CN110307830A - 一种浮标链载倾斜海流测量系统和海流及波浪的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海流观测技术领域,涉及海流及波浪的测量装置及方法。一种浮标链载倾斜海流测量系统，包括表面浮标体、海流计、缆绳；所述缆绳的一端与表面浮标体的底部连接，另一端锚固在海底；所述海流计拖拽连接在所述缆绳上；所述的海流计包括采集/处理模块，用于采集海流计倾角、方位和深度，转化为海流的流速值、流向值、深度值及波浪数据并储存。本发明的浮标链载倾斜海流测量系统，可以在不同深度上安装多个倾斜海流计，实现不同深度上的海流长期连续观测，利用接近水面位置处的海流值可以进行表层波浪测量。

Description

一种浮标链载倾斜海流测量系统和海流及波浪的测量方法

技术领域

本发明属于海流观测技术领域,涉及海流及波浪的测量装置及方法。

背景技术

海洋面积约占地球面积的71％，而海流是海洋动力要素之一，是重要的海洋学参数。海流观测是海洋调查的重要内容，掌握海水流动的规律不仅可以为国防、海运交通、渔业、建港等服务，它还和海洋科学其它领域的研究有着密切联系，如水团的形成，海水内部及海水空气界面之间热量的交换均与海流研究有关。海洋环境保护、海洋环境评价、海洋工程开发、海洋气候、海洋防灾减灾和军事海洋学等方面均把海流作为重要参数。

海流计是用于测量海流流速和流向的仪器。海流计主要根据测量方法分为:机械海流计、电磁海流计、多普勒海流计、声传播时间海流计。由于现阶段的主流观测设备功耗高、价格昂贵，近年来国外一些研究机构开始研制轻量级、低成本的倾斜式海流计。采用浮力球与加速度计装置，根据加速度的变化得到倾斜角，再利用流速与倾角的变换公式得到流速值。在两者基础上，采用加速度计、磁力计以及大容量存储器，支持长期观测，并使用试验定标方式得到倾斜角与流速的对应关系。目前，国内相关研究很少，而国外已研制出的倾斜式海流计仅适用于长期的海底流速流向观测，易受海草、浮游生物等干扰，需要专业的潜水人员进行安装，并且测量传感器单一、数据处理方式简单，无法适应海面风浪环境下的海流测量。

发明内容

针对现有的倾斜式海流计产品存在的缺陷，本发明提供一种浮标链载倾斜海流测量装置，该装置可以在不同深度上安装多个倾斜海流计，实现不同深度上的海流长期连续观测，利用接近水面位置处的海流值可以进行表层波浪测量。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种浮标链载倾斜海流测量系统，包括表面浮标体、海流计、缆绳；所述缆绳的一端与表面浮标体的底部连接，另一端锚固在海底；所述海流计拖拽连接在所述缆绳上；所述的海流计包括数据采集/处理模块，用于采集海流计倾角、方位和深度，转化为海流的流速值、流向值、深度值及波浪数据并储存。

作为本发明的进一步改进，所述的数据采集模块包括三维加速度传感器、方位传感器、压力传感器、采集/处理电路，所述采集/处理电路控制传感器的采样频率、采样时长，并将采集到的数据经过计算处理后保存。

作为本发明的进一步改进，所述的浮标体内设有数据接收发送器，所述数据接收发送器通过电缆与所述的海流计连接，用于接收海流计采集处理后的海流数据。

作为本发明的进一步改进，所述的海流计上连接有浮体，所述浮体连接有配重块。

作为本发明的进一步改进，所述的浮标体为空心球形和圆盘形。

作为本发明的进一步改进，多个海流计分别固定在缆绳的不同位置，用于测量不同深度的流速、流向和深度值。

作为本发明的进一步改进，本发明的浮标链载倾斜海流测量系统还包括远端接收装置，所述的远端接收装置通过无线传输方式与所述的数据接收发送器连接；所述远端接收装置接收数据接收发送器发送的海流数据。

作为本发明的进一步改进，本发明的浮标链载倾斜海流测量系统还包括上位机系统，所述的上位机系统与所述的远端接收装置连接；所述上位机系统用于将接收的海流数据进行显示、存储、回放、通讯调取和时间校正。

