CN101806594B - 一种基阵式波浪监测装置及其波浪测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基阵式波浪监测装置及波浪测量方法，它包括一固定设置的水平支架，在水平支架上至少设置三个成三角形分布的水位计，三个水位计处于同一水平高度上；三个水位计均通过传输线及信号转换设备连接到计算机处理终端。方法是利用任一水位计测量波高和周期，利用三个互成角度的水位计，根据互相关延时原理计算波由第一水位计到达第二水位计及第三水位计的时间τ_AB、τ_AC，根据τ_AB、τ_AC，以及水位计之间的距离、夹角，计算：波向

波速

波长λ＝c×T₀。

Description

一种基阵式波浪监测装置及其波浪测量方法

技术领域

本发明涉及一种波浪监测装置和方法，特别是关于一种基阵式波浪监测装置及其测量方法。

背景技术

波高、波向、波周期、波长、波速等波浪参数的测量，对海洋工程建设、海洋渔业生产、海洋运输、海洋环境保护、海洋科研乃至海洋国防有着极其重要的意义和应用价值。

现有波浪测量方法有：加速度测量法、压力法、波面测量法、波面粗糙度反演法等，其中除波面测量法之外其它均为间接测量。基于加速度测量和水压测量的设备均需布放在水中，布放难度大、易丢失、维护成本高。波面测量法是利用测量波面高度变化的方法来测量波浪参数的，即利用固定高度的探头测量探头至水面的距离变化来实现波浪测量，多数采用非接触式(遥测)如激光、微波或超声等测量方式；波面测量设备可以安装在水面以上的海洋构筑物如海洋石油平台上，在水位测量的基础上，通过加速采样来实现对波面高度变化的跟踪，因此具有安全性好，维护简便的特点。但现有的应用于波面测量法的设备只能实现波高和波周期的测量，而不能测量波向、波长和波速等重要波浪参数，从而限制了这些仪器的应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于波面测量技术的基阵式波浪监测装置及其测量方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基阵式波浪监测装置，其特征在于：它包括一固定设置的水平支架，在水平支架上至少设置三个成三角形分布的水位计，所述三个水位计处于同一水平高度上；三个水位计均通过传输线及信号转换设备连接到计算机处理终端。

所述水位计为激光高度计、微波高度计、声学高度计之一。

当所述水位计为模拟信号输出的水位计时，所述水位计的测量结果经由数据采集器和串口转换器接入到所述计算机处理终端。

当所述水位计为数字信号输出的水位计时，在所述计算机处理终端上接入一串口扩展设备，所述水位计的测量结果经串口协议输入所述串口扩展设备。

所述串口扩展设备可采用串口扩展板。

一种利用所述基阵式波浪监测装置进行波浪测量的方法，包括利用任一所述水位计，对波浪进行波高和波周期的测量，其特征在于：还包括利用三个互成角度的水位计测量波向、波速、波长，步骤如下：

1)根据互相关测量信号传播延时的原理，计算波由第一所述水位计到达第二所述水位计的时间τ_AB，以及由第二所述水位计到达第三所述水位计的时间τ_AC，求解关系式为：

$R_{\mathrm{AB}}\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AB}}\right)=\frac{1}{T}{\∫}_{-T}^T{f}_A\left(t\right)\×f_B(t+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AB}})\×\mathrm{dt}---\left(1\right)$

$R_{\mathrm{AC}}\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AC}}\right)=\frac{1}{T}{\∫}_{-T}^T{f}_A\left(t\right)\×f_C(t+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AC}})\×\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中，T为信号测量时间，R_AB、R_AC为最大相关系数；

2)根据τ_AB和τ_AC，计算波向、波速、波长：

设第一所述水位计的位置点为A，第二所述水位计的位置点为B，第三所述水位计的位置点为C，则，A、B两点距离L_AB可测，A、C两点距离L_AC可测，L_AB、L_AC之间的夹角α可测，

设波浪波向与Y轴夹角为θ，波浪传播速度为c，周期为T₀，波长为λ，则根据1)可知：

c×τ_AB＝L_AB×sinθ                                             (3)

c×τ_AC＝L_AC×cos(90°-θ-α)＝L_AC×(sinθ×cosα+cosθ×sinα) (4)

由上述两方程联立求解，得到：

波向： $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{L_{\mathrm{AC}}\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AB}}\×\sin \mathrm{\α}}{L_{\mathrm{AB}}\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AC}}-L_{\mathrm{AC}}\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AB}}\×\cos \mathrm{\α}}\right)---\left(5\right)$

波速：

波长：λ＝c×T₀                                                (8)

