CN101608915A

CN101608915A - 全新的海浪观测装置

Info

Publication number: CN101608915A
Application number: CNA2008100712462A
Authority: CN
Inventors: 孙强; 张训械; 王鑫; 孙瀛
Original assignee: XIAMEN YINGHUAN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: XIAMEN YINGHUAN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd; Xiamen Yaxon Networks Co Ltd
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2009-12-23

Abstract

本发明公开了一种全新的海浪观测装置，该方法采用两副天线分别接收右旋极化直达波，以及经过海面反射的左旋极化反射波；两路GNSS接收机共用一个时钟，分别同步接收来自两副天线的右旋极化直达波和左旋极化反射波信号，信号经过GNSS接收机的RF前端，再经过低噪声放大、滤波、正交混频、中频数字采样得到数据流；数据流分别进入基带处理器，得到直达波和反射波的载波相位、码相位和多普勒频移；数据反演得到海面到天线之间的高度。由于本发明中频基带处理器专用芯片完成对GPS信号的捕获、跟踪。它利用20万个相关器实现对信号的快速捕获和跟踪，速度非常快，而且比一般GPS接收机的灵敏度提高10db以上。

Description

全新的海浪观测装置

技术领域

本发明涉及一种波浪观测装置，特别是涉及一种全新的海浪观测方法及其装置。

背景技术

目前，已有的波浪监测手段很多，但都分别存在一定的缺陷：

(1)浮标波浪仪：无法在海流较强的海域使用。浮标受到锚链的束缚，测量误差较大。只能测量单点的波浪。

(2)气介式声学波浪仪：需要依托固定的安装地点，应用受到一定的限制。且安装平台往往会对波浪产生破坏。只能测量单点的波浪。

(3)坐底式水声波浪仪：在大浪情况下测量误差大，限制了其应用范围。如果要实现实时在线监测，必须牵引电缆上岸，电缆的布设和维护都十分困难。只能测量单点的波浪。

(4)压力式波浪仪：无法测量高频的波浪。如果要实现实时在线监测，必须牵引电缆上岸，电缆的布设和维护都十分困难。只能测量单点的波浪。

(5)光学波浪仪：无法在夜间使用，无法在雾天使用，大浪情况下测量误差较大。仪器测量精度受观测员经验和主观影响大，人员素质对观测结果影响很大。无法实现自动化监测。观测人员工作量大。只能测量单点的波浪。

(6)导航雷达波浪仪：价格昂贵，受降水影响严重。中到大雨的情况下无法准确测量。在我国这样的大洋西岸国家，热带风暴是最重要的海洋灾害天气，而此仪器恰好此情况下无法使用，因此应用上意义不大。

(7)地波雷达波浪仪：价格极其昂贵，虽能测量波浪，但是测量的精度尚未得到很好的验证，资料准确性并不完全可靠。

(8)微波高度计：仅能测量卫星轨道正下方一条线上的波浪的有效波高，受降水影响比导航雷达波浪仪还要严重。作为卫星遥感手段，时间和空间覆盖率都十分低，不能实现全球的连续密集观测。

(9)合成孔径雷达：价格极其昂贵。虽然是卫星遥感手段，却难以实现全球的观测。

一种习用的GPS波浪仪Oceanpal(如图1所示)是西班牙Starlab公司生产的，它是一个软件GPS接收机，由两副天线1’和前端模块2’组成。朝下的左旋极化天线11’接收海面反射波，朝上的是右旋极化天线12’接收直达波。前端输出16MHz中频数据流。观测数据送入计算机并用软件处理。软件部分完成对GPS信号的捕获、跟踪，跟踪包括粗跟踪，频率间隔100Hz，和细跟踪频率间隔2Hz两部分。当信号锁定以后，接收机利用接收到的四颗以上卫星信号，进行定位并给出反射信号的仰角和方位角，生成0级数据。它包含了直达波和反射波的复数相关波形，以及定位数据。0级数据被存储在计算机内，脱机处理。从0级数据计算得到海面有效波高(SWH)和海面平均高度。Oceanpal波浪仪采用软件接收机处理方式，具有灵活性特点。但是，这种接收机不能够连续工作，即该仪器观测一分钟以后，停止观测和开始用计算机软件对观测结果处理，得到0级数据。数据处理一般需要1-3分钟处理时间，待生成0级数据和写入一个文件以后，再进行下一次的波浪观测。其次，Oceanpal波浪仪是接收GPS的C/A码信号，采用相干处理计算SWH的。C/A码的测量精度是GPS定位方式中最差的。因此，这种仪器不足之处是，不能够提供连续观测数据和精度受到限制。

