CN109923436A - 使用多个雷达进行波浪感测和船舶运动预报的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文描述了船舶运动预报系统和方法，其能够实现对海洋波浪和由此产生的船舶运动的准确实时预报。这种系统和方法可用于提高各种船舶操作的效率和安全性，包括在海上船舶之间移动货物。通常，该系统和方法从多个雷达发射雷达信号，并且来自所述多个雷达的那些雷达信号被水体的表面反射。接收反射的雷达信号，并且从收到的雷达信号产生雷达数据。该雷达数据用于产生海洋波浪分量，这些海洋波浪分量表示可以共同描述海洋表面的多个单独波浪的幅度和相位。然后使用这些海洋波浪分量产生船舶运动预报，然后可以将船舶运动预报呈现给一个或多个用户。

Description

使用多个雷达进行波浪感测和船舶运动预报的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年9月16日提交的美国临时专利申请62/395,977的权益，其内容通过引用被整体并入。
政府权力
本发明是利用在美国海军海军研究办公室(ONR)授予的合同N00014-11-D-0341下的政府支持完成的。政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
本发明一般涉及波浪感测，并且更具体地，涉及利用多个雷达感测波浪，并且使用所得到的确定的波场来预报船舶运动。
背景技术
许多基于海洋的发展需要将船舶离岸停泊在一起以便转移人员、材料或其他物品。例如，船舶之间的货物搬运可以包括将船舶离岸停泊在一起以便在它们之间搬运货物和设备。当船舶之间由于海洋波浪而存在相对运动时，这些操作变得具有挑战性。为了克服这些挑战，需要感测船舶附近的波浪并且产生由此得到的船舶运动预报。
附图说明
图1示出根据本发明的各种实施例的船舶运动预报系统的示意图。
图2A和2B是根据本发明的各种实施例的具有船舶运动预报系统的示例性船舶的示意图；
图3是根据本发明的各种实施例的示例性船舶运动预报方法的流程图；
图4是根据本发明的各种实施例的船舶运动预报的示例性图形表示的示意图；
图5是根据本发明的各种实施例的示例性船舶运动预报方法的流程图；
图6A和6B是根据本发明的各种实施例的具有船舶运动预报系统的示例性船舶的示意图；
图7A和7B是根据本发明的各种实施例的具有船舶运动预报系统的示例性船舶的示意图；和
图8是根据本发明的各种实施例的示例性处理系统的示意图。
具体实施方式
本文描述的实施例提供用于提供对未来船舶运动的预报的系统和方法。本文描述的实施例可以实现对海洋波浪和由此产生的船舶运动的准确的接近实时的预报。这种系统和方法可用于提高包括在海上船舶之间移动货物的各种船舶操作的效率和安全性。
通常，该系统和方法发射从水体表面反射的雷达信号。接收反射的雷达信号，并从收到的雷达信号产生雷达数据。雷达数据用于产生海洋波浪分量，这些波浪分量表示可以共同描述海洋表面的多个单独波浪的幅度和相位。然后使用这些海洋波浪分量来估计未来对水体上的船舶施加的力。然后，使用对未来施加的力的估计来产生船舶运动预报，然后可以将其呈现给一个或多个用户。例如，它们可以被呈现给船舶货物操作员并用于确定何时可以安全地执行船到船的货物转移。特别地，本文描述的系统和方法可以促进复杂的船到船(S2S)操作中的安全性的改进。
现在转到图1，示出了示例性船舶运动预报系统100的示意图。船舶运动预报系统100包括波浪分量产生器102、船舶运动预测器104和用户接口106。通常，船舶运动预报系统100从雷达108接收雷达数据并从船舶运动传感器110接收船舶运动数据。
船舶运动传感器110提供一艘或多艘关联船舶的船舶运动的测量数据。例如，船舶运动传感器110可以提供船舶可以移动的六个自由度(俯仰(pitch)、垂荡(heave)、滚转(roll)、摇摆(sway)、纵荡(surge)和横摆(yaw))中的一个或多个的船舶运动测量。船舶运动预报系统100可以使用这种运动测量来提供可以用来确定未来波浪冲击的船舶初始运动学状态或状态历史。另外，在一些实施例中，船舶运动传感器110或其他传感器和系统可以提供船舶跟踪方向和船舶位置信息。例如，全球定位系统(GPS)系统和/或定向设备(例如，惯性测量单元(IMU))可以向船舶运动预报系统100提供船舶方向和跟踪信息。
雷达108向船舶运动预报系统100提供雷达数据。船舶运动预报系统100利用该雷达数据和来自船舶运动传感器110的数据产生预测一艘或多艘船舶的未来运动的船舶运动预报。具体而言，波浪分量产生器102被配置为从雷达108接收雷达数据并产生描述可能冲击船舶的波浪的海洋波浪分量。船舶运动预测器104使用这些海洋波浪分量来产生船舶运动预报。
通常，海洋波浪分量是波浪特征的数值表示，因此可以包括水面的一部分上离散的波频率和方向的波高(例如，幅度)和波定时(例如，相位)的数值表示。这些海洋波浪分量可以共同用于表征当前和近期未来水面上的周围波场。因此，这些海洋波浪分量可以因此提供水面上的波浪的相位分辨的海面高度表示，其可以用于产生实时船舶运动预测。这种相位分辨的海面高度可以与预报波浪的时间地理(即，时空)位置信息以及频谱(即，方向、周期和能量)信息结合以产生未来船舶运动预报。
用户接口106被配置为产生船舶运动预报的一个或多个指示并在显示器112上显示那些指示。通常，船舶运动预报的指示可包括可以输出到显示器112并提供给用户的船舶运动预报的任何类型的图形或其他表示。
由船舶运动预报系统100产生的船舶运动预报预测船舶在至少一个自由度(俯仰，垂荡、滚转、摇摆，纵荡和横摆)以及确定的时间段内的未来运动。可以将这些船舶运动预报产生为从当前时间延伸到未来时间的离散时域信号。作为一个具体示例，船舶运动预报系统100可以被实施为利用每个新预报来预测并提供预报未来时间30～180秒的垂荡的时域信号。另外，船舶运动预报系统100可以被实施为重复地产生这些船舶运动预报。
