CN111060182B - 光电式大量程海浪周期与波高测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光电式大量程海浪周期与波高测量系统及其测量方法，本发明的测量系统通过光电传感器实时测量海面大动态范围光强，根据光强值的波动描绘波浪形态，计算出海浪周期及波高，进一步可结合水深计算波速波长。本发明的测量方法中，控制单元控制增益调整单元和AD转换模块，提高光电传感器测量精度，通过对采集频率的调整可以降低测量误差。

Description

光电式大量程海浪周期与波高测量系统及其测量方法

技术领域：

本发明涉及一种海浪参数测量仪器，尤其涉及海浪形态、浪高、波浪周期的测量装置。

背景技术：

在与海洋相关的工程领域中，海浪周期及波高是波浪的重要特征，准确获取实时的海浪周期与波高信息对气象预报及海上工作都有重要意义。

目前，国内外的海浪波高测量方法，大致可以总结成雷达法和光学测量法。

雷达法测量海浪浪高的原理是，从雷达天线定向发射出的脉冲无线电波，在碰到海面上波浪就有一部分电波散射返回，回波被雷达接收后，海浪形态在测量屏幕上显示出来。其中主要有合成孔径雷达测海浪、基于高频地波雷达测海浪以及X波段航海雷达测海浪。然而，雷达法只适合于星载或者机载方式进行测试，不适合对海浪浪高的实时测试。

光学测量法的基本原理是，利用海水水波面的光学特性，充分运用图像分析和计算机视觉的理论和技术对动态变化的海水波面进行实时监测。目前，光学测量主要是通过分析水波面的反射、折射特性来获取浪高的相关信息。

基于反射特性的测量，目前主要有太阳光耀斑摄像技术、光强编码技术、激光探测方法等。从空中直接拍摄海面的太阳反射光斑，可以得到海面波浪倾角的概率分布函数。激光探测法是利用机载的红外和蓝绿激光在海水中走过的距离和海水反射的激光回波信号计算出海水水深和浪高。此类方法都需要高端的拍摄设备，价格不菲。

基于折射特性的测量，主要有扫描式激光坡度仪和色编码技术等。扫描式激光坡度仪通过设置于水下的激光源实时的向海面进行扫描，并通过海面上方的光电倍增管接收折射后的空间分布，从而算出海面的斜率和波高分布。色编码技术则需要更为复杂的系统。

此外，还有电容和电阻式波高传感器，大多用于小量程波高的测量，对于实际海域或者大尺度试验中，需要搭建较大形态的支架。申请号为201810289963.6的专利中提出搭建钢铁支架，在支架上方最高浪高以上位置安装钽丝波高传感器，将电容信号最终转换成电信号传输出来，安装中需保证传感器水平，这一点很难做到，且最高浪高以上位置是个不确定位置。申请号为201820637249.7的专利，提出一种基于加速度传感器的波高测量装置，此装置组件多，适用于实验室测量，对于实际海域的浪高测量并不适用。海洋面积广，人工测量或以有线形式做数据传输都需要大量人力物力。

发明内容：

针对以上不足，本发明提供一种光电式大量程海浪周期与波高测量系统及其测量方法，利用光电传感器和无线传输路径水上水下相结合，可以实时测量并传递海浪波高、周期，且误差范围可控，其技术方案如下：

一种光电式大量程海浪周期与波高测量系统，包括浮球、测量模块、防水盒、线缆、光电传感器及传感器配重；其中，光电传感器嵌于传感器配重一侧，测量模块置于防水盒内与浮球连接，光电传感器和测量模块通过线缆电连接，连接处作密封防水处理；所述线缆长度为10-50m；

使用时，浮球与测量模块漂浮于海面，光电传感器与传感器配重置于海中，光线入射海面穿过波浪被光电传感器接收，光电传感器接收到的光信号通过线缆传输至测量模块，测量模块对接收到的光信号进行处理计算得到海浪周期与波高。