发明内容

本发明的一个目的就是提供一种能够连续输出波高和波周期、精度高、低功耗、非接触、便于安装和维护、具有全天候工作能力的全新的海浪观测装置。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

本发明是一种全新的海浪观测装置，它包括两副天线、两路GNSS接收机、基带处理器、数据处理和控制装置；两副天线分别为接收右旋极化直达波的右旋天线和接收经过海面反射的左旋极化反射波的左旋天线，该右旋天线和左旋天线分别连接两路可对高频信号进行滤波、放大、混频和IF模拟信号采用GNSS的接收机前端，GNSS接收机输出端连接可对接收信号的捕获、跟踪和定位计算的基带处理器的输入端，基带处理器通过USB接口连接数据处理和控制装置。

所述的基带处理器包括基带处理芯片ATR0621。

所述的GNSS接收机包括低噪声放大器、梳状滤波器、RF集成电路；所述的低噪声放大器的输出端连接梳状滤波器的输入端，梳状滤波器的输出端连接RF集成电路芯片的输入端；所述的低噪声放大器采用ATR0610芯片，RF集成电路芯片采用ATR0601芯片。

所述的天线采用0相位中心的高精度测量天线，低噪声增益加天线增益共28db。

采用上述方案后，本发明具有以下优点：

(1)本发明利用硬件完成Oceanpal波浪仪(如图1所示)中的软件处理部分，即中频数据流的数据处理，采用中频基带处理器专用芯片完成对GPS信号的捕获、跟踪。它利用20万个相关器实现对信号的快速捕获和跟踪，速度非常快，而且比一般GPS接收机的灵敏度提高10db以上。采用的技术方面属于高灵敏度的接收。

(2)本发明输出的是GPS的载波数据，属于定位方面最精确的技术，有利于提高波浪测量精度。

(3)本发明可以使用丰富的导航卫星资源(目前使用的是全球定位系统GPS，未来还可以使用欧洲的导航卫星系统Galileo以及我国自主的导航卫星系统北斗二号，还有可能使用俄罗斯的导航卫星系统GLONASS)，具有廉价、低功耗、非接触、便于安装和维护、具有全天候工作能力，不受天气状况的影响等诸多优点。在岸边使用时，可以观测一定范围内的近岸波浪情况。在海上平台(例如海上石油平台)使用观测平台周边约1公里范围内的波浪。

(4)本发明采用直达信号和反射信号同步观测的方法来获得天线到海面的实际高度。接收机方案采用载波相位信号测量波高，可以将测距精度提高到厘米量级，精度较高。

(5)本发明提出使用目前经过实验室检验过的测量精度最高的气介式超声波浪仪对本仪器进行现场检验。

(6)本发明提出使用现场的雨量计同步测量降水强度资料，以验证导航卫星反射信号波高仪具有全天候工作能力，不受降水的影响。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是一种习用波浪仪的结构框图；

图2是本发明的结构框图；

图3是本发明的线路图。

具体实施方式

如图2所示，本发明是一种全新的海浪观测装置，它包括两副天线1、两路GNSS接收机2、基带处理器3、数据处理和控制装置4。

两副天线1分别为接收右旋极化直达波的右旋天线11和接收经过海面反射的左旋极化反射波的左旋天线12，该右旋天线11和左旋天线12分别连接两路可对高频信号进行滤波、放大、混频和IF模拟信号的GNSS接收机21、22的前端，GNSS接收机21、22输出端连接可对接收信号的捕获、跟踪和定位计算的基带处理器3的输入端，基带处理器3通过USB接口连接数据处理和控制装置4。

如图3所示，所述的基带处理器3包括数字电路基带处理芯片ATR0621，以及附加的RTC晶体振荡器、闪烁存储器，控制电路等。数字基带器3的核心是一个高度集成的基带处理芯片ATR0621，它包含一个串口、GPS相关器硬件，RAM、ROM、备份电池RAM等。

所述的GNSS接收机2包括低噪声放大器21、梳状滤波器22、RF集成电路23；所述的低噪声放大器21的输出端连接梳状滤波器22的输入端，梳状滤波器22的输出端连接RF集成电路芯片23的输入端。所述的低噪声放大器21采用ATR0610芯片，RF集成电路23采用ATR0601芯片。

所述的天线1采用0相位中心的高精度测量天线，低噪声增益加天线增益共28db。

本装置的核心技术是采用了巨量的(20万个)相关器，进入基带处理的信号，直接与本地的伪随机码进行相关，由于相关器数量比较多，所以能够及时跟踪信号的载波相位和多普勒频移，实现在多途径传播条件下，跟踪到有用的微弱信号。

