪参数的逼近和统计上的最佳，通过对上述参数进行互补校正和统计处理， 可以精确地反演近海海浪的各个参数。参见图4，该GPS传感器测波单元101-1包括GPS接收机101_1_1、纵摇传感器 101-1-2、横摇传感器101-1-3和艏摇传感器101-1-4 ；GPS接收机101-1-1用于获取测波浮标100的海浪信息；纵摇传感器101_1_2、横 摇传感器101-1-3和艏摇传感器101-1-4用于采集出测波浮标100的三个姿态角的时间序 列。具体为由于测波浮标100随着海浪而浮动，GPS接收机101-1-1可以得到三个笛 卡尔坐标(X、Y、Z)，根据多普勒效应计算GPS信号的多普勒频偏，获取到测波浮标100的 高精度三维运动参数，来获取测波浮标100的海浪信息。纵摇传感器101-1-2、横摇传感器 101-1-3和艏摇传感器101-1-4采集出测波浮标100的三个姿态角的时间序列，通过采集到 的时间序列，由数字信号处理系统103计算出波浪的方向。加速度传感器测波单元101-2中的X、Y、Z三个方向的加速度传感器可以测出测波 浮标100在三个方向的加速度，对竖直方向(Ζ方向)的加速度的两次积分则可以计算出波
面高度值。参见图5，供电系统105由太阳能发电系统105-1，电池105_2和波浪能发电系统 105-3组成，测波浮标100的供电由波浪能，太阳能和电能综合提供，可以使测波浮标100长 时间工作在海上。其中，波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，是一种在风的作用 下产生的，并以位能和动能的形式由短周期波储存的机械能。综上所述，本实用新型实施例提供了一种中远程全自动自适应测波浮标，该中远 程全自动自适应测波浮标内采用GPS传感器和加速度传感器两种传感器测波系统，二者可 以相互补偿，相互校正，可以有效提高测波的精确度；测波浮标采集数据之后，所有的信号 处理都在测波浮标内完成，只要在岸上或船上有个匹配的手持终端就可以得到各种海洋参 数，使测波浮标的使用更加灵活，应用更广泛；并且测波浮标的供电系统由内部电池，太阳 能电池板，波浪能供电系统组成，自适应选择供电方式，使浮标的能源更清洁，在海上工作 的时间更长，可以有效的节省人力和物力。通过以下内容对本实用新型内容做进一步的解释，详见下文描述加速度传感器测波单元101-2可以测出测波浮标100的X、Y、Z方向的加速度，分 别为ζ方向的加速度 、X方向加速度a2和Y方向加速度a3。数字信号处理系统103处理测波浮标100采集的数据，通过对Z方向的加速度
5B1的两次积分则可以计算出波面高度值，用FIR(Finite ImpulseResponse，有限冲激响 应)数字滤波器滤除干扰信号，进行中心化处理，即分段取零线。然后对每段数据做一次 FFT (Fast Fourier Transform,快速傅里叶变换)，计算出粗谱值的估计值，然后采用矩形 谱窗对粗谱值的估计值进行平滑，估计出海浪的功率谱，由功率谱可计算出海浪的谱矩。其 中，海浪的平均高度和平均周期可由零阶谱矩和二次谱矩估计出来。由测波浮标100水平 方向(X、Y方向)加速度可计算出水平方向上的位移，由竖直方向(Z方向)加速度可计算 出竖直方向上的位移，通过三个方向上的位移序列的交叉谱来估计海浪的方向谱。GPS传感器测波单元101-1可以得到测波浮标100的3个笛卡尔坐标(X，Y，Z)， 横摇传感器101-1-3、纵摇传感器101-1-2和艏摇传感器101-1-4采集出测波浮标100的3 个姿态角9^02*03。由于GPS接收机101-1-1与卫星信号发射器二者同时相对运动， 而使GPS接收机101-1-1接收到的频率与发射器(波源)发出的频率不同，产生多普勒效 应，可计算出多普勒频偏，由此可得到GPS接收机101-1-1运动速度和运动位移，即可测出 波面高度值和海浪的功率谱，从而通过计算得到平均高度、平均周期。通过测波浮标100的 3个姿态角θ” 02和θ 3可计算出东西向和南北向的斜率，从而计算出水平方向的交叉谱 和二次谱，然后估计出海浪的方向谱，则可以确定波向。数字信号处理系统103再对两种测波单元单独估计出的海浪参数进行进一步的 处理，对二者进行互补校正和统计处理，从而可以精确的反演近海海浪的各个参数(波面 高度、平均高度、平均周期和方向谱)。微控制器102通过控制高频发射系统104将反演后的各个参数发射出去，在岸上 或者周围海域的工作人员可使用手持终端200中的高频接收系统201接收到高频发射系 统104发射的高频信号，然后将其显示在显示屏203上，从而完成对海洋各参数的自适应监 测。本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本实用新型实 施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用 新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保 护范围之内。
权利要求一种中远程全自动自适应测波浮标，其特征在于，所述中远程全自动自适应测波浮标包括测波浮标和手持终端；所述测波浮标包括传感器测波单元、微控制器、数字信号处理系统、高频发射系统和供电系统；所述手持终端包括高频接收系统、终端微控制器和显示屏；所述传感器测波单元采集所述测波浮标所在位置的海浪信息后，通过所述数字信号处理系统对海浪信息进行处理和反演得到海洋参数，通过所述高频发射系统将海洋参数发射出去，所述高频接收系统接收海洋参数，所述终端微控制器将接收到的海洋参数在所述显示屏上显示出来；所述微控制器对所述测波浮标中的各个传感器进行实时控制和定时采集；所述供电系统由太阳能发电系统、电池和波浪能发电系统组成；所述传感器测波单元具体为GPS传感器测波单元和加速度传感器测波单元。
2.根据权利要求1所述的中远程全自动自适应测波浮标，其特征在于，所述微控制器 根据采集的数据自适应选择所述GPS传感器测波单元和所述加速度传感器测波单元。
3.根据权利要求1或2所述的中远程全自动自适应测波浮标，其特征在于，所述GPS传 感器测波单元包括GPS接收机、纵摇传感器、横摇传感器和艏摇传感器；所述GPS接收机用于获取所述测波浮标的海浪信息；所述纵摇传感器、所述横摇传感 器和所述艏摇传感器用于采集出所述测波浮标的三个姿态角的时间序列。
专利摘要本实用新型公开了一种中远程全自动自适应测波浮标，涉及一种海洋波浪测量、信号与信息处理、通信与信息系统和GPS技术的海洋监测系统装置，该中远程全自动自适应测波浮标内采用GPS传感器和加速度传感器两种传感器测波系统，二者可以相互补偿，相互校正，可以有效提高测波的精确度；测波浮标采集数据之后，所有的信号处理都在测波浮标内完成，只要在岸上或船上有个匹配的手持终端就可以得到各种海洋参数，使测波浮标的使用更加灵活，应用更广泛；并且测波浮标的供电系统由内部电池，太阳能电池板，波浪能供电系统组成，自适应选择供电方式，使浮标的能源更清洁，在海上工作的时间更长，可以有效的节省人力和物力。
文档编号G01C13/00GK201672919SQ20102022471
公开日2010年12月15日 申请日期2010年6月12日 优先权日2010年6月12日
发明者刘国栋, 宋占杰 申请人:天津大学