CN106525006A - 一种表层波流移动观测系统 - Google Patents

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Abstract

一种表层波流移动观测系统，涉及海洋波浪、海流观测。设有观测平台和岸站数据收发平台，观测平台设有标体、温度传感器、电池组、太阳能板、航标灯、电池组支撑架、仪器舱和配重块；标体由上下端盖组成，航标灯设在观测平台上端盖外表面上，温度传感器设在下端盖外表面上，太阳能板、仪器舱设在标体内，电池组设在仪器舱底部，电池组支撑架设在电池组的底部，配重块设在电池组支撑架的底部，仪器舱内设有GPS接收机、惯性测量单元、通讯模块、数据收发电路；GPS接收机的接收天线设在仪器舱上，通讯模块的接收天线设在仪器舱上，GPS接收机、惯性测量单元、温度传感器、通讯模块分别与数据收发电路连接；观测平台通过通讯模块与岸站数据收发平台通讯。

Description

一种表层波流移动观测系统
技术领域
本发明涉及海洋波浪、海流观测，尤其是涉及用于海洋表面波浪场、流场等动力学参数测量的一种表层波流移动观测系统。
背景技术
在各海洋水文要素中，波浪对人类活动影响最大也最复杂。提供高品质的波浪资料有助于对波浪特性的了解，进而为海洋开发、自然灾害防治、海洋工程规划、航行安全等提供重要依据。
波浪观测方法主要分为直接观测和遥测。前者一般是通过观测仪器直接与波浪接触,直接观测波浪特性；后者则是利用摄影或无线电来获取海浪资料。波浪浮标无人值守，具有可长期作业、自动连续观测等优点，被广泛用于波浪观测。传统的波浪浮标将单轴加速度计固连在稳定平台上，并使用倾角计和电子罗盘，由锚系系统固定于海底来测量近海波浪[1-4]，近些年出现了以单个GPS接收机来测量波浪的方式[5,6]，还有研究工作者将波浪浮标中的加速度传感器测波单元、GPS测波单元和导航雷达获取的信息融合、统计处理，共同用于监测近海波浪参数[7]。
传统的加速度式波浪浮标一般以定点方式观测近岸波浪，由于涉及庞大的标体和锚系系统，其布放较复杂，费用较高，而且其观测区域有限，效率较低；而对于单个测波GPS，由于其信号无法穿透水体，在使用时可能会因为信号中断出现数据缺失，且完全依赖外部卫星信息，自主性不足。随着近年来微机电系统(Micro-Electro Mechanical System,MEMS)技术的革新，陀螺、加速度计等传感器体积逐步减小，测量精度不断提高，而成本则逐年下降，为小型波浪浮标的自主移动观测提供了可能。
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发明内容
为了弥补现有技术的上述不足，本发明的目的在于提供一种表层波流移动观测系统。
本发明设有观测平台和岸站数据收发平台，所述观测平台设有标体、温度传感器、电池组、太阳能板、航标灯、电池组支撑架、仪器舱和配重块；所述标体由上端盖和下端盖组成，所述上端盖与下端盖盖合，航标灯设在观测平台上端盖外表面上，温度传感器设在下端盖外表面上，太阳能板、仪器舱设在标体内，电池组设在仪器舱底部，电池组支撑架设在电池组的底部，配重块设在电池组支撑架的底部，仪器舱内设有GPS接收机、惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)、通讯模块、数据收发电路；GPS接收机的接收天线设在仪器舱上，通讯模块的接收天线设在仪器舱上，GPS接收机、惯性测量单元、温度传感器、通讯模块分别与数据收发电路连接；观测平台通过通讯模块与岸站数据收发平台通讯。
岸站数据收发平台通过岸站数据收发软件程序接收观测平台传输的数据，计算波浪参数、绘制观测平台轨迹等，还可通过岸站数据收发软件程序用于对观测平台控制命令的发送，完成观测平台工作参数的调整和设置。
所述上端盖采用钢化玻璃材料。由于惯性测量单元中的惯性传感器易受环境磁场干扰，故下端盖以及观测平台内部各组件均采用非金属不导磁材料，电池组的外壳采用磁屏蔽处理。为了免受剧烈温度变化带来的影响，电池组放置于观测平台底部，观测时一直处于海面以下。
