CN109211205A - 浅水环境下激光测波装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及浅水环境下激光测波装置及方法，包括滑杆、箱体容器、激光传感器、数据采集器和处理器；利用发射角度小、距离大和精度高的激光束和滑杆、浮体配合测量水表的波动，通过数据采集器将激光传感器所测原始数据进行本地备份、远程无线传输和存储，最后通过处理器进行数据处理估算波高、周期和频率谱等特征参数。本发明的装置和方法能够充分满足室内水槽实验和野外长期连续实时监测波浪的需要，解决现有装置适用条件苛刻、测量精度低和实时性差等问题。
Description
技术领域
本发明属于水文水资源及环境监测领域，具体涉及浅水环境下激光测波装置和方法，适用于浅水环境条件下高频率和低能量的表面波动的测量、数据无线传输和波要素自动计算。
背景技术
波浪是水体运行形式之一，它是一种比较复杂的波动，引起水体波动的因素有很多，如风、船、密度差、大气压变化、天体引潮力和地震等，自然界中的波动现象是多种因素协同作用的结果。自然水体中的波浪测量，不仅是岸线保护、工程结构设计和船舶工程等重要基础，也对内陆水体环境研究和保护有重要意义。
目前，已经发展了多种表面波浪监测技术和方法，包括压力式、超声波和电容式等。压力式测波仪器利用安装在水面以下的压力传感器测量水表波动导致的水压变化来监测风浪，但是这种方法会受到水深滤波作用的影响，其监测精度受控于测点水深，而且受仪器自身尺寸影响，也不能用于实验室测波。利用超声波测波是一种非接触式测波技术，但是其存在发射角过大，对小波测量精度不高的问题。电容式测波设备则存在安装复杂、直接暴露在波浪中的电容丝线易损毁和设备需要经常维护校正等问题。红色可见光激光具有发射角度小，传播距离长，精准度高的特点，分辨率能达到毫米级别，将此应用于浅水环境条件下波浪测量，能够更加精确的捕捉高频低能波浪过程。此外，现有装置还存在对数据采集、传输和处理自动化程度不高的问题。这些装置往往是测算分离的，在仪器测得原始数据后，需要专业人员多数据进行分析计算才能最终获得描述水体波动的特征参数。这样将降低测波效率，不能实时获得水面的波浪情况，这对航行、环保和养殖等等都是不利的。
发明内容
本发明的目的是提供一种浅水环境下激光测波装置和方法，可以利用发射角度小、距离大和精度高的激光束以超高的频率测量水表的波动。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种浅水环境下激光测波装置，包括滑杆、箱体容器、浮体、激光传感器、数据采集器和处理器；
所述箱体容器垂直固定于滑杆上，用于容纳电源和耗电设备；箱体优选为不锈钢材质；
所述激光传感器固定于箱体容器下表面，向下垂直发射激光；
所述浮体组成包括滑动部和浮力提供部，所述滑动部连接滑杆下部，沿滑杆滑动；所述浮力提供部为提供浮力的材料；所述浮力提供部中心位于激光传感器激光发射中心正下方，浮力提供部上表面水平，用于反射激光传感器发射的激光；浮体漂浮在水表，始终与水表同步上下运动；在无任何水动力干扰下，漂浮在水面的浮体能够不受滑杆限制而自由的上下运动；在有波浪干扰下，浮体能够通过滑动部在滑杆中以最小的阻力上下运动；
所述数据采集器固定于箱体容器内部，接收激光传感器发送的数据，并通过通信模块将数据发送至处理器处理。
作为本发明的进一步改进，还包括光伏发电装置，所述光伏发电装置包括光伏板、太阳能控制器和蓄电池；
所述光伏板设置于箱体容器上表面，光伏板一端连接滑杆，另一端连接箱体容器；光伏板和箱体容器上表面间形成倾角；优选为45°倾角；
所述太阳能控制器和蓄电池设置于箱体容器内部，太阳能控制器输入端通过电缆连接光伏板，输出端分别连接蓄电池和接线柱，所述接线柱连接耗电设备。光伏发电装置可为耗电设备在野外环境下连续稳定工作提供电力保障。同时，耗电设备也可以通过逆变器与220V交流电相连接，由民用交流电驱动。
作为本发明的进一步改进，所述滑杆内纵向设有凹槽；所述浮体滑动部为T型结构，T型头部为与滑杆内凹槽适配的条形结构，T型头两侧设有两排滚轮，T型头部嵌合在滑杆凹槽内，通过滚轮沿滑杆上下移动；T型尾部连接浮力提供部。
作为本发明的进一步改进，所述滑杆底部设有铆头；滑杆被铅直安装在浅水水体中时，其带有铆头的一端打击入沉积物中，可起到固定作用。优选的，同时滑杆上端固定在外部固定设施上，如三棱锥形支架。
所述滑杆上部固定有两条带有螺丝的平行横梁；所述箱体容器上开设有带内螺纹的贯通孔；箱体容器和滑杆通过螺丝和贯通孔螺纹连接。