例如，船舶运动预报系统100可以被配置为利用每个新处理周期产生新船舶运动预报，其中新数据可从雷达108和船舶运动传感器110获得。在一个这样的实施例中，通常每1～3秒产生一个新船舶运动预报，每个新预报提供随后30～180秒的船舶运动的新预测。这些新预报可以单独或者与过去的预报和其他数据组合显示或以其他方式输出。
在一些实施例中，船舶运动预报系统100可以被实施为预报开放水域中的单艘船舶的未来船舶运动。在其他实施例中，船舶运动预报系统100可以被实施为预报通过不可忽略的机械耦合(例如，绳索和防护垫)或液体动力耦合在一起的两艘或更多艘船舶的船舶运动。此外，船舶运动预报系统100可以被实施为预测静止船舶、移动船舶或两者的组合的船舶运动。此外，应该注意，船舶运动预报系统100可以被实施为预测任何类型船舶的运动，包括但不限于大型运输船舶、滚装式船舶、油轮、钻井船或平台、建造船或平台、供应船、生产船或平台等。
值得注意的是，船舶运动预报系统100使用多个雷达108来产生船舶运动预报。多个这些雷达108中的每一个包括其自己的雷达收发器，因此多个雷达108中的每一个能够独立地发送和接收雷达信号。因此，多个雷达108中的每一个可以独立地发射雷达信号，该雷达信号从水面反射，被接收，并且用于产生雷达数据。例如，具有第一和第二雷达的系统可用于从第一雷达产生第一雷达数据和从第二雷达产生第二雷达数据。然后，来自多个雷达108的雷达数据可以被组合并用于由海洋波浪分量产生器102产生海洋波浪分量。然后，所产生的海洋波浪分量用于产生船舶运动预报。
多个雷达108的使用可以以各种方式改进波浪和船舶运动的预报。例如，多个雷达108的使用可以通过输入对海洋表面更多的观测来增加所产生的海洋波浪分量的准确度。多个雷达108的使用还有效地增加了用于产生海洋波浪分量的雷达信号的信噪比。增加的信噪比可以减少波浪计算处理中的误差，从而产生更准确的波场计算，从而产生更准确的船舶运动预报。多个雷达108的使用还可以增加水面的扫描面积，并且因此可以促进更全面的波浪和相应的船舶运动预报。例如，在许多应用中，单个雷达不能被有效地定位成提供对船舶周围水面的完整360度扫描。然而，利用多个雷达108，不同的雷达可以被配置为以一起提供周围区域的完整或接近完整的360度视野以及最大范围程度的方式在不同区域或不同范围内操作。
在一些实施例中，通过分别从来自每个雷达的雷达数据产生矩(moment)数据(即，功率返回、信噪比、频移)，滤波所产生的矩数据，然后组合滤波后的矩数据来组合来自多个雷达108的雷达数据。然后，可以使用组合的矩数据来更准确地产生海洋波浪分量。在其他实施例中，通过分别从来自每个雷达的雷达数据产生海洋波浪分量，然后组合所述海洋波浪分量来组合来自多个雷达的雷达数据。
可以以各种方式实施在产生船舶运动预报中使用多个雷达108。例如，多个雷达可以一起安装在一艘船舶上，或者可以跨多艘船舶安装。在一个实施例中，第一雷达被定位成具有靠近船舶的前部区域的水体的视野，而第二雷达在船上被定位成具有靠近船舶的后部区域的水体的视野。在这样的实施例中，第一雷达可以定位在船舶的前部区域中，而第二雷达定位在船舶的后部区域中。在另一个实施例中，第一雷达被定位成具有靠近船舶的右舷区域的水体的视野，而第二雷达在船舶上被定位成具有靠近船舶的左舷区域的水体的视野。在这样的实施例中，第一雷达可以定位在船舶的右舷区域中，而第二雷达定位在船舶的左舷区域中。最后，应该注意，这些实施例都不限于仅使用两个雷达。因此也可以实施和使用三个或更多个雷达。
在一些实施例中，运动预报系统100可以将所产生的船舶运动预报与气象和海洋学(METOC)数值模型和直接浮标观测结合，以提供更长时间段的船舶操作计划指导。例如，这样的系统可以被实施来提供未来数小时和数天的操作计划，并且因此可以为船员提供高级计划。
如此实施，船舶运动预报系统100可以以自校准能量功率谱、各种频率(波周期)波段的海高(sea height)、海洋环境趋势以及测量的最终船舶运动的趋势的形式提供详细的实时波浪特征。
现在转到图2A，示出了示例性船舶200的侧视图，其中至少一个雷达201被配置为朝向水面204发射雷达信号202，其中该水面可以包括朝向船舶200行进的波浪。这些雷达信号202从水面204反射，并且反射的雷达信号202在船舶200处被接收回来，在那里它们被用于确定未来船舶运动的预报。
在典型的实施方式中，雷达201的天线在发射和接收雷达信号202的同时旋转，导致对水面204的方位角和距离扫描。现在转到图2B，该图示出了船舶200的俯视图并且示出水面的方位角扫描的示例性部分205。图2B示出雷达201扫描的水面部分205如何被认为包括多个方位角扇区206，在图2B中示出其中三个。此外，这些方位角扇区206中的每一个由多个区域块208构成，在图2B中示出其中三个。在该示例中，每个块208具有相应方位角的弧的宽度和由雷达的距离分辨率确定的长度。因此，每个块208的面积大约是该块的点处的方位角扇区的宽度乘以距离分辨率。应该注意，图2B中所示的示例是非常简化的示例，并且在典型的实施方式中，雷达扫描可以覆盖更大的面积，并且被扫描的水面可以被划分为更多的方位角扇区206，每个扇区206包括非常大量的块208。例如，对于距离为～5000米且距离分辨率为～7.5米的雷达，部分205可包括多个方位角扇区，每个具有2.5度的弧长，每个扇区具有～700个块。同样，在该实施例中，每个块的面积大约是该位置处的弧的宽度乘以距离分辨率(例如，～7.5m)。在雷达提供完整360度扫描的情况下，这样的实施例可以提供总共～144个方位角扇区206和～100,000个块208。如下面将更详细描述的，该船舶运动预报系统可以被配置为从水面部分205反射雷达信号并且使用多个方位角扇区206中的多个块208中的适用部分产生海洋波浪分量。