由于观测平台体积较小，质量较轻且无相关锚系系统，因此可进行手持布放。布放后，观测平台随波逐流进行观测，向岸站数据收发平台定时传输以下数据内容(定时传输的时间间隔可调)：GPS接收机/惯性测量单元测量的三维速度数据，惯性测量单元采集的三轴陀螺/三轴加速度计数据，温度传感器采集的表层海水温度数据，GPS接收机和惯性测量单元输出的观测平台位置、速度、航向、姿态、系统时间，通讯方式和各部分的工作状态，并接受岸站数据收发平台发送的命令，主要有：数据定时传输的时间间隔设置，GPS接收机定位校准惯性测量单元的时间间隔设置，惯性测量单元发送数据的频率设置,温度传感器发送数据的频率设置，对通讯模块中的铱星和GPRS通讯形式进行选择设置。
本发明中的标体是球形密封壳体，包含上端盖和下端盖，上端盖采用钢化玻璃材料，下端盖采用非金属材料，内部无运动部件；为防止观测平台倾倒，配重装置采用配重块。
本发明中的观测平台随海流漂移，包括近岸和中远海区域进行表层海流、波浪和海水温度等要素观测，抛弃使用，可大量密集布放，于海上形成观测阵列。
岸站数据收发软件程序对GPS接收机测量的速度数据进行波浪参数的计算：
1)计算GPS接收机测得的三维速度数据的交叉谱；
2)通过有限傅里叶级数法得到方向波谱，由方向波谱得主波向D1；
3)计算方向波谱对方向及频率积分后波谱的零次矩和二次矩得有义波高H1和平均周期T1。
岸站数据收发软件程序对惯性测量单元测量的速度数据进行波浪参数的计算：
1)计算惯性测量单元测得的三维速度数据的交叉谱；
2)通过有限傅里叶级数法得到方向波谱，由方向波谱得主波向D2；
3)计算方向波谱对方向及频率积分后波谱的零次矩和二次矩得有义波高H2和平均周期T2。
由于本发明中的观测平台长期漂流于海上进行观测，可能经历极端气候和环境，且GPS信号无法穿过水体，从而导致GPS接收机工作状态不稳定。当GPS接收机和惯性测量单元工作状态均正常时，最终的波浪参数值取GPS接收机波浪参数测算值和惯性测量单元波浪参数测算值的算术平均，即：有义波高H＝(H1+H2)/2，平均周期T＝(T1+T2)/2，主波向D＝(D1+D2)/2；当GPS接收机工作状态正常但惯性测量单元工作状态不正常时，最终的波浪参数值应舍弃惯性测量单元的波浪参数测算结果，即：有义波高H＝H1，平均周期T＝T1，主波向D＝D1；当惯性测量单元工作状态正常但GPS接收机工作状态不正常(如：信号受到较强干扰或无信号等)时，最终的波浪参数值应舍弃GPS接收机的波浪参数测算结果，即：有义波高H＝H2，平均周期T＝T2，主波向D＝D2；当GPS接收机和惯性测量单元工作状态均不正常时，观测平台出现问题，应直接抛弃。
由拉格朗日测流法，通过GPS接收机和惯性测量单元测得的速度数据可得海流的速度：当GPS接收机和惯性测量单元工作状态均正常时，海流速度取GPS接收机和惯性测量单元测量速度的算术平均；当GPS接收机工作状态正常但惯性测量单元工作状态不正常时，海流速度取GPS接收机测量速度；当惯性测量单元工作状态正常但GPS接收机工作状态不正常时，海流速度取惯性测量单元测量速度；当GPS接收机和惯性测量单元工作状态均不正常时，观测平台出现问题，应直接抛弃。
本发明主要用于其流经区域的表层海流，海浪和海水温度的测量。表层波流移动观测平台测量现场数据并传输给岸站数据收发平台，岸站数据收发平台分类存储数据，计算相关波浪要素并发送命令设置表层波流移动观测平台的工作参数。
本发明具有以下优点：集成GPS和惯性测量单元测波，多传感器融合，提高测量精度和稳定性；体积较小，重量较轻，易于布放且费用较低，抛弃使用；随波性佳，对流场干扰较小，可随波漂流，到达中远海区域进行观测；可大量密集布放，于海上形成观测阵列。
附图说明
图1为本发明实施例的观测平台结构组成示意图；
图2为本发明实施例的各组成间数据和命令传输关系。
具体实施方式
下面结合附图，进一步详细阐释本发明的技术方案。
