CN103134472A - 一种能实时监测河海波浪浪高及频率的测量装置 - Google Patents

Abstract

一种能实时监测河海波浪浪高及频率的测量装置，包括：水上部分和地面站两部分，其中：水上部分包括外罩（101）、支撑结构（102）、双轴动态倾角传感器（103）、高度方向的加速度计（104）、GPS系统（105）、微处理器（106）、水上数据传输电台（107）和电池（108）；地面部分包括便携式电脑（110）和地面无线数据传输电台（109），便携式电脑（110）通过地面无线数据传输电台（109）接收水上数据传输电台发来的数据，在地面站上实时显示河海波浪振动情况。本发明能够简单、可靠、高精度测量波浪浪高和频率的装置，适应各种使用环境。

Description

一种能实时监测河海波浪浪高及频率的测量装置

技术领域

本发明涉及一种能实时监测河海波浪浪高及频率的测量装置，

背景技术

河海波浪浪高和频率是用于堤坝汛期安全防护的重要参数，同时浪高和频率也是港口等海岸工程安全保护的重要参数，对海浪预报和预警、潮汐水温预报、渔场风浪预报、风暴潮预报、赤潮警报，海浪发电等等能起到重要作用。大量事实证明只有精确测量海浪的浪高、频率等重要参数，为海浪的动力学研究提供准确的物理数据，才能把港口工程、海岸工程、波浪发电站等设计得更加安全、经济，对海浪灾害的预测、防控、减少生命财产损失等具有重要意义。

传统的波浪测量方法通常有平台测量法、声学测量法等，平台测试法的方法是在测量装置中设计一个机械结构复杂的平台系统，保证海浪运动时测量传感器时刻保持水平。平台测量法装置直径一般大于1米，功耗大于200瓦，十分笨重。声学测量法基于超声波测距原理，由发射超声换能器向水面发射一束由窄脉冲调制的超声波，经水面反射后返回到与发射换能器在同位置上的超声波接收换能器，从而测量波浪高度。声学波浪仪一般只能测量10米的浪高，而且该仪器结构复杂，价格昂贵，限制了它的推广应用。

综上所述：传统的海浪浪高和频率的测量装置一直存在着以下主要问题：

（1）传统测量装置由于系统复杂，导致成本较高，限制了该装置的推广使用。

（2）测量装置一般都放置在江河中，电源供电较为困难，传统的测量浪高的装置一般功耗较大，给应用带来诸多不便，迫切需要低功耗的新型测量装置，以提高装置的环境适应性。

（3）由于波浪测量装置很多放置在水中，传统测量装置系统复杂，导致在江河和海洋恶劣环境中可靠性低，而当发生故障时候维修又非常不便，因此迫切需要可靠性高，便于维护的浪高测量装置。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种能实时监测河海波浪浪高及频率的测量装置，该装置能够简单、可靠、高精度测量波浪浪高和频率的装置，适应各种使用环境。

本发明技术解决方案：一种能实时监测河海波浪浪高及频率的测量装置，包括：水上部分包括外罩（101）、支撑结构（102）、双轴动态倾角传感器（103）、高度方向的加速度计（104）、GPS系统（105）、微处理器（106）、水上数据传输电台（107）和电池（108）；外罩（101），椭圆形用于罩住整个测量装置；支撑结构（102）用于放置测量装置，支撑结构表面设计时与椭圆形外罩的长轴面平行，使高度方向的加速度计与河海波浪运动方向一致；高度方向的加速度计（104）用于测量河海波浪的加速度，将高度方向的加速度计（104）在安装时与双轴动态倾角传感器（103）相互垂直，并尽量将高度方向的加速度计（104）安装在几何中心；双轴动态倾角传感器（103）测量整个支撑结构在动态环境下的两个水平方向的倾斜角度，安装时要与支撑结构（102）的平面相平行，且要与高度方向的加速度计（104）的测量方向相互垂直；GPS系统（105）用于测量用于测量水平和高度三个方向的速度和位置；高度方向的加速度计（104）、双轴动态倾角传感器（103）和GPS系统（105）将采集到的加速度、倾斜角度和速度信息通过A/D转换将输出值转换成数字信号送至微处理器（106）中，由微处理器（106）进行河海波浪高度和频率的解算及高度方向加速度信号误差补偿，然后将处理后的数据通过串口发送到水上数据传输电台（107），由水上数据传输电台（107）发送至地方；电池（108）用于为上述设备提供电源；