现在转到图3，示出了确定船舶运动预报的方法300。方法300是根据本文描述的实施例的可用于产生船舶运动预报的过程类型的示例。通常，方法300使用多个雷达测量来波并且预报将由这些波浪导致的船舶运动。应当注意，在典型的实施方式中，方法300可以周期性地重复执行，每个周期产生新的船舶运动预报。例如，根据雷达扫描间隔、更新频率和处理器延迟时间，可以每1～3秒产生水面的新雷达扫描和得到的船舶运动预报。
第一步骤302是使用多个雷达产生雷达数据。如上所述，来自多个雷达的雷达数据可以包括多个块中的每个块的数据，其中每个块对应于水面的一个方位角扇区的一部分。为了产生该雷达数据，使用多个雷达向水面发射雷达信号。雷达信号被水面反射并在雷达处被接收回来，其中反射的雷达信号用于产生雷达数据。同样，船舶运动预报系统的多个雷达可以分布在一艘或多艘船舶上的不同位置，包括前部、后部、右舷和左舷区域。
另外，可以在该船舶运动预报系统中使用各种不同类型的雷达。例如，这些雷达可以用X波段多普勒雷达来实现。例如，天线安装在水面上方30米处的2千瓦相干X波段雷达可以提供5公里的精确多普勒(即频移)感测，从而实现5分钟的船舶运动预报能力。在这样的实施例中，雷达可以被配置为具有～2.5度的方位角分辨率和～7.5米的距离分辨率以及小于3秒的方位角扫描间隔。这可以导致每秒处理大小为30～1000平方米的～30,000个扫描块。作为一个具体示例，这些雷达可以用海洋X波段(9.4GHz)多普勒雷达来实现。这种雷达可以被实施为通过在船舶周围数千米的区域中进行布拉格背散射来测量海面轨道径向速度。当然，这些只是一些示例，其他实施方式也是可能的。
同样，雷达信号被水面反射并且在雷达处被接收回来，其中反射的雷达信号用于产生雷达数据。下一步骤304是从接收的雷达数据产生海洋波浪分量。同样，海洋波浪分量是波浪特征的数值表示，因此可以包括水面的一部分上的离散波浪频率和方向的波高(例如，幅度)和波浪定时(例如，相位)的数值表示。这些海洋波浪分量可以从每秒数万块的雷达数据中产生，同样，每个块是在任意特定时间可能正在移动的由多个波浪组成的表面的一部分。通常，步骤304确定与雷达数据最一致并且因此描述水面上的整体波场的海洋波浪分量。
在典型的实施方式中，针对每个新组的雷达数据产生新的海洋波浪分量，其中每个新组的雷达数据对应于在一个处理周期，通常是一秒或两秒，期间进行的新的雷达扫描。
因为典型的波浪场不会在秒时间尺度上快速改变，所以可以将新产生的波浪分量与先前的波浪分量进行比较，以使用统计手段进一步细化成分解。例如，从一个处理周期到下一个处理周期的一致性表示准确性，并且对同一波波浪分量的跨处理周期进行平均可以改善该解。
在典型的实施例中，这些海洋波浪分量是针对可能引起显著船舶运动的波浪产生的，同时不针对水面的其他区域产生海洋波浪分量。例如，可以从包括可能影响船舶的波浪的水面上的多个块产生海洋波浪分量。可以基于已知或估计的定向波谱和当前船速和航向来确定可能的影响。此外，该初始确定可以在产生海洋波浪分量之前进行，并且因此可以用于减少需要产生的成分的数量，从而减少所需的计算资源量。如下面参考图5更详细地描述的那样，这样的处理可以通过首先产生矩数据，然后滤波该矩数据来确定水面的哪些部分包含可能产生显著船舶运动的波浪。
下一步骤306是从海洋波浪分量产生未来船舶运动预报。这些未来船舶运动预报可以包括船舶运动可能发生的六个自由度(俯仰、垂荡、滚转、摇摆、纵荡和横摆)中的一个或多个的船舶运动预报。在一些实施例中，未来船舶运动预报可以被产生为各种船舶航向和速度的预期船舶运动的统计表示。在其他实施例中，未来船舶运动预报可以提供船舶运动的精确的时间特定预测。
通常，这些船舶运动预报可以通过确定将由影响船舶的各种波浪分量中的每一个施加到船舶的力并且将这些结果组合来产生。同样，在典型的实施例中，针对每个预报周期产生新的船舶运动预报。
在一个特定实施例中，用于船舶运动的降阶模型(reduced-order model,ROM)可用于确定船舶运动。例如，可以使用用于船舶运动的降阶集总参数时域模型。这种模型可以与康明斯方程(Cummins equation)方法一起使用，以提供用于产生未来船舶运动预测的期望计算速度。在康明斯方程中，一个或多个(N)船舶的运动表示为由6×N个方程表示的6×N自由度系统。该公式使用状态作为时域解中的初始条件，并且在与预先计算的脉冲响应函数的卷积中使用状态历史。这种模型的一个例子可以在Benjamin S.H.Connell等人的“Development of an Environmental and Ship Motion Forecasting System”，ASME2015年第34届the Ocean,Offshore and Artic Engineering国际会议的论文集中找到。
这种模型可用于计算特定船舶或特定多船舶布置的船舶运动。根据船舶几何形状和输入的质量规格的表示，预先计算必要的附加惯性和流体静恢复项。通过离散化的速度范围、波浪频率和方向预先计算脉冲响应函数和力响应幅度算子函数，通过所有相关操作条件产生一个数据库，该数据库表征对船舶的流体动力作用(hydrodynamic forcing)。通过来自数据库的值的插值来获得这些作用函数的特定值。该方法使用线性耐波性(seakeeping)理论的假设，其中流体动力作用可以分解为入射波、衍射和辐射力。预先计算的波作用数据库允许将离散的波浪分量映射到对船舶系统的模态作用(modal forcing)。因此，可以针对推荐模型计算针对不同航向和速度的合成船舶运动。然后可以在预报系统的操作期间使用该查找数据库来提供将由预报影响船舶的波浪导致的船舶运动。