参见图1和2，本发明实施例设有观测平台1和岸站数据收发平台2，所述观测平台1设有标体、温度传感器13、电池组17、太阳能板18、航标灯21、电池组支撑架22、仪器舱23和配重块24；所述标体由上端盖19和下端盖20组成，所述上端盖19与下端盖20盖合，航标灯21设在观测平台1上端盖19外表面上，温度传感器13设在下端盖20外表面上，太阳能板18、仪器舱23设在标体内，电池组17设在仪器舱23底部，电池组支撑架22设在电池组17的底部，配重块24设在电池组支撑架22的底部，仪器舱23内设有GPS接收机11、惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)12、通讯模块15、数据收发电路16；GPS接收机11的接收天线111设在仪器舱23上，通讯模块15的接收天线151设在仪器舱23上，GPS接收机11、惯性测量单元12、温度传感器13、通讯模块15分别与数据收发电路16连接；观测平台1通过通讯模块15与岸站数据收发平台2通讯；岸站数据收发平台2通过岸站数据收发软件程序接收观测平台1传输的数据，计算波浪参数、绘制观测平台1轨迹等，还可通过岸站数据收发软件程序用于对观测平台1控制命令的发送，完成观测平台1工作参数的调整和设置。
所述上端盖19采用钢化玻璃材料。由于惯性测量单元12中的惯性传感器易受环境磁场干扰，故下端盖20以及观测平台1内部各组件均采用非金属不导磁材料，电池组17的外壳采用磁屏蔽处理。为了免受剧烈温度变化带来的影响，电池组17放置于观测平台1底部，观测时一直处于海面以下。
由于观测平台1体积较小，质量较轻且无相关锚系系统，因此可进行手持布放。布放后，观测平台1随波逐流进行观测，向岸站数据收发平台2定时传输以下数据内容(定时传输的时间间隔可调)：GPS接收机11/惯性测量单元12测量的三维速度数据，惯性测量单元12采集的三轴陀螺/三轴加速度计数据，温度传感器13采集的表层海水温度数据，GPS接收机11和惯性测量单元12输出的观测平台1位置、速度、航向、姿态、系统时间，通讯方式和各部分的工作状态，并接受岸站数据收发平台2发送的命令，主要有：数据定时传输的时间间隔设置，GPS接收机11定位校准惯性测量单元12的时间间隔设置，惯性测量单元12发送数据的频率设置,温度传感器13发送数据的频率设置，对通讯模块15中的铱星和GPRS通讯形式进行选择设置。
本发明中各组成间数据和命令传输关系如图2所示。
岸站数据收发平台2中的岸站数据收发软件程序对观测平台1传输来的数据进行分类存储，将GPS接收机11/惯性测量单元12测量的三维速度数据用于计算观测平台1所经路径的波浪参数，具体过程如下：
1)由GPS接收机11测量的速度数据求取波浪参数
a)将GPS接收机11测量的三维速度数据由式(1)计算互相关函数Rmn(τ)：
式(1)中，T表示记录时间长度，t表示时刻，τ表示延时，m,n＝1,2,3，分别代表垂直，东西和南北方向且m≤n，Vm(t)表示其中一个方向上的速度时间序列。当m＝n时，Rmm(τ)表示自相关函数。
b)根据式(2)求取Rmn(τ)的傅里叶变换得交错谱φmn(f)：
式(2)中，f表示频率，e-i2πfτ表示傅里叶变换因子。式(2)所得之交错谱为复数形式，可用式(3)表示：
φmn(f)＝Cmn(f)-iQmn(f) (3)
式(3)中，Cmn(f)表示同位谱，Qmn(f)表示转向谱，i表示虚数单位。
c)交错谱φmn(f)和方向波谱S(f,θ)具有以下关系：
式(4)中：xmn和ymn表示量测仪器间的几何距离；θ表示波向；k表示波数；Hm(f,θ)表示不同观测物理量间的传递函数，表示传递函数的共轭，i表示虚数单位。
由于式(4)很难准确求解，目前，对于方向波谱的分析大多通过测得的波浪特性间的交错谱进行推算，主要包括以下方法：有限傅立叶级数法、最大概似法、最大熵法、贝氏推估法及参数推估法等。其中，有限傅立叶级数法具有计算快速、稳定、不易发散等优点,为最常应用的分析方法。
有限傅立叶级数法假设方向波谱可以展开成有限阶数的傅立叶级数：由于此处仅能测得三个方向上的速度，所以，N＝2，有：
式(5)中：a0＝C11(f)/π，a1＝Q12(f)/(πk)，a2＝(C22(f)-C33(f))/(πk2)，b1＝Q13(f)/(πk)，b2＝2C23(f)/(πk2)，且有：
Q11(f)＝Q22(f)＝Q33(f)＝Q23(f)＝C12(f)＝C13(f)＝0
方向波谱S(f,θ)可以表示为频率谱S(f)和方向分布函数D(f,θ)之乘积S(f,θ)＝S(f)D(f,θ)。其中，方向分布函数D(f,θ)可表示为：
式中：平均波向
主波向或这两者中离θ1更近者，r1和r2分别表示θ1和θ2对应的波浪方向分布宽度，且tan-1表示反正切函数。
d)对方向波谱S(f,θ)的方向、频率进行积分，计算其零次矩m0和二次矩m2f，按照式(7)和式(8)可得有义波高H1和平均周期T1：