本发明的观测原理：

岸基观测点是固定的，GNSS卫星距离地面20200km，所以在约20分钟观测时间内，海面观测点第一个费涅耳半径在几米范围内变化，测量基本上等同于定点海面测量。

对于一个具体的反射点，本装置每秒钟进行10次观测，连续观测一段时间后，即可得到海面高度变化的时间变化序列数据，对这些数据进行分析，就可以得到每一个波浪的波高和波周期，再对所有的波浪进行统计分析，就可以得到最大波高、最大波对应周期，1/10大波高、1/10大波对应周期、1/3大波高、1/3大波对应周期、平均波高和平均波周期。

一般情况下，接收机可以观测到8-12颗GPS卫星的直达波和反射波的信号，不同卫星的反射点的位置各不相同，也就是说，该波浪仪实际上可以获得一定范围内的波高场，而不仅仅是定点的观测。

仪器测量性能的检验也是非常重要的工作，该仪器受其测量原理的限制，无法在实验室内进行检验，必须进行现场检验。本发明采用目前经过实验室检验过的测量精度最高的气介式超声波浪仪对本仪器进行现场检验。

此外，该仪器属于微波遥感仪器，虽然从理论上说，工作于L波段的导航卫星信号受降水影响小，但是尚未得到现场数据的证实。本发明采用现场的雨量计同步测量降水强度资料，以验证导航卫星反射信号波高仪具有全天候工作能力。

如图2所示，本发明的观测方法，它包括以下步骤：

(1)两副天线1分别接收右旋极化直达波，以及经过海面反射的左旋极化反射波；

(2)两路GNSS接收机2共用一个时钟，分别同步接收来自两副天线的右旋极化直达波和左旋极化反射波信号，实现两路信号的同步观测；信号经过GNSS接收机2的RF前端，再经过低噪声放大、滤波、正交混频、中频数字采样得到数据流；

(3)数据流分别进入基带处理器3，得到载波、码相位、多普勒频移、定位数据和电波到达接收机的仰角等数据，并将这些数据编辑成相应格式的文件，这个文件称为0级文件。最后输入0级数据，通过软件计算得到海面波浪的波高和波周期等。

所述的测量的直达波L和反射波L的相位(以米为单位)可以表示如下：

L_直达波＝r_几何距离+r_{电离层时间延迟}+r_{对流层时间延迟}+ε_{1测量噪声}

(1)

L_反射波＝r_几何距离+r_{附加传播距离}+r_{电离层时间延迟}+r_{对流层时间延迟}+ε_{2测量噪声}

上式中：r_几何距离是指GNSS卫星到观测点天线相位中心的距离。r_{附加传播距离}是指电波经过海面反射相对直达波多传播的距离，它与观测点高度和电波仰角等几何参数有关。数据处理部分通过将直达波和反射波测量的载波差分处理和平滑，得到r_{附加传播距离}，从测量的电波仰角、观测点离海面高度等数据。反射信号与直达信号时间延迟经过差分得到如下：

ΔL＝2h sinθ+ε (2)

h表示观测点离海面高度。θ为镜反射点对应仰角。ε表示大气时间延迟。这个值可以利用本地气象参数估计，也可以从其它途径得到。对于岸基观测对流层传播时间延迟大约在厘米量级。由于波浪测量只需要知道距离的相对值，而不是绝对值，因此，只要近海面对流层的时延基本不变，就可以不去考虑。

本装置的工作原理：

GPS信号到达地球表面的强度是-130dbm，它比热噪声低19db。标准的GPS接收机将信号积分时间增加到20ms，这样可以将跟踪信号下降到-150dbm。本发明采用高灵敏度GPS接收机将输入信号积分时间增加，跟踪水平下降到-160dbm。高灵敏度接收机(提供附加10db灵敏度)也可以补偿小天线增益问题。对于接收海面反射信号，天线主要接收多径的信号。它能够在接收机通道内部用强的信号抑制微弱的多径信号，提供最佳的接收范围。对于岸基的GPS波浪仪，接收机接收信号主要是反射区域的第一个菲涅尔带，对于低于50m的观测平台，第一个菲涅尔带的半径大约是6到12m之间，也就是说，接收到的主要能量来源的区域是在这个半径范围内海面波浪引起的镜散射信号。而主要信号是在这个区域来的，而其余区域的信号是比较小的，可以由强信号抑制其它区域来的信号。整个仪器的电路工作原理是基于电波在海面传播的原理设计的。