在操作期间，所产生的海洋波浪分量可以被随后用作对查找数据库的实时输入，该查找数据库提供必要的项目来计算船舶运动的最终预报。作为一个示例，该查找数据库可以提供描述在船舶预报系统的特定实施方式中正在预报其运动的一艘或多艘船舶的运动的康明斯方程的系数。因此，具有预先计算的值的查找数据库可用于提供船舶运动预报的快速确定。这可以便于针对每个雷达扫描和波成分计算的每个周期，实时确定几分钟的船舶运动预报。
下一步骤308是产生未来船舶运动预报的指示。通常，船舶运动预报的指示可以包括可以输出到显示器(例如，显示器112)的船舶运动预报的任何类型的图形或其他表示。例如，图形表示可以包括六个自由度中的一个或多个的各个未来船舶运动预报的时域图。在一些实施例中，过去船舶运动预报和过去船舶运动测量的时域图可以被一起显示。同样，这种图形表示可以包括可以确定的六个自由度中的一个或多个的预报和测量。
现在转到图4，示出了时域信号(例如，船舶的滚动)的示例性图形表示400的示意图，其将显示在显示屏上。图形表示400包括第一时域图402、第二时域图404和第三时域图406。具体地，第一时域图402示出一个自由度的船舶运动预报(例如，六个自由度中选定的一个)。在该示例中，第一时域图402表示下一个60秒(即，从时间0到时间60)产生的船舶运动预报。第二时域图404示出同一个自由度的过去船舶运动预报。在该示例中，第二时域图表示先前60秒(即，从时间-60到时间0)的过去船舶运动预报。最后，第三时域图406示出同一个自由度的过去船舶运动测量。这些是可以使用船舶上的一个或多个运动传感器(例如，传感器110)取得的实际船舶运动的测量。第三时域图406中的过去船舶运动测量也是针对先前60秒(即，从时间-60到时间0)示出的。
在典型的实施例中，将在每个周期，例如，针对每个处理周期，产生新的第一时域图402。因此，对于每个周期，产生新的60秒预报并显示为第一时域图402。第二时域图404和第三时域图406同样可以在每个周期更新。
值得注意的是，在图形表示400中，可以容易地将第二时域图404中示出的过去船舶运动预报与第三时域图406中的过去船舶运动测量进行比较。因此，用户可以容易地辨别先前船舶运动预报的准确度，并且如果确定赋予第一时域图402中示出的未来船舶运动预报多少权重，则可以使用该信息。
作为可以产生和显示的图形表示类型的一个更详细的示例，船舶运动预报的图形表示可以包括“滚动预报”。这种滚动预报同样可以包括六个自由度中的任何一个的船舶运动预报。在这样的实施例中，可以一起显示预报的总体，其中较新的预报被添加到顶行并且较早的预报在显示器上向下移动一行，使得预报的集合在显示器上“向下滚动”。这些船舶运动预报的图形表示可以与过去船舶运动预报和过去船舶运动测量的类似滚动表示相结合。这种图形表示的详细示例在John G.Kusters,Jr.等人于2017年9月14日提交的序列号为No.15/704,832的共同待审未决的美国专利申请“SYSTEMS AND METHODS FOR WAVESENSING AND SHIP MOTION FORECASTING WITH SCROLLING FORECAST DISPLAYS”中被描述。
如上所述，在一些实施例中，该船舶运动预报系统和方法使用雷达数据来确定海洋波浪分量，并且从那些海洋波浪分量确定未来船舶运动预报(参见方法300中的步骤304)。可以使用各种不同的技术从雷达数据产生这种海洋波浪分量。现在转到图5，示出了产生海洋波浪分量的示例性方法500。方法500是可用于从雷达数据确定海洋波浪分量的方法类型的示例，并且特别适合于从多个雷达产生的雷达数据产生这种海洋波浪分量。
第一步骤502是从雷达数据产生矩数据。通常，矩数据可以包括统计地从雷达数据导出的频率和功率信息。例如，矩数据可以包括雷达信号的频移值(即多普勒频移)，其对应于特定方位角、距离和时间的海面块的速度。矩数据还可以包括雷达信号的功率返回和信噪比。在典型实施例中，针对每个处理周期执行步骤502。因此，可以针对每个雷达的每次扫描产生新的矩数据。此外，该雷达数据包括用于计算矩数据的同相(I)和正交相位(Q)成分。
如上所述，该雷达数据可包括来自多个雷达的雷达数据。在这些实施例中，第一矩数据可以从第一雷达产生的第一雷达数据产生，而第二矩数据从第二雷达产生的第二雷达数据产生。然后第一矩数据可以表示第一雷达信号的频移，而第二矩数据可以表示第二雷达信号中的频移。
作为一个示例，可以对来自所述多个雷达的雷达数据执行矩分析方法，以确定水面的每个块的返回雷达信号的频移。另外，矩分析方法可以确定水面的每个块的信号方差和信号功率返回。返回的雷达信号的频移，有时称为多普勒频移，是由水的相应块的相对运动导致的，因此可用于确定水面的相应块的波浪速度。
在一个实施例中，谱矩分析方法提供峰值频移作为第一矩，并且提供频移的分布或方差作为第二矩。由此，谱矩分析方法提供水的每个块的速度的分布或谱。这种速度分布或谱可以由其方差来表征，并且这种方差可以被认为是分布的信噪比的度量。关于这种谱矩分析的更详细的例子，参见Benjamin S.H.Connell等人的“Development of anEnvironmental and Ship Motion Forecasting System”，ASME 2015年第34届the Ocean,Offshore and Artic Engineering国际会议论文集。
下一步骤504是滤波矩数据。通常，执行对矩数据的这种滤波以识别和隔离可能与进行船舶运动预报相关的矩数据，同时去除其他矩数据。例如，可以通过识别水面的哪些扇区和/或块包含可能显著引起船舶运动的波浪并隔离那些块的矩数据而逐个扇区或逐个块地执行滤波。通过滤波矩数据以仅包括与船舶运动预报相关的矩数据，可以大大减少后续处理步骤的计算强度。具体而言，通过滤波可显著减少需要从矩数据产生的海洋波浪分量的数量，因此可以更快地并以更少的计算资源完成处理。
