CN111175851A - 一种能够进行远海自动化观测的气象探测系统 - Google Patents

一种能够进行远海自动化观测的气象探测系统 Download PDF

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CN111175851A CN201911315765.3A CN201911315765A CN111175851A CN 111175851 A CN111175851 A CN 111175851A CN 201911315765 A CN201911315765 A CN 201911315765A CN 111175851 A CN111175851 A CN 111175851A
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Abstract

本发明涉及气象探测系统技术领域，具体地说，涉及一种能够进行远海自动化观测的气象探测系统。其包括位于海洋内的浮标平台、安装在浮标平台顶部的激光检测平台以及位于陆地上的数据处理基站，所述浮标平台包括电源供电单元、数据采集单元和通讯单元，所述激光检测平台包括风量检测单元和风速检测单元，所述数据接收单元用于接收通讯单元传输的数据。该能够进行远海自动化观测的气象探测系统中，将浮标平台和激光雷达相结合，不仅克服传统浮标仅能进行单点观测的缺陷，而且将激光雷达剖面观测优势扩展到气象观测领域亟需的海洋中，有效获得海洋中现场、实时、连续的三维风剖面，经济成本低，空间分辨率高。

Description

一种能够进行远海自动化观测的气象探测系统
技术领域
本发明涉及气象探测系统技术领域，具体地说，涉及一种能够进行远海自动化观测的气象探测系统。
背景技术
随着世界经济的不断发展，各国对资源的需求量持续增加，由于陆地资源日趋减少，各国纷纷将目光投向了广阔的海洋。伴随着对海洋开发力度的逐渐加大，海洋环境监测作为海洋开发的技术支撑，其作用越发显得重要。目前海洋气象探测采用卫星和机载遥感技术，其成本很高，空间分辨率较低，而且机载遥感的时间精细程度较差；基于模型的预报方法则存在误差较大的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够进行远海自动化观测的气象探测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种能够进行远海自动化观测的气象探测系统，包括位于海洋内的浮标平台、安装在浮标平台顶部的激光检测平台以及位于陆地上的数据处理基站，所述浮标平台包括电源供电单元、数据采集单元和通讯单元，所述电源供电单元用于对浮标平台整体进行供电，所述数据采集单元用于采集还上气象数据；所述通讯单元用于将检测的信息传输至数据处理基站内，所述激光检测平台包括风量检测单元和风速检测单元，所述风量检测单元用于对海洋上的风量进行检测，所述风速检测单元用于对海洋上的风速进行检测；所述数据处理基站包括数据接收单元和数据处理单元，所述数据接收单元用于接收通讯单元传输的数据，所述数据处理单元用于对接收的气象数据进行处理和分析。
作为优选，所述数据采集单元包括定位模块，所述定位模块的定位方法如下：
S1.1、单点动态定位：将一个GPS用户接收机放在浮标平台上，浮标平台自动地测得动态的实时位置，通过实时位置获得的数据处理得到运动载体的具体运行的轨迹，其中式为：
ρj’＝[(Xj-Xu)2+(Yj-Yu)2+(Zj-Zu)2]1/2+d……；
其中，Xu、Yu、Zu为动态用户组在Tk时刻的瞬态位置状况；式中Xj、Yj、Zj也是描述第j颗GPS卫星在其运行的轨迹上瞬时位置坐标，这些坐标可根据星历计算而得到。ρj’为GPS信号接收机的接收天线和第j颗GPS定位卫星之间的距离，又称为“星站距离”。d是卫星距离偏差，是由GPS信号接收机的时钟误差及其他误差因素所导致的距离偏差；
S1.2、计算三维坐标：利用公式计算位置时，不能直接计算出它们的三维坐标，而是只求出了每个坐标分量的修正量，即假设用户初始的三维坐标，而计算出的三维坐标的改正值则为△Xu,△Yu,△Zu以及距离偏差d。然后对式中Xu，Yu，Zu分别微分处理，便可得出一组线性方程，其计算公式如下：
X＝A-1B……；
其中，矩阵为：
Figure BDA0002325792590000021
利用式计算的浮标平台的实时点位坐标时，因此后面每一个点位的初坐标都可以根据前一个点位坐标来进行设定，所以关键是要确定第一个点位坐标的初始值，才能精确求的第一个点位的三维坐标。
作为优选，所述数据采集单元包括数据采集浮体模块。
其中，数据采集浮体模块包括WetLabs DH4水下数据采集装置、Satlantic STOR-X水下数据采集器、潜水数据采集器、