地面部分包括便携式电脑（110）和地面无线数据传输电台（109），便携式电脑（110）通过地面无线数据传输电台（109）接收水上数据传输电台发来的数据，在地面站上实时显示河海波浪振动情况；

所述微处理器（ARM）进行河海波浪高度和频率的解算为：

式中，h是计算得到的河海波浪高度，a_高度是测得的高度方向的加速度，Δa_高度为测量得到高度方向的加速度误差；v是河海波浪在高度方向的速度；

通过计算两次最大高度之间的时间差得到海浪运动的频率；

所述微处理器（ARM）对加速度信号误差补偿的过程为：首先判断是否有需要对高度方向的加速度信号进行误差补偿，若需要补偿，通过公式（1）、（2）对高度方向上的加速度进行补偿；

a_高度＝a_z/cosθ_z        （2）

其中： ${\mathrm{\θ}}_z=\sqrt{{\mathrm{\θ}}_x^2+{\mathrm{\θ}}_y^2}---\left(3\right)$

上式中，θx、θy为X轴和Y轴与水平面的夹角，θz为高度方向即Z轴与实际高度方向的夹角，对于求得的θz，高度方向上的加速度a_高度；

然后对高度方向由加速度计积分计算的速度进行修正，每隔一定时间积分一次计算出带有误差的速度，用该速度和GPS系统测量的高度速度进行比对，从而计算出加速度计误差，对加速度计每隔一定时间进行一次修正，根据简谐振动的运动学方程，当测量装置的高度加速度为零时，速度最大，高度速度为零时，即为高度方向加速度最大，而且加速度为零的位置出现在平衡位置，通过测量装置的加速度为零时，此时测量装置的位置规定为零高度的平衡位置，将计算所得到的高度修正为零，每1个或几个波浪周期内对装置的测量误差进行一次修正，以保证测量装置能够长时间保持一定的测量精度。

所用的双轴动态倾角传感器由2个单轴微机械倾角传感器和2个微机械角速度陀螺组合而成；2个单轴向微机械倾角传感器相互垂直安装，敏感2个轴向的倾角信号输出，2个微机械角速度陀螺相互垂直安装分别对应1个轴向的微机械倾角传感器，敏感对应轴向的角速度信号。

为了减少测量装置在海浪运动中左右摇晃的程度，所述支撑结构需要在设计上进行配重，使得测量装置的重心在几何中心。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明一种利用一个单轴加速度计，一个双轴动态倾角传感器和GPS组成的系统进行波浪浪高和频率进行测量的新的方法，使整个系统简单可靠，功率低，具有体积小，重量轻，成本低、轻便、非常适合在夏季防洪期间在江河中关键部位临时布放测量点，具有较高的环境适应性和实用性。用于汛期对堤岸、桥梁和码头等重要建筑物安全健康状况的实时监测，作为防洪监测的一个重要数据来源。