如图3所示，它是本发明GPS波浪仪的单边电路图，另外一边是相同的。它由三块芯片以及一台便携式计算机组成。(1)ART0610芯片是用于天线1输入的GPS信号的低噪声放大，提高信号与噪声比值。经过放大后的高频信号，经梳状滤波器2，滤除GPS信号频带外的噪声。(2)然后，信号输入到芯片ATR0601，它是射频前端电路，完成频率变换、A/D采样，实现从模拟信号转换为数字信号，它对经过滤波的信号进行放大、正交混频、中频放大和中频采样，生成IF数据流。这块芯片输出数字中频信号、钟信号、电源和AGC控制。AGC控制是为了能够在信号采样时，信号电平达到比较高，有利于提高数据处理的分辨率。

(3)中频数据流输入到ATR0621芯片，它的功能是从输入数据流中对GPS的伪随机码通过与本地码进行相关处理，实现对卫星信号的捕获，其次是对信号进行跟踪处理，将本地码的时间延迟和多普勒频移与天线输入的信号对齐，得到最大相关，实现对信号的跟踪。在芯片内部有巨量的相关器、数据处理的程序、控制等，完成对信号的捕获、跟踪、定位计算和输出原始的观测数据(包括载波相位、码相位和多普勒频移等信息)。

(4)这些信息通过USB进口送到计算机4，计算机4从观测的四颗以上卫星的载波和码相位，计算接收点的位置，电波到达的仰角。输出载波、码相位和多普勒频移灯原始观测数据，输出供同步使用的精密时间脉冲。输出波浪的波高和波周期等。

另外，整个接收机封装成两个不同且结构分开的屏蔽部件组成(图3)。左边部分是RF，右边是基带处理。RF包括低噪声放大器(LNA)和梳状滤波器，芯片是ATR0610。RF集成电路采用ATR0601芯片，它还包括一个GPS晶体振荡器。ATR0601用于IF基带处理。IF输出是一个96.764MHz模拟信号，通过23.104MHz采样频率得到4.348MHz数字IF。RF部分完成一下4部分任务：

●低噪声放大。提供天线输入信号的初步放大。它具有很低的噪声系数和一个预放，它的性能决定了整个接收机的噪声电平。

●梳状滤波器。因为ATR0601芯片对输入信号进行梳状滤波，抑制镜像频率分量。

●频率转换。将输入信号转换为适合数字IF处理的频率。

●模拟信号的采样。模拟信号经过A/D转换，得到1.5比特分辨率的动态范围。它采用一个晶体钟。自动增益控制保持采样信号输入最大。

其它说明：

本发明专利主要是试图采用两路接收通道测量载波信号差值。目前GPS波浪仪采用C/A码的相关函数，通过相关函数的时间差计算海浪高度。它是码信号的测量，而本仪器采用接收信号的载波测量，精度可以大大地提高。为了满足载波测量，本发明选择了一种能够输出载波信息的接收机LEA-4T，它能够输出载波和码相位数据，得到海面高度变化的信息。它由基带处理芯片ATR0621芯片完成这部分功能。这类接收机采用高灵敏度接收技术，不仅有很高的接收机捕获灵敏度，而且具有很好的信号跟踪能力。本仪器能够连续得到海面波浪数据，这是目前GPS波浪仪无法实现的功能。

本发明的重点就在于：采用中频基带处理器专用芯片完成对GPS信号的捕获、跟踪。

Claims

1、一种全新的海浪观测装置，其特征在于：它包括两副天线、两路GNSS接收机、基带处理器、数据处理和控制装置；两副天线分别为接收右旋极化直达波的右旋天线和接收经过海面反射的左旋极化反射波的左旋天线，该右旋天线和左旋天线分别连接两路可对高频信号进行滤波、放大、混频和IF模拟信号采用GNSS的接收机前端，GNSS接收机输出端连接可对接收信号的捕获、跟踪和定位计算的基带处理器的输入端，基带处理器通过USB接口连接数据处理和控制装置。

2、根据权利要求1所述的全新的海浪观测装置，其特征在于：所述的基带处理器包括基带处理芯片ATR0621。

3、根据权利要求1所述的全新的海浪观测装置，其特征在于：所述的GNSS接收机包括低噪声放大器、梳状滤波器、RF集成电路；所述的低噪声放大器的输出端连接梳状滤波器的输入端，梳状滤波器的输出端连接RF集成电路芯片的输入端；所述的低噪声放大器采用ATR0610芯片，RF集成电路芯片采用ATR0601芯片。

4、根据权利要求1所述的全新的海浪观测装置，其特征在于：所述的天线采用0相位中心的高精度测量天线，低噪声增益加天线增益共28db。