CN109991606A - 一种用于冰水混合环境的波高测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于冰水混合环境的波高测量装置及方法。本发明包括：固定在船的钢铁支架上的超声波传感器、激光发射器和摄像机、数据处理器，超声波传感器垂直于水面设置，且与水面保持预设安全距离，激光发射器、高清摄像机分别固设在钢铁支架的预设位置，所述预设位置保证激光发射器发出的激光在接触到冰面时，反射的激光能够被高清摄像机接收到。本系统采用超声波非接触式测量，克服了传统测量方法无法测量冰水混合环境的问题，由于超声波传感器和冰水混合环境是不接触的，避免了原有波高测量设备对实验的影响，受环境影响小，克服了实验仪器易损耗的缺点，保证了较高的测量精度，在选择测点时灵活，实验装置易安装。

Description

一种用于冰水混合环境的波高测量装置及方法

技术领域

本发明涉及海洋工程领域，尤其涉及一种用于冰水混合环境的波高测量装置及方法。

背景技术

在船舶和海洋工程实验中，对波浪的测量与观测是重要的研究方法之一。目前测量波浪高度的装置和方法有很多种，常用的波浪测量装置为接触式，主要有电阻式波高传感器和电容式波高传感器等。然而此类传感器的主要缺点是电阻或电容受环境影响大，测量精度不高，尤其是应用于测量冰水混合的环境时，由于接触式测量设备在测量时与被测水面是有接触的，所以设备易损坏，同时接触式测量设备还会阻碍冰块的运动，因此无法测量冰水混合的环境。因此，业界急需一种高精度且可靠的可用于测量冰水混合环境波浪参数的装置及其方法。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种用于冰水混合环境的波高测量装置及方法。本发明采用的技术手段如下：

一种用于冰水混合环境的波高测量装置，包括：固定在船的钢铁支架上的第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器、第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器、第一高清摄像机、第二高清摄像机和第三高清摄像机，还包括与上述各测量装置电性连接的置于船内的数据处理器，其中，所述第一超声波传感器、第二超声波传感器和第三超声波传感器均垂直于水面设置，且与水面保持预设安全距离，第一激光发射器、第一高清摄像机，第二激光发射器、第二高清摄像机、第三激光发射器、第三高清摄像机分别固设在钢铁支架的预设位置，所述预设位置保证第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器发出的激光在接触到冰面时，反射的激光能够被第一高清摄像机、第二高清摄像机、第三高清摄像机接收到。

进一步地，所述第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器、第一高清摄像机、第二高清摄像机和第三高清摄像机固设在第一超声波传感器、第二超声波传感器和第三超声波传感器上方的钢铁支架上，其中，所述第一激光发射器与第一超声波传感器之间、第二激光发射器和第二超声波传感器之间、第三激光发射器与第三超声波传感器均存在预设夹角，各高清摄像机与其对应的激光发射器处于同一水平线上。

进一步地，所述第一超声波传感器、第二超声波传感器、第一激光发射器、第二激光发射器、第一高清摄像机、第二高清摄像机放置于船舶前方，两者间间距不能小于波长的0.05倍且不能大于波长的0.45倍，第三超声波传感器、第三激光发射器、第三高清摄像机放置于船舶后方。

进一步地，第一高清摄像机和第二高清摄像机之间的间距为波长的四分之一。

进一步地，第二高清摄像机与船首的距离至少大于1倍波长，第三高清摄像机与船尾的距离大于1倍波长。

本发明还提供了一种用于冰水混合环境的波高测量方法，包括如下步骤：

步骤一：将第一超声波传感器、第二超声波传感器和第三超声波传感器固定在船的钢铁支架上，其中，所述第一超声波传感器、第二超声波传感器和第三超声波传感器均垂直于水面设置，且与水面保持预设安全距离；

步骤二：将第一激光发射器、第一高清摄像机、第二激光发射器、第二高清摄像机、第三激光发射器、第三高清摄像机分别固设在钢铁支架的预设位置，所述预设位置保证第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器发出的激光在接触到冰面时，反射的激光分别能够被第一高清摄像机、第二高清摄像机、第三高清摄像机接收到；

步骤三：将各测量器件与数据处理器电连接，通电测试信号；

步骤四：在静水状态下，开启超声波传感器测试系统，标定静水时刻各超声波传感器到静水面的距离；

步骤五：通过第一超声波传感器、第二超声波传感器和第三超声波传感器实时记录船周围的波场和船与冰块接触情况，通过记录发生的超声波与返回超声波的时刻，除以当地的声速，推算出不同时刻各超声波传感器到水面的距离，再通过步骤四标定的静水面距离，换算从而得到不同时刻冰水混合环境下波面历时曲线，通过第一激光发射器发射激光，若遇到水面，则没有信号反馈，高清摄像机将不会采集，这时记录为测量的为水面高度；若遇到冰面，反射的激光被高清摄像机采集，记录为冰面高度。