在一个实施例中，步骤504仅保留来自已被识别为包含可能影响船舶运动的波浪特征的水的扇区和/或块的矩数据。这可以通过识别哪些扇区和/或块包含以将导致波浪撞击船舶的速度和方向移动的波浪特征来执行，同时考虑到船舶的位置、速度和方向。为了便于这样，可以通过GPS和/或船舶导航系统来提供关于船舶的方向和速度的信息。
因此，在具有一个或多个雷达的实施例中，对第一矩数据的滤波可以包括至少部分地基于水体的第一部分中的第一多个扇区中的每个扇区的波浪特征速度和/或方向进行滤波，以识别所述第一多个扇区中包含与预报船舶运动相关的波浪的部分。同样地，对第二矩数据的滤波可以包括至少部分地基于水体的第二部分中的第二多个扇区中的每个扇区的波浪特征速度和/或方向进行滤波，以识别所述第二多个扇区中包含与预报船舶运动相关的波浪的部分。
可以通过从雷达数据产生二维方向谱而不考虑波浪相位或定时来相对快速地确定每个块中的波浪的方向。可以在方位角扇区基于扇区地确定波浪的方向以及哪些波浪将冲击船舶，使得包含在可能影响船舶的方向上移动的波浪的扇区的矩数据可以被识别并保留，同时滤掉其他扇区的矩数据。在进行这些确定时，可以假设各扇区的每个扇区中的波浪紧密遵循线性波浪理论，其中波浪的速度取决于波浪的波长或频率。
作为另一个示例，可以快速地确定到每个块中的波浪的距离，并且可以排除太远或太近以至于在选定时间段内不影响船舶运动的块。在典型的实施例中，可以在建立波浪预报系统期间基于典型的波浪速度预先配置这些距离。
此外，可以通过识别哪些块包含具有可能在感兴趣的自由度引起显著运动的周期或频率的波浪来执行该滤波。在这种情况下，这将取决于船舶的大小和形状。例如，在为物料运输船设计的系统中，可以滤掉包含周期低于7秒和长于18秒的波浪的块的矩数据，因为不太可能引起显著的船舶运动。再次，在典型的实施例中，可以在建立波浪预报系统期间基于船舶的参数选择这些感兴趣的周期。
因此，在具有多个雷达的实施例中，对第一矩数据的滤波可以包括至少部分地基于水体的第一部分中的第一多个扇区中的每个扇区的波浪周期进行滤波，以识别第一多个扇区中包含与预报船舶运动相关的波浪的部分。同样地，对第二矩数据的滤波可以包括至少部分地基于水体的第二部分中的第二多个扇区中的每个扇区的波浪周期进行滤波，以识别第二多个扇区中包含与预报船舶运动相关的波浪的部分。
此外，该滤波可以被配置为通过滤掉重叠的数据来去除从所述多个雷达接收的冗余雷达数据。具体而言，在该实施例中，滤波后的来自所述多个雷达中的每一个的数据限于水体的某些块，使得仅从一个雷达接收每个块的剩余数据。在该实施例中，可以基于每个雷达的相对位置、从每个雷达收到的雷达信号的功率或来自每个雷达的雷达数据中的噪声来选择滤波后的雷达数据。
在其他实施例中，保留具有相对高能量波浪的块的矩数据，同时滤掉低能量区域的矩数据。
在这些示例的每一个中，步骤504滤波矩数据，以识别并隔离可能与进行船舶运动预报相关的矩数据。通过滤波矩数据以仅包括与船舶运动预报相关的矩数据，可以大大降低下一步骤所需的计算强度。
下一步骤506是从滤波后的矩数据产生海洋波浪分量。再次，这些海洋波浪分量是描述感测到的波浪的离散表示，并且在典型实施例中，使用来自雷达的若干个扫描(数十秒)的滤波后包含可能影响未来船舶运动的波浪特征信息的多个块产生新的海洋波浪分量。当完全产生时，海洋波浪分量的集合可以通过波浪频率、传播方向、幅度和相位来定义与船舶运动预报相关的水面部分。此外，这些产生的海洋波浪分量的线性叠加及其随时间的演变可用于提供预报区间内海面高度的确定性预报。
可以使用各种技术来产生海洋波浪分量。作为一般示例，可以使用回归处理通过迭代地选择与滤波后的矩数据松散匹配的海洋波浪分量来产生海洋波浪分量。这种回归处理可被认为是滤波后的矩数据与期望的一组海洋波浪分量的过度约束最小二乘拟合。该回归处理有效地促进了从滤波后的矩数据重建相关波场，该重建采用所产生的海洋波浪分量的形式。还应注意，在该处理中产生的海洋波浪分量是过度确定的(over-determined)，并且这允许该回归克服滤波后的矩数据中的噪声。
通常，该回归被配置为确定定义感兴趣的水面部分的稳定解所需的海洋波浪分量的数量。可以在系统的建立中预先确定和配置该海洋波浪分量的数量。
作为一个示例，在利用大约～100,000个矩数据的实施方式中，该系统可以被配置为产生～1000个离散的海洋波浪分量。
随着海洋波浪分量的产生，它们可用于产生船舶运动预报。如上面参考图3的步骤306所述，在一个实施例中，提供海洋波浪分量作为查找数据库的输入，然后利用查找数据库提供从预先计算的值得到的船舶运动的预报。因此，该系统可以便于针对每个雷达扫描和每个波浪分量计算周期实时地确定几分钟的船舶运动预报。
如上所述，本文描述的船舶运动预报系统和方法可以使用多个雷达来产生船舶运动预报。所述多个雷达各自发射雷达信号，这些雷达信号从水面反射，然后被接收并用于产生雷达数据。为了便于在船舶运动预报系统中使用多个雷达，这些雷达可以被配置成扫描水面的不同区域。在一些实施例中，这些不同区域可以是非重叠的，而在其他实施例中，不同区域是部分重叠的。
现在转到图6A，示出了具有两个雷达601的示例性船舶600的侧视图，而图6B示出俯视图。在该实施例中，两个雷达601的天线安装在船舶600上的同一常规位置，但是它们被配置为扫描水面604的不同区域。具体而言，第一雷达被配置为发射雷达信号602，雷达信号602从离船舶600相对远的区域的水面604反射。这种配置可用于克服雷达的最小和最大范围限制。例如，对于单个雷达不能同时提供离船舶足够近(以检测近的波浪)和离船舶足够远(以检测远的波浪)的扫描的实施方式，两个雷达601可以提供全覆盖。