本发明还提供一种海流及波浪的测量方法，该方法包括以下步骤：

(1)、将本发明的浮标链载倾斜海流测量系统布放到待测量区域；

(2)、通过海流计测量出其所在位置处的流速、流向和深度值；

(3)通过接近水面处的海流计进行表层波浪的反演计算，计算得到波高、波周期和波向；

(4)、海流计测量的数据通过电缆传输到数据接收发送器；数据接收发送器再将数据经过远端接收装置传输到上位机系统；

(5)、上位机系统将测得的海流、波浪数据进行实时显示、存储、回放、通讯调取和时间校正。

本发明的浮标链载倾斜海流测量系统，可以在不同深度上安装多个倾斜海流计，实现不同深度上的海流长期连续观测，利用接近水面位置处的海流值可以进行表层波浪测量。这种测量方式在恶劣的天气条件下仍能稳定工作，在选择合理的锚链长度后，这种方式使用不同水深条件下的测量需求，具有低成本、低功耗、易安装、轻量便携等特点，适应国家深远海探测的需要。

附图说明

图1是本发明的浮标链载倾斜海流测量系统的结构示意图；

图2是海流计的结构示意图

图3是海流计的工作原理及数据处理方法流程图；

图4是重力加速度在三轴的分量与倾角关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的浮标链载倾斜海流测量系统及测量方法进行详细的介绍和说明。

本发明的浮标链载倾斜海流测量系统,如图1所示,主要由表面浮标体2、数据接收发送器3、海流计4、缆绳5、锚固件6、远端接收装置7和上位机系统8。其中，表面浮标体1为空心球形或者圆盘形，数据接收发送器3安装在表面浮标体1内。表面浮标体2的上部设有发射电线1，底部连接缆绳5。缆绳5的另一端通过锚固件6固定于海底。在缆绳5上拖拽连接有多个海流计6，分别固定在缆绳的不同位置，以便测量不同深度的海流数据。多个海流计通过电缆与表面浮标体2内的数据接收发送器3连接。

如图2所示，海流计4主要由配重块41、浮体42、数据采集/模块43、连接绳44和固定部45。配重块41与浮体42连接，数据采集/处理模块43，与浮体42连接，固定部45通过连接绳44与数据采集/处理模块43连接。通过固定部45，将海流计固定在缆绳5上。

数据采集/处理模块43搭载三维加速度传感器、方位传感器、压力传感器、采集/处理电路，采集/处理电路控制所有传感器的数据进行同步数据采集，并控制传感器的采集频率、采样时长。方位传感器可以测量仪器所在方位，采集/处理电路将其转换为海流的流向值；压力传感器测量压力值可以代表海流计所在位置的深度；利用三维加速度传感器可以计算出海流计的实时倾角，经过采集/处理电路的计算转换，倾角可以转化为海流流速值。

海流计4采集计算出的流向值、深度值及流速值经电缆传输到数据接受发送器3，数据接收发送器3接接收到的数据通过发射天线1发送给远端接收器7，远端接收器7与上位机系统8连接，由上位机系统8实现数据的实时显示、数据存储、数据回放、通讯调取和时间校正等功能。

采用本发明的浮标链载倾斜海流测量系统，进行海流及波浪的测量，流程如图3所示，具体步骤为：

1、将本发明的浮标链载倾斜海流测量系统布放到待测量区域；

2、在海流计的采集/处理电路控制下，三维加速度传感器、方位传感器、压力传感器分别按照3s/次的频率进行数据采样，并通过以下方法对采集的数据进行计算处理：

(1)海流计的倾角换算为流速值

三维加速度传感器不直接测量倾斜角度，而是通过测量静止状态下X、Y、Z三轴的加速度，利用重力加速度与其在三轴加速度传感器的X、Y、Z三轴的分量关系，计算出各轴与重力加速度的夹角，从而得出系统倾角。重力加速度在三轴的分量与倾角关系如图4所示，由此可推导出倾角解算公式为：设α是重力加速度与X轴的夹角,β是重力加速度与Y轴的夹角,θ是重力加速度与z轴的夹角。

其中，A_X,A_Y,A_Z—重力加速度在x,y,z三轴的分量。根据得到的三个倾角值，即可得到物体在空间转动的角度。使用三轴加速度测量倾角，不仅有效灵敏度增量为常量，而且可以精确测量单位球面周围所有点的角度。

随着水流流速的变化，测流模块倾斜程度的不同会导致其有效横截面积发生变化，拖拽系数也会发生变化，且涡流会影响不同几何尺寸模型的测量结果。

因此，计算流速过于复杂，难以确定各项参数。而拖拽系数会随着流速的增大近似线性下降。假设其他参数为常量，本文将曲线拟合公式近似为，

式中：c为拟合系数。拟合参数与海流计的外壳材料、外壳尺寸、外壳重量、海流计的固定方式有关系。同时在海水和淡水中，拟合参数也有不同。

(2)流向测量

海流计安装有方位传感器，根据海流计的“拖曳-倾斜原理”，海流计所在的实时方位可以代表该位置处的海流流向。为了提高海流计所在位置处的流向测量准确性，可以利用磁力计等测量所在位置处的磁差，对于流向值进行修正，提升流向测量准确性。