优选地，所述光电传感器型号为PIN-13DSB，并在敏感面添加一个修正滤光片；所述传感器配重为圆柱体金属块，所述圆柱体金属块的直径为10-15cm，高7-10cm；光电传感器嵌于传感器配重的顶面上。

优选地，所述传感器配重侧面开设有1个通孔使线缆穿过该通孔与光电传感器连接。

优选地，所述传感器配重嵌有光电传感器的圆面边缘开设有1个通孔使线缆穿过该通孔与光电传感器连接。

优选地，还包括一个人形稳定结构，人形稳定结构顶部开口角度呈30°且与线缆固定连接，人形稳定结构底部分别与传感器配重嵌有光电传感器的圆面边缘两固定点固定连接，且两固定点与圆面边缘开设的通孔等距设置。

一种光电式大量程海浪周期与波高测量系统的测量方法，采用所述的测量系统，其中，测量模块包括：传感器输入端、IV变换电路、电压放大电路、电压保护单元、控制单元、AD转换模块、GPS模块和电源模块；控制单元内嵌装有采集频率调整单元和增益调整单元；该方法包括如下具体步骤：

1)置于海内的光电传感器接受穿过海水的光线，测量信号通过线缆传输至测量模块的传感器输入端；

2)测量信号依次经IV变换、电压放大和AD转换后的测量值输出给控制模块；增益调整单元将当前测量量程调节至增益量程，使电压放大电路的电压放大倍数为增益放大倍数，对测量信号进行电压放大，其具体过程为：

对实时信号，调节增益调整单元的当前测量量程至最大测量量程，使电压放大电路的放大倍数为最大测量量程对应的放大倍数；测量信号经IV变换电路、电压放大电路和AD转换模块后得到最大测量量程的测量值；

如果当前测量量程下，测量值小于等于当前测量量程的启测值，则降至增益调整单元下一级测量量程，使电压放大电路的放大倍数提高，直到当前测量量程下测量值大于当前测量量程的启测值时，取当前测量量程的测量值为目标测量值，将当前量程确定为增益量程，当前电压放大倍数为增益放大倍数，增益调整完毕；

3)频率调整单元将AD转换模块的转换频率调节至最优转换频率，其具体过程为：

3.1)AD转换模块以初次转换频率f₀、初次转换时长t₀进行初次数据转换，得到一组测量值；

3.2)对该组测量值进行周期性分析，得到估算数据周期T’及估算周期数据量N’；

3.3)将转换时长重置为1T’～1.5T’；

3.4)以步骤3.3)重置后的转换时长，根据给定精度计算实际周期数据量N，如果步骤3.2中N’≥N，则AD转换模块的最优转换频率f_c＝f₀；

如果N’<N，则AD转换模块的最优转换频率

为向上取整值；

4)按步骤3)中最优转换频率采集数据，并计算海浪浪高和海浪周期，其具体步骤为：

4.1)以步骤3)中AD转换模块的最优转换频率f_c进行一个周期的数据采样，采样数据的数据量记为N_c，则海浪周期T_L＝N_c/f_c；

4.2)在4.1)采样数据中，找到最大值I_max和最小值I_min，则海浪浪高

式中，k为吸光系数，c为海水密度；

5)通过GPS模块发送步骤4计算出的海浪浪高和海浪周期。

优选地，步骤2中，电压保护单元还对AD转换模块进行保护，其保护方法为，使用二极管及电源形成钳位电路，对AD转换模块的最大输入电压值做限制；使用二极管及地信号形成低端电压保护，防止负信号进入AD转换模块。

优选地，步骤4.2)中，进一步可利用水深值，计算波速与波长。

本发明相比现有技术具有如下有益效果：

本发明的测量系统将光电传感器置于海水中，测量模块漂浮于海面，形成了水上水下结合的测量系统。光电传感器悬浮于海水中时，人形稳定结构可使光电传感器敏感面方向向上，确保光电传感器能够接收到入射光。