2)由惯性测量单元12测量的速度数据求取波浪参数
由于根据惯性测量单元12测量的速度数据求取波浪参数的原理和根据GPS接收机11数据求取波浪参数的原理相同，故在此不再敖述。
3)波浪参数的最终确定
GPS量测波浪简单快速，但由于观测平台1长时间在海上漂浮，可能会遇到极端环境和气候，导致GPS接收机11信号不佳或缺失，而惯性测量单元12中惯性器件的短时精度较高，但其输出会随着工作时间的增加出现漂移，现平衡两者优缺点，进行多传感器融合，确定最终的波浪参数：当GPS接收机11和惯性测量单元12工作状态均正常时，最终的波浪参数值取GPS接收机11波浪参数测算值和惯性测量单元12波浪参数测算值的算术平均，即：有义波高H＝(H1+H2)/2，平均周期T＝(T1+T2)/2，主波向D＝(D1+D2)/2；当GPS接收机11工作状态正常但惯性测量单元12工作状态不正常时，最终的波浪参数值应舍弃惯性测量单元12的波浪参数测算结果，即：有义波高H＝H1，平均周期T＝T1，主波向D＝D1；当惯性测量单元12工作状态正常但GPS接收机11工作状态不正常时，最终的波浪参数值应舍弃GPS接收机11的波浪参数测算结果，即：有义波高H＝H2，平均周期T＝T2，主波向D＝D2；当GPS接收机11和惯性测量单元12工作状态均不正常时，观测平台1出现问题，应直接抛弃。
与波浪参数的最终确定类似，岸站数据收发软件程序根据GPS接收机11和惯性测量单元12测量的速度数据及各自的工作状态来确定海流参数。
所述惯性测量单元12包括三轴加速度计和三轴陀螺仪。两者的主要功能是用于在观测平台1所经路径上测量其速度数据，供岸站数据收发软件程序计算波高、波周期和波向等波浪参数信息，还可用于拉格朗日测流和观测平台1的组合导航。
所述温度传感器13主要用于在观测平台1所经路径上采集表层海水温度数据，进行测温。
所述电池组17和太阳能板18组成电力模块，用于观测平台1在移动观测中的电力供给。
所述通讯模块15主要包括铱星和通用分组无线服务(General Packet RadioService，GPRS)通讯系统，用于观测平台1和岸站数据收发平台2之间的数据和命令传输。
所述数据收发电路16主要用于采集GPS接收机11、惯性测量单元12和温度传感器13的测量数据和工作状态，打包发送给通讯模块15，进而传输给岸站数据收发平台2，并用于接收岸站数据收发平台2通过通讯模块15发来的命令，传输给GPS接收机11、惯性测量单元12和温度传感器13等各部分。
所述岸站数据收发软件程序主要用于接收观测平台1传输的数据，计算波浪参数、绘制观测平台1轨迹等，还可用于对观测平台1控制命令的发送，完成观测平台1工作参数的调整和设置。

Claims (6)

1.一种表层波流移动观测系统，其特征在于设有观测平台和岸站数据收发平台，所述观测平台设有标体、温度传感器、电池组、太阳能板、航标灯、电池组支撑架、仪器舱和配重块；所述标体由上端盖和下端盖组成，所述上端盖与下端盖盖合，航标灯设在观测平台上端盖外表面上，温度传感器设在下端盖外表面上，太阳能板、仪器舱设在标体内，电池组设在仪器舱底部，电池组支撑架设在电池组的底部，配重块设在电池组支撑架的底部，仪器舱内设有GPS接收机、惯性测量单元、通讯模块、数据收发电路；GPS接收机的接收天线设在仪器舱上，通讯模块的接收天线设在仪器舱上，GPS接收机、惯性测量单元、温度传感器、通讯模块分别与数据收发电路连接；观测平台通过通讯模块与岸站数据收发平台通讯。
2.如权利要求1所述一种表层波流移动观测系统，其特征在于所述岸站数据收发平台通过岸站数据收发软件程序接收观测平台传输的数据，计算波浪参数、绘制观测平台轨迹。
3.如权利要求1所述一种表层波流移动观测系统，其特征在于所述岸站数据收发平台通过岸站数据收发软件程序用于对观测平台控制命令的发送，完成观测平台工作参数的调整和设置。
4.如权利要求1所述一种表层波流移动观测系统，其特征在于所述上端盖采用钢化玻璃材料。
5.如权利要求1所述一种表层波流移动观测系统，其特征在于所述下端盖以及观测平台内部各组件均采用非金属不导磁材料。
6.如权利要求1所述一种表层波流移动观测系统，其特征在于所述电池组的外壳采用磁屏蔽处理。
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