作为本发明的进一步改进，所述浮体材质为聚丙烯。聚丙烯材质密度低，强度高，不易损坏。
作为本发明的进一步改进，所述浮力提供部为圆柱体结构，直径2-5cm；圆柱体直径过大，对水面升降反应的灵敏度会下降，过小则不利于激光束对准。进一步的，圆柱体高10cm，滑杆铅直安装在平静浅水水体中时，圆柱体浮体5cm位于水面以下。波浪破碎导致的白浪会击打浮体，浮体高度过小，将被暂时性的淹没，导致激光传感器无法正常工作。
作为本发明的进一步改进，滑杆铅直安装在平静浅水水体中时，浮力提供部上表面和激光传感器的发射头距离在1m以上。湖泊浪高最大值通常在1m左右，如果发射距离小于1m，可能导致测量仪器超过量程，无法监测大浪的浪高。具体根据前期对监测对象波浪情况的考察情况调整距离值。
作为本发明的进一步改进，所述激光传感器通过标准通讯协议将采集的数据以固定时间间隔发送至数据采集器；
所述数据采集器将数据存储在本地记录器中，并通过通讯模块和商用通信网络分别将数据发送至用户终端的处理器和云端服务器。
作为本发明的进一步改进，箱体容器内部设有分隔板，将箱体容器分为上下两层，太阳能控制器、蓄电池和接线柱组成的供能装置、数据采集器和通信模块安装于上层，激光传感器放于下层；箱体容器下层底板开有方形口，激光传感器的发射端和接收端从箱体容器下表面伸出，进行激光发射、接收。优选在箱体容器正面安装带钥匙的单开门。
本发明的另一目的在于提供上述装置用于浅水环境下激光测波的方法，可实现数据自动处理，本发明的方法包括如下步骤：
1)将滑杆铅直安装在浅水水体中，激光传感器位于水面上方，浮体漂浮在水表；
2)水面以上的激光传感器向位于其正下方的浮体发射10～20Hz不同频率的可见激光束；
激光传感器收从浮体返回的散射激光之后，将接收到的信号与参考信号相对比，并通过微处理器计算出相应的相位偏移所对应的距离值，之后将数据发送至数据采集器；
3)数据采集器接收激光传感器发送的数据，并发送至处理器或云端服务器进行数据处理，计算波浪特征要素，包括波高、周期和频率谱；
数据处理步骤具体如下：
a)采用Mann-Kendall法对单测次原始数据趋势开展检验；
b)根据a)的检验结果，在该测次原始数据具有显著上升趋势或显著下降趋势时，采用回归分析对该测次原始数据开展去趋势处理，获取去趋势之后的波面升降记录值；
c)基于上跨0点法计算有效波高和周期；
其中，基于b)中获取的波面升降记录值，以上跨0点一侧的显著波峰与另外一侧的显著波谷之间的高度为波高；两个相邻显著波峰之间的时间为周期；1/3大波均值为有效波高和周期；
d)基于协方差函数计算水表波动的频率谱估计，获取波浪的频率谱。
本发明具有以下优点：
(1)激光有发射角度小和测量频率高(最高达30Hz以上)的特点，能够达毫米级的测量精度，极大提高对浅水水体高频低能波浪的监测能力。
(2)利用自动传输设备实现激光传感器所测原始数据的本地备份、远程无线传输和存储，从数据采集、传输和计算均实现了自动化，能够实时获得野外浅水水体表面波动的实时信息。
(3)装置人工消耗少，取样效率高并且免维护，能够充分满足室内水槽实验和野外长期连续实时监测波浪的需要。解决现有装置适用条件苛刻、测量精度低、实时性差、需要二次解译波浪数据、不能实现实时监测水面波动状况和设备需要不断维护校正等问题。
(4)耗电设备均位于水面以上、并用箱体容器保护，这使得仪器设备的安全性、稳定性和操作性均得以提高。仪器模块化组装，可方便的拆卸和组装，简便实用。
附图说明
图1是浅水环境下激光测波装置侧视图。
图2是箱体容器内装置结构示意图。
图3是滑杆结构图。
图4是聚丙烯低阻力浮体结构图。
图5是激光传感器记录的原始数据及趋势性分析。
图6是经过Mann-Kendall法和回归分析后去趋势的波面升降记录。
图7是采用协方差函数估计的无因次密度谱曲线。
图中：1光伏板，2天线，3箱体容器，4激光传感器，5滑杆，6浮体，7铆头，8蓄电池，9太阳能控制器，10接线柱，11数据采集器，12通信模块，13电缆，14贯通孔，15横梁，16螺丝，17路由器，18服务器，19鼠标，20键盘，21显示器。
具体实施方式
实施例1
如图1～4所示的浅水环境下激光测波装置，包括滑杆5、箱体容器3、浮体6、激光传感器4、数据采集器11、光伏发电装置和处理器；光伏发电装置包括光伏板1、太阳能控制器9和蓄电池8，处理器为包含处理器的计算机，包括鼠标19、键盘20和显示器21。