进一步地，所述步骤四后还设有步骤五：利用波浪分离两点法，对冰水混合环境中船前合成波系的入射波和反射波分离，具体为：

S51、第一超声波传感器测量的波形为：

其中，η表示波面，a表示波幅，ε表示初相位，ω＝2π/T，表示初相位，k＝2π/L为初波数，L为波长，由色散关系确定，φⁱ＝kx₁+εⁱ，φ^r＝kx₁+ε^r，A₁＝aⁱcosφⁱ+a^rcosφ^r，B₁＝aⁱsinφⁱ-a^rsinφ^r，上角标i和r分别表示入射波和反射波，

第二超声波传感器测量的波形为：

其中，A₂＝aⁱcos(φⁱ+kΔl)+a^rcos(φ^r+kΔl)，B₂＝aⁱsin(φⁱ+kΔl)-a^rsin(φ^r+kΔl)

Δl为第一超声波传感器与第二超声波传感器之间的距离；

S52、由于波面属于正态分布，两测点水位历程的时间平均值为零，基于此，将测点处的波面时间历程按傅里叶级数展开，则有关的系数A₁、A₂、B₁和B₂可通过傅里叶分析得到，

S53、在得到以上系数以后，入射和反射波幅可由下式获得：

相应地，根据两点法获得的反射系数为，

K_r＝a^r/aⁱ

进一步地，所述步骤五后还设有步骤六：根据放置于船舶的第三超声波传感器测量的冰水混合波面历时曲线，获得透射波波高，再根据两点法分离出的入射波高，计算出透射系数，为：

K_t＝a^t/aⁱ

其中，透射波高a^t能够由第三超声波传感器、第三激光发射器、第三高清摄像机实测资料直接获得。

本发明具有以下优点：

1、本系统和方法采用的是超声波非接触式测量，克服了传统测量方法无法测量冰水混合环境的问题，由于超声波传感器和冰水混合环境是不接触的，避免了原有波高测量设备对实验的影响，受环境影响小，克服了实验仪器易损耗的缺点，保证了较高的测量精度，在选择测点时灵活，实验装置易安装。

2、本系统和方法能够实现实时记录冰水混合环境下波高，记录被测环境冰水成分，并能实现波高和船模受力的同步测量。

3、在船模前安装系统，传感器S1和S2记录波高历程，通过波浪分离两点法可对船模前的合成波系进行入射波和反射波的分离。

基于上述理由本发明可在海洋工程等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于冰水混合环境的波高测量装置示意图。

图2为本发明实施例中用于冰水混合环境的波高测量装置对于入射波和反射波进行分离示意图。

图3为本发明利用第一超声波传感器测得的波高历时曲线示意图。

图中：S1、第一超声波传感器；S2、第二超声波传感器；S3、第三超声波传感器；3、第一激光发射器；4、第一高清摄像机；5、第二激光发射器；6、第二高清摄像机；7、第三激光发射器；8、第三高清摄像机；9、数据处理器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种用于冰水混合环境的波高测量装置，包括：固定在船的钢铁支架上的第一超声波传感器S1、第二超声波传感器S2、第三超声波传感器S3、第一激光发射器3、第二激光发射器5、第三激光发射器7、第一高清摄像机4、第二高清摄像机6和第三高清摄像机8，还包括与上述各测量装置电性连接的置于船内的数据处理器9，其中，所述第一超声波传感器S1、第二超声波传感器S2和第三超声波传感器S3均垂直于水面设置，且与水面保持预设安全距离，第一激光发射器3、第一高清摄像机4，第二激光发射器5、第二高清摄像机6、第三激光发射器7、第三高清摄像机8分别固设在钢铁支架的预设位置，所述预设位置保证第一激光发射器3、第二激光发射器5、第三激光发射器7发出的激光在接触到冰面时，反射的激光能够被第一高清摄像机2、第二高清摄像机6、第三高清摄像机7接收到。

本实施例采用的超声波传感器(均)为UltraLab ULS HF54/58，激光发射器为具有激光发射装置的设备，如PW5AD650-1035GD、PW5AL11650-1035GD、PW5AC6650-1035GD等，高清摄像机为HERO7Black、One X、CHDHX-701-RW，处理器为计算机，其上安装有东华DHDAS动态信号采集分析系统，通过接收超声波传感器反馈的信号，绘制如图3所示的波高历时曲线示意图。。

所述第一激光发射器3、第二激光发射器5、第三激光发射器7、第一高清摄像机3、第二高清摄像机6和第三高清摄像机7固设在第一超声波传感器S1、第二超声波传感器S2和第三超声波传感器S3上方的钢铁支架上，其中，所述第一激光发射器3与第一超声波传感器S1之间、第二激光发射器5和第二超声波传感器S2之间、第三激光发射器7与第三超声波传感器S3均存在预设夹角，各高清摄像机与其对应的激光发射器处于同一水平线上。