本发明利用GPS模块实现远程数据传输，节省了人力物力，本发明以光电传感器和测量模块为核心，成本低，性价比高。

由于海面入射光光强大范围波动时，本发明的测量模块利用实时增益调整方法动态调整放大倍数，可以跟踪测量到即时信号。本发明通过增益调整，将待测信号置于最佳测量量程，使得测量误差最小。本发明将增益调整单元和AD转换模块结合，进一步提高了光电传感器测量精度，并通过对采集频率的调整可以降低装置整体的测量误差。

本发明在实现光电传感器实时测量海面大动态范围光强的基础上，根据光强值的波动可描绘波浪形态，计算出海浪周期及波高，进一步可结合水深计算波速波长。

附图说明:

图1为实施例一中测量系统投放示意图；

图2为实施例三中测量系统投放示意图；

其中，1-浮球；2-测量模块；3-线缆；4-光电传感器；5-传感器配重；6-人形稳定结构；

图3为实施例三中人形稳定结构结构示意图；

图4为测量模块内部结构示意图；

图5为信号采集示意图；

图6为本发明测量方法流程示意图；

图7为增益调整流程示意图；

图8为采集频率调整流程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例一：

本实施例采用本发明提供的一种光电式大量程海浪周期与波高测量系统，如图1所示，该系统包括浮球、测量模块、防水盒、线缆、光电传感器及传感器配重；其中，光电传感器嵌于传感器配重一侧，测量模块置于防水盒内与浮球连接，系统中的浮球可保证置于防水盒内的测量模块浮在水面上，GPS模块的通讯效果好，也便于定位回收。光电传感器和测量模块通过线缆电连接，连接处作密封防水处理；该线缆长度为10-50m；本实施例中光电传感器型号为PIN-13DSB，并在敏感面添加一个修正滤光片；该光电传感器顶端为球面，不会积累障碍物；所述圆柱体金属块的直径为10-15cm，高7-10cm；光电传感器嵌于传感器配重的顶面上。

使用时，浮球与测量模块漂浮于海面，光电传感器与传感器配重置于海中，光信号经海面波浪被海中的光电传感器接收，光电传感器通过线缆将接收到的光信号传输至测量模块，测量模块对接收到的光信号进行处理，由光信号的波动描绘波浪形态，计算出海浪周期及波高。

实施例二：

本实施例的选择性设计在于：如图1所示，传感器配重侧面开设有1个通孔使线缆穿过该通孔与光电传感器连接。

实施例三：

本实施例的选择性设计在于：如图2和图3所示，所述传感器配重嵌有光电传感器的圆面边缘开设有1个通孔使线缆穿过该通孔与光电传感器连接。本实施例还包括一个人形稳定结构，人形稳定结构顶部开口角度呈30°且与线缆固定连接，人形稳定结构底部分别与传感器配重嵌有光电传感器的圆面边缘两固定点固定连接，且两固定点与圆面边缘开设的通孔等距设置。

实施例四：

本实施例采用本发明提供的光电式大量程海浪周期与波高测量系统的测量方法，该方法采用上述任一测量系统对海浪周期与波高进行测量，如图4所示，测量模块包括：传感器输入端、IV变换电路、电压放大电路、电压保护单元、控制单元、AD转换模块、GPS模块和电源模块；控制单元内嵌装有采集频率调整单元和增益调整单元；

该方法在测量前，首先将光电传感器及传感器配重投入水中，测量模块置于防水盒内与浮球一起浮在水面，外部光线经水面的波浪入射，光信号被水下的光电传感器接收。波浪在光电传感器上方不断运动的过程中，光线入射及光电传感器接收信号的情况，如图5所示，光电传感器在稳定深度的水平位置，外部光线入射后，从浪顶、或浪底、或浪中位置，按时间顺序，穿过不同水深到达光电传感器敏感面，水下设备投放稳定后，系统开启测量。如图6所示，该方法包括如下具体步骤：