因为第一雷达执行旋转扫描，所以由第一雷达扫描的这些区域可以被认为包括第一多个方位角扇区606。同样，第二雷达被配置为发射雷达信号603，雷达信号603从离船舶600相对近的区域的水面604反射。同样，因为第二雷达执行方位角扫描，所以由第二雷达扫描的这些区域可以被认为包括第二多个方位角扇区610。反射的雷达信号602和603在船舶600处被接收回来，它们在此被用于确定对未来船舶运动的预报。应当注意，虽然第一多个方位角扇区606和第二多个方位角扇区610未示出为重叠，但是在一些实施例中，扫描区域和所得到的方位角扇区可以部分重叠。最后，应该注意，图6A和6B未按比例绘制，并且在典型实施方式中，由雷达601扫描的水面604的区域比船舶600大得多。
同样，雷达信号602和603可以以多种方式来利用和组合。在一些实施例中，可以通过分别从雷达信号602和603产生矩数据，滤波所产生的矩数据，然后组合滤波后的矩数据来组合来自雷达信号602和603的雷达数据，以产生所有海洋波浪分量。在其他实施例中，可以通过分别从雷达信号产生海洋波浪分量，然后组合所述海洋波浪分量来组合来自雷达信号602和603的雷达数据。例如，可以首先分别处理来自非重叠角度区域的雷达信号602和603，以产生非重叠角度区域的海洋波浪分量，然后可以组合这些海洋波浪分量。
同样，这仅是如何配置多个雷达并用于船舶运动预报的一个示例。现在转到图7A，示出了示例性船舶700的俯视图。该船舶包括用于船舶运动预报的第一雷达702和第二雷达704。至少第一雷达702的天线安装在船舶700的前部区域中，而至少第二雷达704的天线安装在船舶700的后部区域中。两个雷达702和704被配置成扫描水面的不同区域。具体而言，第一雷达702被配置为向船舶700的前部区域周围发射雷达信号，该雷达信号从区域710中的水面反射。因此，第一雷达702具有靠近船舶前部区域的水体的视野。第二雷达704被配置成向船舶700的后部区域周围发射雷达信号，该雷达信号从区域712中的水面反射。因此，第二雷达704具有靠近船舶后部区域的水体的视野。同样，这些区域710和712都可以被认为包括由相应雷达的扫描区域限定的多个方位角扇区。应该注意，区域710和712未按比例绘制，并且在典型的实施方式中，雷达被配置为扫描比船舶700大得多的区域。
在该实施例中，两个雷达702和704可以一起提供对船舶700周围的水面的全场(例如，360度)扫描。此外，在船舶的结构和布置会阻挡单个雷达的全扫描的情况下，可以为船舶提供这种360度扫描。例如，在沿着船舶700的轴线存在显著的雷达阻挡结构(例如，主桥)的情况下。
图7A示出一起安装在船舶700上的多个雷达702和704，但这仅是使用多个雷达实施船舶运动预报系统的一种方式。例如，在其他实施例中，多个雷达可以分布在多个不同的船舶上。现在转到图7B，示出了第一船舶750和第二船舶751的俯视图。第一船舶750和第二船舶751被示出为机械地耦合在一起，如在船之间转移货物期间可能发生的那样。当然，这仅是一个示例，并且第一船舶750和第二船舶751可以改为处于不同的紧密接近配置。
第一船舶750包括第一雷达752，第二船舶751包括第二雷达754。具体而言，至少第一雷达752的天线安装在第一船舶750上，而至少第二雷达754的天线安装在第二船舶751上。两个雷达752和754也被配置成扫描水面的不同区域。具体而言，在该配置中，第一雷达752被配置为向船舶750和船舶751的前部区域周围发射雷达信号，该雷达信号从区域760中的水面反射。第二雷达754被配置为向船舶750和船舶751的后部区域周围发射雷达信号，该雷达信号从区域762中的水面反射。区域760和762也都可以被认为包括由相应雷达的扫描区域限定的多个方位角区域。还应该注意，区域760和762未按比例绘制，并且在典型的实施方式中，雷达将被配置扫描为比船舶750和751大得多的区域。
应当注意，在该实施例中，可以在雷达752和754之间建立通信网络并用于促进在单个船舶运动预报系统收集雷达数据。例如，可以在两艘船舶750和751之间建立无线数据网络，并用于将雷达数据从一艘船舶传送到另一艘船舶，然后可以在一个统一的系统上一起执行对两艘船舶的船舶运动预报。还应注意，在某些情况下，可以在将雷达数据传输到另一艘船舶之前，在一艘船舶上对雷达数据执行一些处理，以降低船舶之间通信网络的数据率。
图7A和7B中由两个雷达产生的雷达信号也可以以多种方式利用和组合。在一些实施例中，可以通过分别从雷达信号产生矩数据，滤波所产生的矩数据，然后组合滤波后的矩数据来组合来自雷达信号的雷达数据，以产生所有海洋波浪分量。在其他实施例中，可以通过分别从雷达信号产生海洋波浪分量，然后组合所述海洋波浪分量来组合来自两个雷达的雷达数据。例如，可以首先分别处理来自扫描非重叠角度区域的不同雷达的雷达信号，以产生非重叠角度区域的海洋波浪分量，然后可以组合这些海洋波浪分量。
现在转到图8，示出了示例性处理系统1000。处理系统1000示出了可用于实施船舶运动预报系统的处理系统的一般特征。当然，这些特征仅仅是示例性的，并且应该理解，可以使用可以包括更多或不同特征的不同类型的硬件来实施本发明。应当注意，处理系统1000可以在许多不同的环境中实施，例如，作为跨越多个站点的大型联网计算机系统的一部分或者作为离散的单独计算机系统。例如，处理系统1000可以在要对其进行船舶运动预报的一艘或多艘船舶上的计算机系统上实施。示例性处理系统1000包括处理器1010、接口1030、存储设备1090、总线1070和存储器1080。根据本发明的实施例，存储器1080包括实施该波浪感测和船舶运动预报系统的程序。因此，可以实施这些程序以执行上面参考图1-7B描述的船舶运动预报方法。