如图1所示，以第一套设备为例，每套设备均包括一个激光发射器、高清摄像机和超声波传感器，其中，第一套设备、第二套设备的作用是测量入射波和反射波，第三套设备的作用是测量透射波。作为优选的实施方式，所述第一超声波传感器S1、第二超声波传感器S2、第一激光发射器3、第二激光发射器5、第一高清摄像机4、第二高清摄像机6放置于船舶前方，两者间间距不能小于波长的0.05倍且不能大于波长的0.45倍，第三超声波传感器S3、第三激光发射器7、第三高清摄像机8放置于船舶后方。

为了使分离的入射波与发射波精度更加精确，作为优选的实施方式，第一高清摄像机和第二高清摄像机之间的间距建议为波长的四分之一。

第二高清摄像机与船首的距离至少大于1倍波长，第三高清摄像机与船尾的距离大于1倍波长。

本实施例还提供了一种用于冰水混合环境的波高测量方法，包括如下步骤：

步骤一：将第一超声波传感器、第二超声波传感器和第三超声波传感器固定在船的钢铁支架上，其中，所述第一超声波传感器、第二超声波传感器和第三超声波传感器均垂直于水面设置，且与水面保持预设安全距离；

步骤二：将第一激光发射器、第一高清摄像机、第二激光发射器、第二高清摄像机、第三激光发射器、第三高清摄像机分别固设在钢铁支架的预设位置，所述预设位置保证第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器发出的激光在接触到冰面时，反射的激光分别能够被第一高清摄像机、第二高清摄像机、第三高清摄像机接收到；

步骤三：将各测量器件与数据处理器电连接，通电测试信号；

步骤四：在静水状态下，开启超声波传感器测试系统，标定静水时刻各超声波传感器到静水面的距离；

步骤五：通过第一超声波传感器、第二超声波传感器和第三超声波传感器实时记录船周围的波场和船与冰块接触情况，超声波传感器具有发射超声波和接收返回的超声波的功能，通过记录发生的超声波与返回超声波的时刻，除以当地的声速，推算出不同时刻各超声波传感器到水面的距离，再通过步骤四标定的静水面距离，换算从而得到不同时刻冰水混合环境下波面历时曲线，通过第一激光发射器发射激光，若遇到水面，则没有信号反馈，高清摄像机将不会采集，这时记录为测量的为水面高度；若遇到冰面，反射的激光被高清摄像机采集，记录为冰面高度。

如图2所示，所述步骤四后还设有步骤五：利用波浪分离两点法，对冰水混合环境中船前合成波系的入射波和反射波分离，具体为：

S51、第一超声波传感器测量的波形为：

其中，η表示波面，a表示波幅，ε表示初相位，ω＝2π/T，表示初相位，k＝2π/L为初波数，L为波长，由色散关系确定，φⁱ＝kx₁+εⁱ，φ^r＝kx₁+ε^r，A₁＝aⁱcosφⁱ+a^rcosφ^r，B₁＝aⁱsinφⁱ-a^r sinφ^r，上角标i和r分别表示入射波和反射波，

第二超声波传感器测量的波形为：

其中，A₂＝aⁱcos(φⁱ+kΔl)+a^rcos(φ^r+kΔl)，B₂＝aⁱsin(φⁱ+kΔl)-a^rsin(φ^r+kΔl)

Δl为第一超声波传感器与第二超声波传感器之间的距离；

S52、由于波面属于正态分布，两测点水位历程的时间平均值为零，基于此，将测点处的波面时间历程按傅里叶级数展开，则有关的系数A₁、A₂、B₁和B₂可通过傅里叶分析得到，

S53、在得到以上系数以后，入射和反射波幅可由下式获得：

相应地，根据两点法获得的反射系数为，

K_r＝a^r/aⁱ，

所述步骤五后还设有步骤六：根据放置于船舶的第三超声波传感器测量的冰水混合波面历时曲线，获得透射波波高，再根据两点法分离出的入射波高，计算出透射系数，为：

K_t＝a^t/aⁱ

其中，透射波高a^t能够由第三超声波传感器、第三激光发射器、第三高清摄像机实测资料直接获得。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种用于冰水混合环境的波高测量装置，其特征在于，包括：固定在船的钢铁支架上的第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器、第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器、第一高清摄像机、第二高清摄像机和第三高清摄像机，还包括与上述各测量装置电性连接的置于船内的数据处理器，其中，所述第一超声波传感器、第二超声波传感器和第三超声波传感器均垂直于水面设置，且与水面保持预设安全距离，第一激光发射器、第一高清摄像机，第二激光发射器、第二高清摄像机、第三激光发射器、第三高清摄像机分别固设在钢铁支架的预设位置，所述预设位置保证第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器发出的激光在接触到冰面时，反射的激光能够被第一高清摄像机、第二高清摄像机、第三高清摄像机接收到。