（2）本发明利用简谐振动理论中当物体速度最大，加速度为零，物体速度为零，但是加速度最大这一特性，在每个测量周期内对测量的波浪浪高参数进行修正，得到较高的精度。

（3）该项目引进GPS测量系统，可以定期对测量波浪高度方向的加速度计进行修正，从而提高测量精度，而且GPS系统也可以对装置进行定位。

（4）本发明利用双轴动态倾角传感器测量出装置倾斜角度，可通过解算出加速度计偏离垂线的角度来补偿因海浪晃动造成加速度计倾斜而引起的测量误差，从而提高测量精度。

附图说明

图1本发明测量工作原理框图；

图2为本发明测量装置的应用示意图；

图3为本发明测量装置的组成示意图；

图4为本发明的信息处理运算流程图；

图5为本发明测量装置在应用中的摇摆角偏差示意图。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明包括：水上部分包括外罩101、支撑结构102、双轴动态倾角传感器103、高度方向的加速度计104、GPS系统105、微处理器106、水上数据传输电台107和电池108；外罩101，椭圆形用于罩住整个测量装置；支撑结构102用于放置测量装置，支撑结构表面设计时与椭圆形外罩的长轴面平行，使高度方向的加速度计与河海波浪运动方向一致；高度方向的加速度计104用于测量河海波浪的加速度，将高度方向的加速度计104在安装时与双轴动态倾角传感器103相互垂直，并尽量将高度方向的加速度计104安装在几何中心；双轴动态倾角传感器103测量整个支撑结构在动态环境下的两个水平方向的倾斜角度，安装时要与支撑结构102的平面相平行，且要与高度方向的加速度计104的测量方向相互垂直；GPS系统105用于测量用于测量水平和高度三个方向的速度和位置；高度方向的加速度计104、双轴动态倾角传感器103和GPS系统105将采集到的加速度、倾斜角度和速度信息通过A/D转换将输出值转换成数字信号送至微处理器106中，由微处理器106进行河海波浪高度和频率的解算及高度方向加速度信号误差补偿，然后将处理后的数据通过串口发送到水上数据传输电台107，由水上数据传输电台107发送至地方；电池108用于为上述设备提供电源；

地面部分包括便携式电脑110和地面无线数据传输电台109，便携式电脑110通过地面无线数据传输电台109接收水上数据传输电台发来的数据，在地面站上实时显示河海波浪振动情况；

由于海浪的波动会使装置倾斜而产生误差，所以需对高度方向上加速度计信息的补偿，其摇摆角偏差示意图如图5所示。根据数学中向量的知识，当物体出现倾斜时候，高度方向的加速度会投影分解到两个水平轴上，两个水平轴上的倾斜角度由一个双轴动态倾角传感器测量出。高度轴上的偏角与水平轴上两个倾斜角度满足下面的关系：

${\mathrm{\θ}}_z=\sqrt{{\mathrm{\θ}}_x^2+{\mathrm{\θ}}_y^2}$

上式中，θx、θy为X轴和Y轴与水平面的夹角，θz为Z轴与实际高度方向的夹角，高度方向上的加速度a_高度通过下式进行补偿，

a_高度＝a_z/cosθ_z。

微处理器106对采集到的加速度、倾角、GPS信号进行分析，首先看是否有需要对加速度信号进行误差补偿，若需要补偿，一方面通过算法对加速度信息进行修正输出，另一方面可通过倾斜角对高度方向上的加速度进行补偿；然后对高度方向由加速度计积分计算的速度不进行修正，每300秒积分一次计算出带有误差的速度，用该速度和GPS的高度速度进行比对，从而计算出加速度计误差，对高度轴加速度计每300秒进行一次修正。根据简谐振动的运动学方程可以知道，当装置的垂直加速度为零时，速度最大，垂向速度为零时，即为高度方向加速度最大，而且加速度为零的位置出现在平衡位置，所以可以通过测量装置的加速度为零时，此时装置的位置规定为零高度的平衡位置，此时将计算所得到的高度修正为零，每1个或几个波浪周期内对装置的测量误差进行一次修正，以保证装置能够长时间保持一定的测量精度。

河海波浪高度结算流程如图4所示。

在微处理器中，浪高解算公式为：

式中，h是计算得到的河海波浪高度，a_高度是测得的真实的高度方向的加速度，Δa_高度为测量得到高度方向的加速度误差；v是河海波浪在高度方向的速度；

河海波浪频率结算公式为：

$f=\frac{1}{\mathrm{\ΔT}}$

式中f为波浪的当前频率，ΔT为前后两次波浪最大高度之间的时间差。

本发明中双轴动态倾角传感器由2个单轴微机械倾角传感器和2个微机械角速度陀螺组合而成；2个单轴向微机械倾角传感器相互垂直安装，敏感2个轴向的倾角信号输出，2个微机械角速度陀螺相互垂直安装分别对应2个轴向的微机械倾角传感器，敏感对应轴向的角速度信号。

为了减少测量装置在海浪运动中左右摇晃的程度，所述支撑结构需要在设计上进行配重，使得测量装置的重心在几何中心。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (3)