其中，周期T₀通过任一所述水位计测量。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用遥测方式进行波浪测量，设备不需要入水，便于安装、不易丢失，具有安全性好，维护简便的特点。2、本发明将三个水位计设置为三角形基阵式，除了具有常规波面法测波设备所具备的波高、波周期、波谱测量功能外，还可以通过波浪的传播特性，利用基阵式波浪监测装置中水位计之间的空间距离和夹角以及测得的波浪传播时延，测得波向、波长、波速。本发明装置布局简单，测波方法也简单，是一具有实用价值的可应用的设计。

附图说明

图1是本发明装置一实施例的示意图

图2是本发明装置另一实施例的示意图

图3是波高、波周期测量示意图

图4是波在两点间传播的示意图

图5是利用本发明装置测量波向、波速的原理图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

如图1所示，本发明利用至少三个水位计排成空间基阵，组成基阵式波浪监测装置，装置包括如下组件：一固定设置的水平支架1，在水平支架1上至少设置三个高精度水位计2、3、4。三个水位计2、3、4在水平支架1上成三角形分布，并且因为有水平支架1这一共同的安装基础，所以保证了三个水位计2、3、4处于同一水平高度上。

三个水位计2、3、4均通过电缆5及必要的信号转换设备连接到远程的计算机处理终端6。水位计采集到波信号，经采集处理后送入到计算机处理终端，进行计算处理，最终给出波高、波向、波周期、波速、波长等波浪参数。

根据水位计输出信号形式的不同，可以采用的信号转换有两种不同的具体方式：

1)对于利用串口直接输出数字信号的水位计，可在计算机处理终端6上接入串口扩展设备7(可采用Moxa PC104串口扩展板)，如图1所示，三个水位计的测量结果直接经由水位计上的RS232接口(传输距离较远时，可选择RS422或RS485)通过电缆接入串口扩展设备7的三个输入端，再由串口扩展设备7将数据输入到计算机终端6作进一步处理。对于以其他接口形式输出水位测量数据的水位计，可以按其接口要求，接入计算机等终端设备，在此不做赘述。

2)对于模拟信号输出的水位计，可将水位计输出信号直接由电缆5输入数据采集器8(可采用CR1000)，如图2所示，数据采集器8将其转换为数字信号，再由数据采集器上的RS232接口(传输距离较远时，可选择RS422或RS485)或网口通过电缆接入计算机处理终端6作进一步处理。

上述水位计可以为激光高度计，或微波高度计，或声学高度计等商业化产品。

实际中，水平支架1可以设置在海洋石油平台或其他海洋构筑物上，水位计安装于其上。

常规水位计上都带有传感器，对于单纯测量波高和波周期来讲，理论上利用任何一个水位计，通过测量波峰和波谷之间的高度差，以及相邻两波峰或波谷到达的时间差，都可以单独测量出波高和波周期。因此对于波高和波周期测量，只需要一个水位计即可，其余两个水位计测量结果作为冗余，可以用作质量控制。但是如果还要测量波向、波速等参数，则至少需要三个水位计才能测量。

利用基阵式波浪监测装置测量波参数的方法如下：

1、波高、波周期的测量。

利用任一个水位计，对水面高度进行连续测量，根据水面高度随时间的变化曲线，如图3所示，波峰和波谷之间的高差即为波高H，相邻波峰或波谷之间的时间差即为波浪周期T₀。

2、波向、波速、波长的测量。

1)根据互相关测量信号传播延时的原理，计算出波由水位计1到达水位计2的时间，以及由水位计2到达水位计3的时间。

工程界常常利用互相关法测量信号时延。互相关函数反映了两个信号的相似程度。如图4所示，当一列波由A点传播至B点时，A点测得的波形和B点测得的波形是完全相似的，也即两者的相关性很高，两者只是相差一个延时τ_AB而已。利用上式对两个信号求相关，求得的相关函数为时差τ的函数，当τ等于τ_AB时，相关函数值为最大。也即相关函数取值最大时对应的时差τ等于波从A点传播至B点的时延τ_AB。求解关系式为：

$R_{\mathrm{AB}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{T}{\∫}_{-T}^T{f}_A\left(t\right)\×f_B(t+\mathrm{\τ})\×\mathrm{dt}---\left(1\right)$

假设一列波浪沿图5所示波向由A点过B点再传至C点，其时差分别为τ_AB和τ_AC，可以分别根据三个水位计测得的信号作互相关处理得到：

$R_{\mathrm{AB}}\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AB}}\right)=\frac{1}{T}{\∫}_{-T}^T{f}_A\left(t\right)\×f_B(t+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AB}})\×\mathrm{dt}---\left(2\right)$

