一种声学波潮测量仪及测量方法与流程

本发明属于近岸海洋波浪、潮位观测系统领域，特别涉及一种声学波潮测量仪及测量方法。

背景技术：

海洋波浪的研究一直是海洋工程领域内重要的研究内容，准确实时的海洋波浪的测量是船舶导航、海洋工程、海洋预报、防灾减灾、和航海安全的重要需求。

波浪是物理海洋学研究的重要内容之一。波浪测量方法可以分为：直接测量法和遥感方法。直接测量法一般将测量仪器直接放置在测量水域内，直接测量波浪；遥感方法表示仪器远程通过为微波、电磁波、光信号进行波浪信息的测量。

坐底式波浪测量仪器属于直接测量方法，坐底式声学测波仪安装在水下或是海底，避免了海面大风浪及过往行驶船舶对观测系统的破坏，具有测量准确度高、可长期稳定可靠工作等特点。

国内目前的坐底式波浪测量设备功能较单一，仅能测量波高、波周期和潮位参数，并没有波向测量能力，例如山东省科学院海洋仪器仪表研究所生产的lpb1－2型岸用声学测波仪。而国外最新的产品已经具备了波向测量能力，代表性产品如挪威诺泰克公司浪龙，该产品已经应用广泛应用在国内近岸的波浪测量中。浪龙通常投放于水底，它可以有效地避免水表的恶劣天气的影响，人为破坏，和水面船只的影响。浪龙主要缺点有：(1)采用的是接近水面处的海流测点组成阵列进行波向估计，海流反演需要准确的浪致流提取，浪致流的提取是非常困难的。(2)浪龙的测量参数没有潮位参数。

因此，开发出一种同时具备波高、波周期和波向测量能力的设备，并且简化和准确进行波向的测量是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种声学波潮测量仪及测量方法，以达到可同时测量波高、波周期和波向，且波高对应的传递函数简单，波向估计更准确和简化的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种声学波潮测量仪，包括水下部分和陆上部分，水下部分包括水下支架和安装于水下支架上的水密机箱，陆上部分为上位机，水下部分和陆上部分之间通过电缆连接，所述水密机箱顶部分布有声学换能器阵，声学换能器阵侧面位于水密机箱表面安装有压力传感器和温度传感器，水密机箱内部设有信号处理板和电池，所述信号处理板上安装有三维电子罗盘和内存卡。所述三维电子罗盘可以测量仪器的三维姿态，即纵摇角、横滚角和航向角，其中纵摇角和横滚角可以用于仪器的姿态修正，航向角用于将仪器坐标系下的波向值修正到大地坐标下的波向值。所述内存卡用来存储各种传感器采集的数据，数据可以实时地向陆上上位机发送数据，同时当上位机发送数据调取命令时，也可以将指定时间段内的数据发送到陆上上位机上。

上述方案中，所述声学换能器阵包括四个收发合置的声学换能器，首先控制声学换能器发射声信号，向海面发射声波，声波在接触到海面以后，会有反射回波，然后控制声学换能器接收信号，通过发射信号和接收信号的时间差，可以计算声学换能器到海面的距离，进而可计算出测点所在位置处的波高。

上述方案中，所述水密机箱底部通过水密接插件与水下支架密封连接，保证接口部分的水下密封性。

上述方案中，所述信号处理板包括控制部分和采集处理部分，控制部分控制声学换能器的发射和接收，采集处理部分负责各传感器信号的数据采集存储，并对信号进行数据处理。

上述方案中，所述水密机箱由坚固、抗腐蚀的聚甲醛(pom)材料加工而成，机箱能够承受200m水深压力。

上述方案中，所述电池为锂电池，当声学波潮仪采用自容式的工作方式时，用来给仪器提供电源供给，电池安装在水密机箱底部。

上述方案中，所述电缆为铠装电缆，保证水下部分和陆上部分之间的实时通讯安全可靠。

一种声学波潮测量方法，采用上述声学波潮测量仪，包括如下步骤：

第一步，数据采集阶段：采集温度传感器数据、压力传感器数据和三维电子罗盘数据，声学换能器阵发射接收信号；

第二步，数据处理阶段：温度数据用于声速修正；压力数据换算为水深数据，减去平均水深，得到潮位数据；通过声学换能器阵的发射、接收时间差，计算仪器到水面的距离，进而计算得到瞬时波高，而后利用过零检测法计算出瞬时波周期；

第三步，高低潮及波浪特征值计算：对于采集到的潮位数据进行高低潮计算，当无高低潮数据时，显示空；波浪特征值数据每个小时计算一次，每个小时需要累积2048个波浪采集值后计算；

第四步，波高和波周期的特征值计算根据其具体定义计算，包括最大波高及对应周期，1/10波高及对应周期，1/3波高及对应周期，平均波高及对应周期；

波向特征值的计算：首先，利用纵摇角和横滚角进行倾斜修正，主要是波高测点位置的修正；然后，四个换能器同时测量不同位置处的波高值，四个测点组成阵列，通过波高测点阵列进行波向的反演估计，计算出的仪器坐标系下的波向值；最后，利用航向角，将仪器坐标系下的波向值修正到大地坐标系下；