如图2所示，所述箱体容器3垂直固定于滑杆5上，箱体容器3内部设有分隔板，将箱体容器3分为上下两层，太阳能控制器9、蓄电池8和接线柱10组成的供能装置、数据采集器11和通信模块12安装于上层，激光传感器4放于下层；箱体容器3下层底板开有方形口，激光传感器4的发射端和接收端从箱体容器3下表面伸出，进行激光发射、接收。箱体容器3正面安装带钥匙的单开门，箱体容器3整体材质为不锈钢。
所述光伏板1设置于箱体容器3上表面，光伏板1一端连接滑杆5，另一端连接箱体容器3；光伏板1和箱体容器3上表面间形成45°倾角；太阳能控制器9输入端通过电缆13连接光伏板1，输出端分别连接蓄电池8和接线柱10，接线柱10连接耗电设备，包括激光传感器4、数据采集器11、通信模块12。
如图1、图3所示，滑杆5底部设有铆头7，滑杆5内纵向设有凹槽；滑杆5上部固定有两条带有螺丝16的平行横梁16；所述箱体容器3上开设有带内螺纹的贯通孔14；箱体容器3和滑杆5通过螺丝16和贯通孔14螺纹连接。所述螺丝16材质为不锈钢。
如图4所示，所述浮体6组成包括滑动部和浮力提供部，所述滑动部连接滑杆5下部，沿滑杆5滑动；所述浮体6滑动部为T型结构，T型头部为与滑杆5内凹槽适配的条形结构，T型头两侧设有两排滚轮，T型头部嵌合在滑杆5凹槽内，通过滚轮沿滑杆5上下移动；T型尾部连接浮力提供部。所述浮力提供部为提供浮力的材料；所述浮力提供部中心位于激光传感器4激光发射中心正下方，浮力提供部上表面水平，用于反射激光传感器4发射的激光；浮体6的浮力提供部为圆柱体结构，直径小于5cm，圆柱体高10cm以上，滑杆铅直安装在平静浅水水体中时，圆柱体浮体5cm位于水面以下，并且浮力提供部上表面和激光传感器的发射头距离在1m以上。浮体6材质为聚丙烯。
所述激光传感器4通过标准通讯协议将采集的数据以固定时间间隔发送至数据采集器11；所述数据采集器11将数据存储在本地记录器中，并通过通讯模块12将数据发送至用户终端的处理器，通过天线2、路由器17和无线信号组成的商用通信网络将数据发送至云端服务器18。
实施例2
本实施例具体说明采用实施例1所述装置进行测波的方法。
包括如下步骤：
1)滑杆5铅直安装在浅水水体中，激光传感器4位于水面上方，浮体6漂浮在水表；在无任何水动力干扰下，漂浮在水面的浮体6距离激光传感器2m。
2)激光传感器4垂直向下发射10～20Hz不同频率的可见激光束，单次测量时长20min，此后休眠10min；
激光传感器4接收浮体6返回的散射激光之后，将接收到的信号与参考信号相对比，并通过微处理器计算出相应的相位偏移所对应的距离值。
激光传感器4每隔10min将收集到的时长20min的数据集以标准的MODBUS协议发送给数据采集器11(美国坎贝尔公司的CR 1000数据采集器)。
3)数据采集器11将数据存储在自身的记录器中，并经通信模块12、安装在不锈钢箱3顶部盖板之上的天线2、路由器17和商业无线网络向接收端服务器18发送。
用户获得原始测量数据有两种途径。其一是可以直接通过电脑从数据采集器11中下载；其二是通过无线网络实时发送到远程的服务器18中，经过服务器18的自动整理、入库和计算之后，自动生成波特征参数。用户可以通过鼠标19、键盘20和显示器21检索查看浅水环境的波面特征。
所述的服务器18自动处理数据的流程包括使用数据采集器11端口程序(如：坎贝尔公司的CR1000数据采集器的loggernet 4.0软件)。端口程序能够自动连接数据采集和传输系统，以30min时间间隔接收一个测次数据(20min数据)。服务器获得数据后，自己编写的入库程序将数据存储到Oracle数据库中。
波浪计算程序从数据库中读取本测次原始数据，使用上跨0点方法计算波特征值，其计算规则为，采用Mann-Kendall法(M-K法)对本测次原始数据趋势开展检验：
MK＝0 A＝0 (2)
当MK>1.64表示本测次原始数据具有显著上升趋势；MK<-1.64本测次原始数据具有显著下降趋势。在这两种情况下，采用回归分析对本测次原始数据开展去趋势处理(图5)。图6为经过去趋势之后的波面升降记录值。
利用上跨0点法计算有效波高和周期。基于图6的数据曲线，对于波高的定义是：波高代表上跨0点一侧的显著波峰与另外一侧的显著波谷之间的高度；而两个相邻显著波峰之间的时间就为周期。同时，将1/3大波均值定义为有效波高和周期。采用Intel VisualFortran(Intel Inc.USA)语言编制上跨0点算法程序，并于数据库接口程序相整合，以自动计算有效波高和周期。
利用协方差函数进行计算表面波动的频率谱估计，其谱值(Lh)主要表达式为：