处理器1010执行系统1000的计算和控制功能。处理器1010可以包括任何类型的处理器，包括诸如微处理器的单个集成电路，或者可以包括协同工作的任何合适数量的集成电路设备和/或电路板，以完成处理单元的功能。另外，处理器1010可以包括在分开的系统上实施的多个处理器。例如，在多船系统(例如，图7B)的情况下，处理器1010可包括第一艘船舶上的一个或多个处理器和第二艘船舶上的一个或多个处理器。另外，处理器1010可以是整个更大的计算机系统的一部分。在操作期间，处理器1010执行包含在存储器1080内的程序，并且因此控制处理系统1000的一般操作。
存储器1080可以是任何类型的适当存储器。这将包括各种类型的动态随机存取存储器(DRAM)，如SDRAM，各种类型的静态RAM(SRAM)以及各种类型的非易失性存储器(PROM、EPROM和闪存)。应当理解，存储器1080可以是单一类型的存储部件，或者它可以由许多不同类型的存储部件组成。另外，存储器1080和处理器1010可以分布在共同构成处理系统1000的若干个不同物理设备上。例如，存储器1080的一部分可以驻留在一个计算机系统上，而另一部分可以驻留在第二计算机系统上。对于特定示例，在多船系统(例如，图7B)的情况下，存储器1080可包括第一船舶上的存储部件和第二船舶上的存储部件。
总线1070用于在处理系统1000的各部件之间传输程序、数据、状态和其他信息或信号。总线1070可以是连接计算机系统和部件的任何合适的物理或逻辑手段。这包括但不限于直接硬连线连接、光纤、红外和无线总线技术。还应注意，处理系统1000的各方面可以实施为单个片上系统(SoC)。在这种情况下，总线1070可以包括SoC的内部总线。
接口1030允许与处理系统1000通信，并且可以使用任何合适的方法和设备来实施。它可以包括用于与诸如船上导航和控制系统之类的其他系统通信的网络接口，以及用于与技术人员通信的终端接口，以及用于连接到诸如存储设备1090的存储设备的存储接口。存储设备1090可以是任何合适类型的存储设备，包括直接存取存储设备，如硬盘驱动、闪存系统、固态驱动和光盘驱动。如图8中所示，存储设备1090可以包括使用盘1095来存储数据的盘驱动设备。
应当理解，虽然本文在全功能的计算机系统的背景下描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，本发明的机制能够作为程序产品以各种形式分布，并且本文描述的实施例同等适用，而与用于执行该分布的可记录介质的特定类型无关。可记录介质的示例包括：磁盘、闪存设备、硬盘驱动、存储卡和光盘(例如，盘1095)。
对具体实施例的以上描述充分揭示了本发明主题的一般本质，使得其他人可以通过应用当前知识，在不脱离一般概念的情况下容易地修改和/或使其适用于各种应用。因此，这些调整和修改在所公开实施例的等同物的含义和范围内。本发明的主题包含落入所附权利要求的精神和宽范围内的所有这些替代、修改、等同物和变化。
以上详细描述本质上仅是说明性的，并不旨在限制本主题的实施例或这些实施例的应用和使用。如本文使用的，词语“示例性”意味着“用作示例、实例或说明”。本文描述为示例性的任何实施方式都不必被解释为比其他实施方式更优选或更具优势。此外，无意受前述技术领域、背景技术、发明内容或之后的详细描述中提出的任何明示或暗示的理论的约束。
本文可以在功能和/或逻辑块部件方面并且参考可以由各种计算部件或设备执行的操作、处理任务和功能的符号表示来描述技术。这些操作、任务和功能有时被称为计算机执行、计算机化、软件实施或计算机实施。实际上，一个或多个处理器设备可以通过操纵表示系统存储器中的存储器位置处的数据位的电信号以及信号的其他处理来执行所描述的操作、任务和功能。保持数据位的存储器位置是具有对应于数据位的特定电、磁、光或有机属性的物理位置。应当理解，图中所示的各种块部件可以由被配置为执行指定功能的任何数量的硬件、软件和/或固件部件来实现。例如，系统或部件的实施例可以采用各种集成电路部件，例如，存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等，它们可以在一个或多个微处理器或其他控制设备的控制下执行各种功能。

Claims (20)

1.一种提供对未来船舶运动的预报的方法，包括：
从第一雷达接收第一雷达数据并从第二雷达接收第二雷达数据，所述第一雷达使第一雷达信号被水体的第一部分反射，所述第二雷达使第二雷达信号被所述水体的第二部分反射；
从收到的第一雷达数据和收到的第二雷达数据产生海洋波浪分量；
从产生的海洋波浪分量产生船舶运动预报；和
产生所述船舶运动预报的图形指示以显示给用户。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一雷达定位在所述船舶上，以具有靠近所述船舶的前部区域的水体的视野，并且其中所述第二雷达定位在所述船舶上以具有靠近所述船舶的后部区域的水体的视野。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一雷达定位在所述船舶上，以具有靠近所述船舶的右舷区域的水体的视野，并且其中所述第二雷达定位在所述船舶上以具有靠近所述船舶的左舷区域的水体的视野。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一雷达定位在第一船舶上，并且其中所述第二雷达定位在第二船舶上。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
从收到的第一雷达数据产生第一矩数据，所述第一矩数据表示收到的第一雷达信号中的频移；
从收到的第二雷达数据产生第二矩数据，所述第二矩数据表示收到的第二雷达信号中的频移；
滤波所述第一矩数据和所述第二矩数据；和