1.一种能实时监测河海波浪浪高及频率的测量装置，其特征在于包括：水上部分和地面站两部分，其中：

水上部分包括外罩（101）、支撑结构（102）、双轴动态倾角传感器（103）、高度方向的加速度计（104）、GPS系统（105）、微处理器（106）、水上数据传输电台（107）和电池（108）；外罩（101），椭圆形用于罩住整个测量装置；支撑结构（102）用于放置测量装置，支撑结构表面设计时与椭圆形外罩的长轴面平行，使高度方向的加速度计与河海波浪运动方向一致；高度方向的加速度计（104）用于测量河海波浪的加速度，将高度方向的加速度计（104）在安装时与双轴动态倾角传感器（103）相互垂直，并尽量将高度方向的加速度计（104）安装在几何中心；双轴动态倾角传感器（103）测量整个支撑结构在动态环境下的两个水平方向的倾斜角度，安装时要与支撑结构（102）的平面相平行，且要与高度方向的加速度计（104）的测量方向相互垂直；GPS系统（105）用于测量用于测量水平和高度三个方向的速度和位置；高度方向的加速度计（104）、双轴动态倾角传感器（103）和GPS系统（105）将采集到的加速度、倾斜角度和速度信息通过A/D转换将输出值转换成数字信号送至微处理器（106）中，由微处理器（106）进行河海波浪高度和频率的解算及高度方向加速度信号误差补偿，然后将处理后的数据通过串口发送到水上数据传输电台（107），由水上数据传输电台（107）发送至地方；电池（108）用于为上述设备提供电源；

地面部分包括便携式电脑（110）和地面无线数据传输电台（109），便携式电脑（110）通过地面无线数据传输电台（109）接收水上数据传输电台发来的数据，在地面站上实时显示河海波浪振动情况；

所述微处理器进行河海波浪高度和频率的解算为：

式中，h是计算得到的河海波浪高度，a_高度是测得的真实的高度方向的加速度，Δa_高度为测量得到高度方向的加速度误差；v是河海波浪在高度方向的速度；

通过计算两次最大高度之间的时间得到海浪运动的频率；

所述微处理器对加速度信号误差补偿的过程为：首先判断是否有需要对高度方向的加速度信号进行误差补偿，若需要补偿，通过公式（1）、（2）对高度方向上的加速度进行补偿；

a_高度＝a_z/cosθ_z            （2）

其中： ${\mathrm{\θ}}_z=\sqrt{{\mathrm{\θ}}_x^2+{\mathrm{\θ}}_y^2}---\left(3\right)$

上式中，θx、θy为X轴和Y轴与水平面的夹角，θz为高度方向即Z轴与实际高度方向的夹角，a_高度为高度方向上的加速度；

然后对高度方向由加速度计积分计算的速度进行修正，每隔一定时间积分一次计算出带有误差的速度，用该速度和GPS系统测量的高度速度进行比对，从而计算出加速度计误差，对加速度计每隔一定时间进行一次修正，根据简谐振动的运动学方程，当测量装置的高度加速度为零时，速度最大，高度速度为零时，即为高度方向加速度最大，而且加速度为零的位置出现在平衡位置，通过测量装置的加速度为零时，此时测量装置的位置规定为零高度的平衡位置，将计算所得到的高度修正为零，每1个或几个波浪周期内对装置的测量误差进行一次修正，以保证测量装置能够长时间保持一定的测量精度。

2.根据要求1所述的一种能实时监测河海波浪浪高及频率的测量装置，其特征在于：所用的双轴动态倾角传感器由2个单轴微机械倾角传感器和2个微机械角速度陀螺组合而成；2个单轴向微机械倾角传感器相互垂直安装，敏感2个轴向的倾角信号输出，2个微机械角速度陀螺相互垂直安装分别对应1个轴向的微机械倾角传感器，敏感对应轴向的角速度信号。

3.根据要求1所述的一种能实时监测河海波浪浪高及频率的测量装置，其特征在于：为了减少测量装置在海浪运动中左右摇晃的程度，所述支撑结构需要在设计上进行配重，使得测量装置的重心在几何中心。

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