第五步，上位机软件显示：当仪器采用有缆式的工作时，将计算出的波浪和潮位数据上传到陆上上位机进行显示；当仪器采用自容式的工作方式时，计算出的波高、潮位值存储到内存卡中，后续可取出内存卡，放在上位机上进行读取显示。

通过上述技术方案，本发明提供的声学波潮测量仪可同时测量波高、波周期、波向和潮位，能够全天候、全自动完成资料的采集、处理、存储、编报以及远程传输和用户服务等功能。仪器设计结构紧凑、坚固耐用、安装方便，能大大提高了观测资料的质量和资料存储、传输、综合利用的效率，是一种应用现代计算机技术为主体设计的具有全新观念、通用性强、测量数据准确性高、适用于沿海各海洋台站、海岛观测站、海洋平台、无人值守站、港口、码头以及大型海洋工程等场合的自动化观测仪器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种声学波潮测量仪示意图；

图2为本发明实施例所公开的水密机箱示意图；

图3为本发明实施例所公开的声学波潮测量方法流程示意图。

图中，1、水下支架；2、水密机箱；3、上位机；4、铠装电缆；5、声学换能器阵；6、压力传感器；7、温度传感器；8、信号处理板；9、三维电子罗盘；10、内存卡；11、锂电池；12、水密接插件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种声学波潮测量仪，如图1所示，该仪器可同时测量波高、波周期、波向和潮位，方法简单，数据准确。

如图1所示的声学波潮测量仪，包括水下部分和陆上部分，水下部分包括水下支架1和安装于水下支架1上的水密机箱2，水密机箱2由坚固、抗腐蚀的聚甲醛(pom)材料加工而成，水密机箱2能够承受200m水深压力。陆上部分为上位机3，上位机3可以安装上位机软件，操作系统为windowsxp或者windows7系统。水下部分和陆上部分之间通过铠装电缆4连接。上位机3可以接收水下部分上传的数据，陆上上位机软件可以提供波浪数据的实时数据显示，历史数据查询，历史曲线显示，报文生成的工程，坐底式波浪仪的上位机的上位机软件应具有良好的人机交互能力，方便用户进行操作。

如图2所示，水密机箱2顶部分布有声学换能器阵5，声学换能器阵5包括四个收发合置的声学换能器，首先控制声学换能器发射声信号，向海面发射声波，声波在接触到海面以后，会有反射回波，然后控制声学换能器接收信号，通过发射信号和接收信号的时间差，可以计算声学换能器到海面的距离，进而可计算出测点所在位置处的波高。

声学换能器阵5侧面位于水密机箱2表面安装有压力传感器6和温度传感器7，压力传感器6和温度传感器7需要跟水体直接接触。压力传感器6可用来测量仪器所在位置处的水深，可用来进行潮位的计算。温度传感器7可以测量水温，用于进行声速的修正，得到高精度的声速值，保证声学测距的高精度。

水密机箱2内部设有信号处理板8，信号处理板8上安装有三维电子罗盘9和内存卡10。三维电子罗盘9可以测量仪器的三维姿态，即纵摇角、横滚角和航向角，其中纵摇角和横滚角可以用于仪器的姿态修正，航向角用于将仪器坐标系下的波向值修正到大地坐标下的波向值。内存卡10用来存储各种传感器采集的数据，数据可以实时地向陆上上位机3发送数据，同时当上位机3发送数据调取命令时，也可以将指定时间段内的数据发送到陆上上位机3上。

信号处理板8包括控制部分和采集处理部分，控制部分控制声学换能器的发射和接收，采集处理部分负责各传感器信号的数据采集存储，并对信号进行数据处理。

水密机箱2内底部安装有锂电池11，当声学波潮仪采用自容式的工作方式时，用来给仪器提供电源供给。

水密机箱2底部通过水密接插件12与水下支架1密封连接，保证接口部分的水下密封性。

如图3所示，该声学波潮测量仪的测量方法包括如下步骤：

第一步，数据采集阶段：采集温度传感器数据、压力传感器数据和三维电子罗盘数据，声学换能器阵发射接收信号；

第二步，数据处理阶段：温度数据用于声速修正；压力数据换算为水深数据，减去平均水深，得到潮位数据；通过声学换能器阵的发射、接收时间差，计算仪器到水面的距离，进而计算得到瞬时波高，而后利用过零检测法计算出瞬时波周期；

第三步，高低潮及波浪特征值计算：对于采集到的潮位数据进行高低潮计算，当无高低潮数据时，显示空；波浪特征值数据每个小时计算一次，每个小时需要累积2048个波浪采集值后计算；

波高和波周期的特征值计算根据其具体定义计算，包括最大波高及对应周期，1/10波高及对应周期，1/3波高及对应周期，平均波高及对应周期；

第四步，波向特征值的计算：首先，利用纵摇角和横滚角进行倾斜修正，主要是波高测点位置的修正；然后，四个换能器同时测量不同位置处的波高值，四个测点组成阵列，通过波高测点阵列进行波向的反演估计，计算出的仪器坐标系下的波向值；最后，利用航向角，将仪器坐标系下的波向值修正到大地坐标系下；

第五步，上位机软件显示：当仪器采用有缆式的工作时，将计算出的波浪和潮位数据上传到陆上上位机进行显示；当仪器采用自容式的工作方式时，计算出的波高、潮位值存储到内存卡中，后续可取出内存卡，放在上位机上进行读取显示。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。