1)置于海内的光电传感器接受穿过海水的光线，测量信号通过线缆传输至测量模块的传感器输入端；线缆传递的信号为电流型信号；

2)测量信号依次经IV变换、电压放大和AD转换后的测量值输出给控制模块；由于测量信号动态范围大，增益调整单元需根据AD转换模块实时测量信号选择最合适的放大倍数进行电压放大，即增益调整单元将当前测量量程调节至增益量程，使电压放大电路的电压放大倍数为增益放大倍数，对测量信号进行电压放大，如图7所示，其具体过程为：

对实时信号，调节增益调整单元的当前测量量程至最大测量量程，使电压放大电路的放大倍数为最大测量量程对应的放大倍数；测量信号经IV变换电路、电压放大电路和AD转换模块后得到最大测量量程的测量值；

如果当前测量量程下，测量值小于等于当前测量量程的启测值，则降至增益调整单元下一级测量量程，使电压放大电路的放大倍数提高，直到当前测量量程下测量值大于当前测量量程的启测值时，取当前测量量程的测量值为目标测量值，将当前量程确定为增益量程，当前电压放大倍数为增益放大倍数，增益调整完毕；

同时，电压保护单元对AD转换模块进行保护，具体保护方法为：使用二极管及电源形成钳位电路，对AD转换模块的最大输入电压值做限制；使用二极管及地信号形成低端电压保护，防止负信号进入AD转换模块。

3)频率调整单元将AD转换模块的转换频率调节至最优转换频率，如图8所示，其具体过程为：

3.1)AD转换模块以初次转换频率f₀、初次转换时长t₀进行初次数据转换，得到一组测量值；

3.2)对该组测量值进行周期性分析，得到估算数据周期T’及估算周期数据量N’；

3.3)如果采样时长大于两个估算数据周期时，即如果t₀>2T’时，则减小采样时长至1T’～1.5T’；如果采样时长不足一个估算数据周期时，即如果t₀<T’，则延长采样时长至1T’～1.5T’；如果采样时长处于一个估算数据周期与两个估算数据周期内时，即T’≤t₀≤2T’，则重置采样时长至1T’～1.5T’；

3.4)以步骤3.3)重置后的转换时长，根据给定精度计算实际周期数据量N，如果步骤3.2中N’≥N，则AD转换模块的最优转换频率f_c＝f₀；

如果N’<N，则AD转换模块的最优转换频率

为向上取整值；

4)按步骤3调整后的最优转换频率采集数据，并计算海浪浪高、周期；

4.1)以步骤3)中AD转换模块的最优转换频率f_c进行一个周期的数据采样，采样数据的数据量记为N_c，则海浪周期T_L＝N_c/f_c；

4.2)在4.1)采样数据中，找到最大值I_max和最小值I_min，则海浪浪高

式中，k为吸光系数，c为海水密度；

4.3)进一步可利用水深值，计算波速与波长，具体过程为：

海浪周期T_L、波长λ、波速C的关系

深水区圆频率σ和波数k的关系为：

因为水深h＞＞λ，所以

σ²＝kg

又有

所以

又

所以

由(1)(2)得波速

由(3)得

结合(2)得波长

5)通过GPS模块发送步骤4计算出的海浪浪高、周期、波速和波长。

Claims (8)

1.一种光电式大量程海浪周期与波高测量系统，其特征在于：包括浮球、测量模块、防水盒、线缆、光电传感器及传感器配重；其中，光电传感器嵌于传感器配重一侧，测量模块置于防水盒内与浮球连接，光电传感器和测量模块通过线缆电连接，连接处作密封防水处理；所述线缆长度为10-50m；

使用时，浮球与测量模块漂浮于海面，光电传感器与传感器配重置于海中，光线入射海面穿过波浪被光电传感器接收，光电传感器接收到的光信号通过线缆传输至测量模块，测量模块对接收到的光信号进行处理计算得到海浪周期与波高。

2.根据权利要求1所述的光电式大量程海浪周期与波高测量系统，其特征在于：所述光电传感器型号为PIN-13DSB，并在敏感面添加一个修正滤光片；所述传感器配重为圆柱体金属块，所述圆柱体金属块的直径为10-15cm，高7-10cm；光电传感器嵌于传感器配重的顶面上。