组合滤波后的第一矩数据和滤波后的第二矩数据。
6.根据权利要求5所述的方法，其中滤波所述第一矩数据包括至少部分地基于所述水体的所述第一部分中的第一多个扇区中的每个扇区的波浪特征速度和方向进行滤波，以识别所述第一多个扇区中包含与预报船舶运动相关的波浪的部分，并且其中滤波所述第二矩数据包括至少部分地基于所述水体的所述第二部分中的第二多个扇区中的每个扇区的波浪特征速度和方向进行滤波，以识别所述第二多个扇区中包含与预报船舶运动相关的波浪的部分。
7.根据权利要求6所述的方法，其中滤波所述第一矩数据和滤波所述第二矩数据还包括至少部分地基于所述船舶的方向和速度进行滤波。
8.根据权利要求5所述的方法，其中滤波所述第一矩数据包括至少部分地基于所述水体的所述第一部分中的第一多个扇区中的每个扇区的波浪周期进行滤波，以识别所述第一多个扇区中包含与预报船舶运动相关的波浪的部分，并且其中滤波所述第二矩数据包括至少部分地基于所述水体的所述第二部分中的第二多个扇区中的每个扇区的波浪周期进行滤波，以识别所述第二多个扇区中包含与预报船舶运动相关的波浪的部分。
9.根据权利要求5所述的方法，其中滤波所述第一矩数据和滤波所述第二矩数据包括隔离重叠的矩数据以去除冗余的矩数据。
10.一种船舶运动预报系统，包括：
第一雷达，其被配置为使第一雷达信号被水体的第一部分反射；
第二雷达，其被配置为使第二雷达信号被水体的第二部分反射；
处理器；
存储器，其耦合到所述处理器；
船舶运动预报程序，其驻留在所述存储器中并由所述处理器执行，所述船舶运动预报程序被配置为：
从所述第一雷达接收第一雷达数据，并且从所述第二雷达接收第二雷达数据；
从收到的第一雷达数据和收到的第二雷达数据产生海洋波浪分量；
从产生的海洋波浪分量产生船舶运动预报；和
产生所述船舶运动预报的图形指示以显示给用户。
11.根据权利要求10所述的船舶运动预报系统，其中所述第一雷达定位在所述船舶上，以具有靠近所述船舶的前部区域的水体的视野，并且其中所述第二雷达定位在所述船舶上，以具有靠近所述船舶的后部区域的水体的视野。
12.根据权利要求10所述的船舶运动预报系统，其中所述第一雷达定位在所述船舶上，以具有靠近所述船舶的右舷区域的水体的视野，并且其中所述第二雷达定位在所述船舶上，以具有靠近所述船舶的左舷区域的水体的视野。
13.根据权利要求10所述的船舶运动预报系统，其中所述第一雷达定位在第一船舶上，并且其中所述第二雷达定位在第二船舶上。
14.根据权利要求13所述的船舶运动预报系统，还包括在所述第一船舶和所述第二船舶之间的通信网络，以便于将所述第二雷达数据传输到所述第一船舶。
15.根据权利要求10所述的船舶运动预报系统，其中所述船舶运动预报程序被进一步配置为：
从收到的第一雷达数据产生第一矩数据，所述第一矩数据表示收到的第一雷达信号中的频移；
从收到的第二雷达数据产生第二矩数据，所述第二矩数据表示收到的第二雷达信号中的频移；
滤波所述第一矩数据和所述第二矩数据；和
组合滤波后的第一矩数据和滤波后的第二矩数据。
16.根据权利要求15所述的船舶运动预报系统，其中所述船舶运动预报程序被配置为通过至少部分地基于所述水体的所述第一部分中的第一多个扇区中的每个扇区的波浪特征速度和方向进行滤波来滤波所述第一矩数据，以识别所述第一多个扇区中包含与预报船舶运动相关的波浪的部分，并且其中所述船舶运动预报程序被配置为通过至少部分地基于所述水体的所述第二部分中的第二多个扇区中的每个扇区的波浪特征速度和方向进行滤波来滤波所述第二矩数据，以识别所述第二多个扇区中包含与预报船舶运动相关的波浪的部分。
17.根据权利要求16所述的船舶运动预报系统，其中所述船舶运动预报程序还被配置为至少部分地基于所述船舶的方向和速度来滤波所述第一矩数据和所述第二矩数据。
18.根据权利要求10所述的船舶运动预报系统，其中所述船舶运动预报程序还被配置为通过至少部分地基于所述水体的所述第一部分中的第一多个扇区中的每个扇区的波浪周期进行滤波来滤波所述第一矩数据，以识别所述第一多个扇区中包含与预报船舶运动相关的波浪的部分，并且其中所述船舶运动预报程序被配置为滤波所述第二矩数据包括至少部分地基于所述水体的所述第二部分中的第二多个扇区中的每个扇区的波浪周期进行滤波，以识别所述第二多个扇区中包含与预报船舶运动相关的波浪的部分。
19.根据权利要求10所述的船舶运动预报系统，其中所述船舶运动预报程序被配置为滤波所述第一矩数据和滤波所述第二矩数据包括隔离重叠的矩数据以去除冗余的矩数据。
20.一种船舶运动预报系统，包括：
第一雷达，其被配置为使第一雷达信号被水体反射；
第二雷达，其被配置为使第二雷达信号被水体反射；
船舶运动预报装置，所述船舶运动预报分量装置：
从第一雷达接收第一雷达数据并且从第二雷达接收第二雷达数据，所述第一雷达使第一雷达信号被水体的第一多个方位角扇区反射，第二雷达使第二雷达信号被所述水体的第二多个方位角扇区反射；
通过对收到的第一雷达数据和收到的第二雷达数据执行矩分析的方法，从收到的第一雷达数据和收到的第二雷达数据产生矩数据，其中产生的矩数据包括第一矩，所述第一矩表示所述第一和第二多个方位角扇区中的多个块中的每个块的峰值频移和幅度；
至少部分地基于波浪周期和波浪方向滤波所述矩数据，以识别所述第一多个方位角扇区和第二多个方位角扇区中与预报船舶运动相关的部分，识别出的部分中的每个部分包括多个块；
从与所述第一多个方位角扇区和第二多个方位角扇区的识别出的部分中的所述多个块对应的滤波后的矩数据产生海洋波浪分量，所述海洋波浪分量包括识别出的部分中的所述多个块的波浪相位和波浪幅度；
从产生的海洋波浪分量产生船舶运动预报；
产生所述船舶运动预报的图形指示以显示给用户；和
向用户显示所述船舶运动预报的图形指示。
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