式中R为协方差函数；fh为0到第m个频率(也成为Nyquist频率)之间的第h个频率；Δt为频段间的时间间隔。此外，为了改进谱的质量，采用系数为0.23，0.54和0.23的Hamming谱窗计算对谱的粗估值进行平滑处理。
S(2πfh)＝0.23Lh-1+0.5Lh+0.23Lh+1 (5)
同样的，采用Intel Visual Fortran(Intel Inc.USA)语言编制公式(4)和(5)的计算程序，并将之与前述程序整合，使之能够自动计算波浪的频率谱。图7为采用协方差函数法估计的太湖表面波动的无因次频率谱。
Claims (10)
1.一种浅水环境下激光测波装置，其特征在于，包括滑杆、箱体容器、浮体、激光传感器、数据采集器和处理器；
所述箱体容器垂直固定于滑杆上，用于容纳电源和耗电设备；
所述激光传感器固定于箱体容器下表面，向下垂直发射激光；
所述浮体组成包括滑动部和浮力提供部，所述滑动部连接滑杆下部，沿滑杆滑动；所述浮力提供部为提供浮力的材料；所述浮力提供部中心位于激光传感器激光发射中心正下方，浮力提供部上表面水平，用于反射激光传感器发射的激光；
所述数据采集器固定于箱体容器内部，接收激光传感器发送的数据，并通过通信模块将数据发送至处理器处理。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括光伏发电装置，所述光伏发电装置包括光伏板、太阳能控制器和蓄电池；
所述光伏板设置于箱体容器上表面，光伏板一端连接滑杆，另一端连接箱体容器；光伏板和箱体容器上表面间形成倾角；
所述太阳能控制器和蓄电池设置于箱体容器内部，太阳能控制器输入端通过电缆连接光伏板，输出端分别连接蓄电池和接线柱，所述接线柱连接耗电设备。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滑杆内纵向设有凹槽；所述浮体滑动部为T型结构，T型头部为与滑杆内凹槽适配的条形结构，T型头两侧设有两排滚轮，T型头部嵌合在滑杆凹槽内，通过滚轮沿滑杆上下移动；T型尾部连接浮力提供部。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滑杆底部设有铆头；所述滑杆上部固定有两条带有螺丝的平行横梁；所述箱体容器上开设有带内螺纹的贯通孔；箱体容器和滑杆通过螺丝和贯通孔螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述浮体材质为聚丙烯。
6. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述浮力提供部为圆柱体结构，圆柱体直径2~5 cm，高10 cm。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，滑杆铅直安装在平静浅水水体中时，浮力提供部上表面和激光传感器的发射头距离在1m以上。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光传感器通过标准通讯协议将采集的数据以固定时间间隔发送至数据采集器；
所述数据采集器将数据存储在本地记录器中，并通过通讯模块和商用通信网络分别将数据发送至用户终端的处理器和云端服务器。
9.权利要求1~8任一项所述装置用于浅水环境下激光测波的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将滑杆铅直安装在浅水水体中，激光传感器位于水面上方，浮体漂浮在水表；
2）激光传感器向浮体发射10 ~20 Hz不同频率的可见激光束；
3）数据采集器接收激光传感器发送的数据，并发送至处理器或云端服务器进行数据处理，计算波浪特征要素，包括波高、周期和频率谱。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤3）中，数据处理步骤如下：
a）采用Mann-Kendall法对单测次原始数据趋势开展检验；
b）根据a）的检验结果，在该测次原始数据具有显著上升趋势或显著下降趋势时，采用回归分析对该测次原始数据开展去趋势处理，获取去趋势之后的波面升降记录值；
c）基于上跨0点法计算有效波高和周期；
其中，基于b）中获取的波面升降记录值，以上跨0点一侧的显著波峰与另外一侧的显著波谷之间的高度为波高；两个相邻显著波峰之间的时间为周期；1/3大波均值为有效波高和周期；
d）基于协方差函数计算水表波动的频率谱估计，获取波浪的频率谱。
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