$R_{\mathrm{AC}}\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AC}}\right)=\frac{1}{T}{\∫}_{-T}^T{f}_A\left(t\right)\×f_C(t+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AC}})\×\mathrm{dt}---\left(3\right)$

其中，T为信号测量时间。通过上述(2)、(3)式计算得到τ_AB和τ_AC。

2)根据τ_AB和τ_AC，计算波向、波速、波长。

如图5所示，设水位计2、3、4在同一水平面上组成三角形阵列，位置点分别为A、B、C，A、B两点距离为L_AB，可测量；A、C两点距离为L_AC，可测量；AB与AC之间的夹角为α，可测量；波浪传播方向与Y轴夹角为θ，即波向；波浪传播速度为c；周期为T₀(因为T₀已由单个传感器测得，在以下的推导中为已知量)；波长为λ。则：

c×τ_AB＝L_AB×sinθ                                               (4)

c ×τ_AC＝L_AC×cos(90°-θ-α)＝L_AC×(sinθ×cosα+cosθ×sinα)  (5)

由上述两方程联立求解，得到：

波向： $\text{\θ=arctan}\left(\frac{L_{\mathrm{AC}}\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AB}}\×\sin \mathrm{\α}}{L_{\mathrm{AB}}\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AC}}-L_{\mathrm{AC}}\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AB}}\×\cos \mathrm{\α}}\right)---\left(6\right)$

波速：

波长：λ＝c×T₀                                    (9)

为方便起见，可以将三角形ΔABC设计成内角为60°边长为L的等边三角形，则

波向： $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{\sqrt{3}\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AB}}}{2\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AC}}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AB}}}\right)---\left(10\right)$

上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式，以及可测量参数等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种基阵式波浪监测装置，其特征在于：它包括一固定设置的水平支架，在水平支架上至少设置三个成三角形分布的水位计，所述三个水位计处于同一水平高度上；三个水位计均通过传输线及信号转换设备连接到计算机处理终端。

2.如权利要求1所述的一种基阵式波浪监测装置，其特征在于：所述水位计为激光高度计、微波高度计、声学高度计之一。

3.如权利要求1或2所述的一种基阵式波浪监测装置，其特征在于：当所述水位计为模拟信号输出的水位计时，所述水位计的测量结果经由数据采集器和串口转换器接入到所述计算机处理终端。

4.如权利要求1或2所述的一种基阵式波浪监测装置，其特征在于：当所述水位计为数字信号输出的水位计时，在所述计算机处理终端上接入一串口扩展设备，所述水位计的测量结果经串口协议输入所述串口扩展设备。

5.如权利要求4所述的一种基阵式波浪监测装置，其特征在于：所述串口扩展设备采用串口扩展板。

6.一种利用如权利要求1～5之一所述基阵式波浪监测装置进行波浪测量的方法，包括利用任一所述水位计，对波浪进行波高和波周期的测量，其特征在于：还包括利用成三角形布置的三个所述水位计测量波向、波速、波长，步骤如下：

1)根据互相关测量信号传播延时的原理，计算波由第一所述水位计到达第二所述水位计的时间τ_AB，以及由第二所述水位计到达第三所述水位计的时间τ_AC，求解关系式为：

$R_{\mathrm{AB}}\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AB}}\right)=\frac{1}{T}{\∫}_{-T}^T{f}_A\left(t\right)\×f_B(t+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AB}})\×\mathrm{dt}---\left(1\right)$

$R_{\mathrm{AC}}\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AC}}\right)=\frac{1}{T}{\∫}_{-T}^T{f}_A\left(t\right)\×f_C(t+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AC}})\×\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中，T为信号测量时间，R_AB、R_AC为最大相关系数；

2)根据τ_AB和τ_AC，计算波向、波速、波长：

设第一所述水位计的位置点为A，第二所述水位计的位置点为B，第三所述水位计的位置点为C，则，A、B两点距离L_AB可测，A、C两点距离L_AC可测，L_AB、L_AC之间的夹角α可测，

设波浪波向与Y轴夹角为θ，波浪传播速度为c，周期为T₀，波长为λ，则根据1)可知：

           c×τ_AB＝L_AB×sinθ                                 (3)

c×τ_AC＝L_AC×cos(90°-θ-α)＝L_AC×(sinθ×cosα+cosθ×sinα)(4)

由上述两方程联立求解，得到：

波向： $\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{L_{\mathrm{AC}}\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AB}}\×\sin \mathrm{\α}}{L_{\mathrm{AB}}\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AC}}-L_{\mathrm{AC}}\×{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AB}}\×\cos \mathrm{\α}}\right)---\left(5\right)$

波速：

波长：λ＝c×T₀                                    (8)

其中，周期T₀通过任一所述水位计测量。

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