3.根据权利要求2所述的光电式大量程海浪周期与波高测量系统，其特征在于：所述传感器配重侧面开设有1个通孔使线缆穿过该通孔与光电传感器连接。

4.根据权利要求2所述的光电式大量程海浪周期与波高测量系统，其特征在于：所述传感器配重嵌有光电传感器的圆面边缘开设有1个通孔使线缆穿过该通孔与光电传感器连接。

5.根据权利要求4所述的光电式大量程海浪周期与波高测量系统，其特征在于：还包括一个人形稳定结构，人形稳定结构顶部开口角度呈30°且与线缆固定连接，人形稳定结构底部分别与传感器配重嵌有光电传感器的圆面边缘两固定点固定连接，且两固定点与圆面边缘开设的通孔等距设置。

6.一种光电式大量程海浪周期与波高测量系统的测量方法，其特征在于：采用权利要求1～5任一所述的测量系统，其中，测量模块包括：传感器输入端、IV变换电路、电压放大电路、电压保护单元、控制单元、AD转换模块、GPS模块和电源模块；控制单元内嵌装有采集频率调整单元和增益调整单元；该方法包括如下具体步骤：

1)置于海内的光电传感器接受穿过海水的光线，测量信号通过线缆传输至测量模块的传感器输入端；

2)测量信号依次经IV变换、电压放大和AD转换后的测量值输出给控制模块；增益调整单元将当前测量量程调节至增益量程，使电压放大电路的电压放大倍数为增益放大倍数，对测量信号进行电压放大，其具体过程为：

对实时信号，调节增益调整单元的当前测量量程至最大测量量程，使电压放大电路的放大倍数为最大测量量程对应的放大倍数；测量信号经IV变换电路、电压放大电路和AD转换模块后得到最大测量量程的测量值；

如果当前测量量程下，测量值小于等于当前测量量程的启测值，则降至增益调整单元下一级测量量程，使电压放大电路的放大倍数提高，直到当前测量量程下测量值大于当前测量量程的启测值时，取当前测量量程的测量值为目标测量值，将当前量程确定为增益量程，当前电压放大倍数为增益放大倍数，增益调整完毕；

3)频率调整单元将AD转换模块的转换频率调节至最优转换频率，其具体过程为：

3.1)AD转换模块以初次转换频率f₀、初次转换时长t₀进行初次数据转换，得到一组测量值；

3.2)对该组测量值进行周期性分析，得到估算数据周期T’及估算周期数据量N’；

3.3)将转换时长重置为1T’～1.5T’；

3.4)以步骤3.3)重置后的转换时长，根据给定精度计算实际周期数据量N，如果步骤3.2中N’≥N，则AD转换模块的最优转换频率f_c＝f₀；

如果N’<N，则AD转换模块的最优转换频率

为向上取整值；

4)按步骤3)中最优转换频率采集数据，并计算海浪浪高和海浪周期，其具体步骤为：

4.1)以步骤3)中AD转换模块的最优转换频率f_c进行一个周期的数据采样，采样数据的数据量记为N_c，则海浪周期T_L＝N_c/f_c；

4.2)在4.1)采样数据中，找到最大值I_max和最小值I_min，则海浪浪高

式中，k为吸光系数，c为海水密度；

5)通过GPS模块发送步骤4计算出的海浪浪高和海浪周期。

7.根据权利要求6所述的光电式大量程海浪周期与波高测量方法，其特征在于：步骤2中，电压保护单元还对AD转换模块进行保护，其保护方法为，使用二极管及电源形成钳位电路，对AD转换模块的最大输入电压值做限制；使用二极管及地信号形成低端电压保护，防止负信号进入AD转换模块。

8.根据权利要求7所述的光电式大量程海浪周期与波高测量方法，其特征在于：步骤4.2)中，进一步可利用水深值，计算波速与波长。

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