(3)多组海流数据的平均

控制三维加速度传感器和方位传感器三秒钟采样一次；即在三秒内计算海流一次，三秒钟计算出的海流值起伏较大，为了降低误差的影响，考虑在整一分钟时，对于海流测量值进行一次平均，得到平均海流值，每分钟的海流值存储于海流计的内部存储卡内。

(4)浪致流提取

海流测量值中包含背景流、噪声流和浪致流。通过浪致流提取算法，提取出波浪带来的海流速度。

在接近水面位置处的海流速度V_束，包括了潮汐和风生背景流V_背、波生流V_波和各种噪声流V_噪。波生流的大小和周期和波浪的振幅和周期有密切的关系，而风生背景流的周期和变化率远远小于波生流，而噪声引起的波生流频率远远高于波生流，所以在实测数据中若得到波束方向上的多组流速测量值时，利用多组数据的平均来求得V_背，通过滤波运算得到V_噪，剩余的即是V_水。

V_束＝V_水+V_背+V_噪。

(5)表层波浪的方向谱反演

在接近水面上安装的海流计具备波浪反演能力，利用海流计可以测量得到水质点速度U，V和压力值P。利用PUV方法可以进行波浪方向谱反演。

采用迭代的最大似然算法。K为波数；L是波长；θ为波浪传播方向；ω是波浪圆频率；

将方向谱用傅里叶级数展开形式：

PUV犯法，可求得傅氏级数的前五项系数：

H为水深，z为测量所在位置处的纵坐标；

(6)波浪特征值计算：

通过海浪方向谱计算得到波浪特征值数据。

有义波高(H_1/3)：S(f,θ)代表海浪方向谱，f,θ分别代表频率和方向。

峰值周期(T_p)：一维高度谱中最大值点对应的波浪周期。

主浪向(θ_Tp)：在二维方向谱中所有最大值对应的方向。

峰值浪向(θ_p)：在一维高度谱最大值点对应的波浪方向。

3、海流计的数据通过电缆实时上传，上传到表面浮标体内的数据接收发送器，并进行数据存储。然后通过表面浮标体上的发射天线将数据发送，由远端接收器进行数据接收，由上位机系统进行数据显示存储。

Claims (9)

1.一种浮标链载倾斜海流测量系统，其特征在于：包括表面浮标体、海流计、缆绳；所述缆绳的一端与表面浮标体的底部连接，另一端锚固在海底；所述海流计拖拽连接在所述缆绳上；所述的海流计包括数据采集/处理模块，用于采集海流计倾角、方位和深度，将采集到的数据经计算，转化为海流的流速值、流向值、深度值及波浪数据并储存。

2.根据权利要求1所述的浮标链载倾斜海流测量系统，其特征在于：所述的数据采集/处理模块包括三维加速度传感器、方位传感器、压力传感器、采集/处理电路，所述采集/处理电路控制传感器的采样频率、采样时长，并将采集到的数据经过计算处理后保存。

3.根据权利要求2所述的浮标链载倾斜海流测量系统，其特征在于：所述的表面浮标体内设有数据接收发送器，所述数据接收发送器通过电缆与所述的海流计连接，用于接收海流计采集处理后的海流及波浪数据。

4.根据权利要求2所述的浮标链载倾斜海流测量系统，其特征在于：所述的海流计上连接有浮体，所述浮体连接有配重块。

5.根据权利要求3所述的浮标链载倾斜海流测量系统，其特征在于：所述的浮标体为空心球形和圆盘形。

6.根据权利要求1-5任一项所述的浮标链载倾斜海流测量系统，其特征在于：多个海流计分别固定在缆绳的不同位置，用于测量不同深度的流速、流向和深度值。

7.根据权利要求1-5任一项所述的浮标链载倾斜海流测量系统，其特征在于：包括远端接收装置，所述的远端接收装置通过无线传输方式与所述的数据接收发送器连接。

8.根据权利要求7所述的浮标链载倾斜海流测量系统，其特征在于：包括上位机系统，所述的上位机系统与所述的远端接收装置连接。

9.一种海流及波浪的测量方法，包括以下步骤：

（1）、将本发明的浮标链载倾斜海流测量系统布放到待测量区域；

（2）、通过海流计测量出其所在位置处的流速、流向和深度值；

（3）、通过接近水面处的海流计进行表层波浪的反演计算，计算得到波高、波周期和波向；

（4）海流计测量的数据通过电缆传输到数据接收发送器；数据接收发送器再将数据经过远端接收装置传输到上位机系统；

（5）、上位机系统将测得的海流、波浪数据进行实时显示、存储、回放、通讯调取和时间校正。