2.根据权利要求1所述的用于冰水混合环境的波高测量装置，其特征在于，所述第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器、第一高清摄像机、第二高清摄像机和第三高清摄像机固设在第一超声波传感器、第二超声波传感器和第三超声波传感器上方的钢铁支架上，其中，所述第一激光发射器与第一超声波传感器之间、第二激光发射器和第二超声波传感器之间、第三激光发射器与第三超声波传感器均存在预设夹角，各高清摄像机与其对应的激光发射器处于同一水平线上。

3.根据权利要求1或2所述的用于冰水混合环境的波高测量装置，其特征在于，所述第一超声波传感器、第二超声波传感器、第一激光发射器、第二激光发射器、第一高清摄像机、第二高清摄像机放置于船舶前方，两者间间距不能小于波长的0.05倍且不能大于波长的0.45倍，第三超声波传感器、第三激光发射器、第三高清摄像机放置于船舶后方。

4.根据权利要求3所述的用于冰水混合环境的波高测量装置，其特征在于，第一高清摄像机和第二高清摄像机之间的间距为波长的四分之一。

5.根据权利要求3所述的用于冰水混合环境的波高测量装置，其特征在于，第二高清摄像机与船首的距离至少大于1倍波长，第三高清摄像机与船尾的距离大于1倍波长。

6.一种用于冰水混合环境的波高测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将第一超声波传感器、第二超声波传感器和第三超声波传感器固定在船的钢铁支架上，其中，所述第一超声波传感器、第二超声波传感器和第三超声波传感器均垂直于水面设置，且与水面保持预设安全距离；

步骤二：将第一激光发射器、第一高清摄像机、第二激光发射器、第二高清摄像机、第三激光发射器、第三高清摄像机分别固设在钢铁支架的预设位置，所述预设位置保证第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器发出的激光在接触到冰面时，反射的激光分别能够被第一高清摄像机、第二高清摄像机、第三高清摄像机接收到；

步骤三：将各测量器件与数据处理器电连接，通电测试信号；

步骤四：在静水状态下，开启超声波传感器测试系统，标定静水时刻各超声波传感器到静水面的距离；

步骤五：通过第一超声波传感器、第二超声波传感器和第三超声波传感器实时记录船周围的波场和船与冰块接触情况，通过记录发生的超声波与返回超声波的时刻，除以当地的声速，推算出不同时刻各超声波传感器到水面的距离，再通过步骤四标定的静水面距离，换算从而得到不同时刻冰水混合环境下波面历时曲线，通过第一激光发射器发射激光，若遇到水面，则没有信号反馈，高清摄像机将不会采集，这时记录为测量的为水面高度；若遇到冰面，反射的激光被高清摄像机采集，记录为冰面高度。

7.根据权利要求6所述的用于冰水混合环境的波高测量方法，其特征在于，所述步骤四后还设有步骤五：利用波浪分离两点法，对冰水混合环境中船前合成波系的入射波和反射波分离，具体为：

S51、第一超声波传感器测量的波形为：

其中，η表示波面，a表示波幅，ε表示初相位，ω＝2π/T，表示初相位，k＝2π/L为初波数，L为波长，由色散关系确定，φⁱ＝kx₁+εⁱ，φ^r＝kx₁+ε^r，A₁＝aⁱ cosφⁱ+a^rcosφ^r，B₁＝aⁱ sinφⁱ-a^r sinφ^r，上角标i和r分别表示入射波和反射波，

第二超声波传感器测量的波形为：

其中，A₂＝aⁱcos(φⁱ+kΔl)+a^rcos(φ^r+kΔl)，B₂＝aⁱsin(φⁱ+kΔl)-a^rsin(φ^r+kΔl)

Δl为第一超声波传感器与第二超声波传感器之间的距离；

S52、由于波面属于正态分布，两测点水位历程的时间平均值为零，基于此，将测点处的波面时间历程按傅里叶级数展开，则有关的系数A₁、A₂、B₁和B₂可通过傅里叶分析得到，

S53、在得到以上系数以后，入射和反射波幅可由下式获得：

相应地，根据两点法获得的反射系数为，

K_r＝a^r/aⁱ。

8.根据权利要求7所述的用于冰水混合环境的波高测量方法，其特征在于，所述步骤五后还设有步骤六：根据放置于船舶的第三超声波传感器测量的冰水混合波面历时曲线，获得透射波波高，再根据两点法分离出的入射波高，计算出透射系数，为：

K_t＝a^t/aⁱ

其中，透射波高a^t能够由第三超声波传感器、第三激光发射器、第三高清摄像机实测资料直接获得。