其中，WetLabs DH4水下数据采集装置用于多种传感器的集成与数据的实时采集、存储与合并。集成的传感器最多可达8种，既可应用于剖面测量，又可应用于定点连续观测。通过WetLabs DH4，来自任何传感器的数据都可从它自带的软件实时看到，并且不影响其它传感器数据的采集和存储。DH4自带的软件可以对集成的传感器进行参数配置、运行操作、数据下载和数据处理等操作。每一个接口可支持1个数字或2个模拟，DH4-8最多可支持15种模拟信号传感器的集成。
其中，Satlantic STOR-X水下数据采集器具有体积小、低价格、低电耗的特点，非常适合用于野外远程数据采集。STOR-X具有预订数据采集功能，可根据研究者设定好的采样顺序采集数据。可采集与记录来自任何串口或模拟设备的数据，包括来自Satlantic生产的所有辐射计的数。
其中，潜水数据采集器采用NEXSENS SDL500潜水数据采集器，DL500可应用于湖泊、河流、溪流、油洞和下水道或将其与浮标应用相结合，对于底部监测应用，SDL500可潜入水下200英尺的深度。
作为优选，所述数据采集单元包括数据采集传感器模块。
其中，数据采集传感器模块包括PH传感器、Hach LDO光学式溶解氧传感器，膜法溶解氧传感器，
其中，PH传感器的工作原理为：PH传感器主要由参比电极(甘汞电极)、测量电极(玻璃电极、复合电极)和精密电位计三个部分组成。饱和甘汞电极由金属汞、Hg2C12和饱和KC1溶液组成，甘汞电极的电极电势不随溶液的pH值的变化而变化，在一定温度下有定值。25C时饱和甘汞电极的电势为0.245V。玻璃电极的电极电势随溶液pH值的变化而变化。它的主要部分是头部的球泡，这是由特殊的敏感玻璃膜构成的。薄膜对H+较敏感，当它浸入溶液时，被测溶液的H+与玻璃电极的球泡表面的水化层进行离子交换，球泡内层也同样产生电极电势。由于内层H+浓度不变，而外层H+浓度在变化，因此内外层的电势差也在变化，所以该电极电势随待测溶液的pH值不同而改变。
其中，Hach LDO光学式溶解氧传感器的光学部分由两个发光二极管和一个硅光电检测器组成。传感器帽表面有一层荧光涂层，传感器中的蓝色LED光源发出一束蓝色光，照射在荧光物质上，该涂层的荧光物质随即被这束蓝光激发，此激发态并不稳定，遇到氧以后会迅速释放出红色的光线并回复至原始状态。此红光和先前LED发射的蓝光存在--个时间滞后，光电检测器可以监测到蓝光和红光之间的这个相位滞后，即测量荧光物质从被蓝光激发到发射红光后恢复原态的时间，根据这个来计算水中溶解氧的含量。该相位滞后与发光体附近的溶解氧浓度成反比。当氧气与荧光物质接触后，则其产生的红色光的强度会降低，同时其产生红光的时间也会缩短，水样中溶解的氧气的浓度越高，则传感器产生的红光的强度就会越低。
其中，膜法溶解氧传感器的传感部分是由金电极(阴极)和银电极(阳极)及氯化钾或氢氧化钾电解液组成，氧通过膜扩散进入电解液与金电极和银电极构成测量回路。当给溶解氧分析仪电极加上0.6-0.8V的极化电压时，氧通过膜扩散，阴极释放电子，阳极接受电子，产生电流，整个反应过程为：阳极Ag+Cl→AgCl+2e-；阴极02+2H20+4e→40H-；根据法拉第定律：流过溶解氧分析仪电极的电流和氧分压成正比，在温度不变的情况下电流和氧浓度之间呈线性关系。
作为优选，所述通讯单元采用ZigBee网络进行数据传输，其数据传输方法如下：
S2.1、网关节点ZigBee芯片和TCP/IP接入网模块，负责ZigBee网络和TCP/IP网络的双向数据交互通信；
S2.2、ZigBee网络采集的数据由网关节点进行ZigBee协议数据解包；
S2.3、封装成TCP/IP数据包发送数据处理基站。
作为优选，所述风量检测单元采用相干探测法，其公式如下：
fbeat＝|fLO-fSig|＝Δf+foffset……；
其中，振光频率为fLO，激光脉冲发射频率为f0＝fLO+foffset，信号回波频率为fsig＝f0+Δf，光混频后得到差频为|fLO±fSig|。
作为优选，所述风速检测单元采用VAD扫描矢量检测方法，其公式如下：
Figure BDA0002325792590000041
作为优选，所述数据处理单元采用多节点融合方式，其方法步骤如下：
S3.1、每个节点采集一组数据分别为Y(1)，Y(2)……，随机平分为两组，
Figure BDA0002325792590000051
为同一批的两组测量数据的各自平均算术加权值，计算各自组相应的误差标准；
S3.2、对每一个节点采集的数据组进行分批估算加权得到该节点测量融合值和方差；
S3.3、对多节点采集的数据进行融合。
作为优选，所述误差标准的计算公式如下：
Figure BDA0002325792590000052
Figure BDA0002325792590000053
作为优选，所述方差的计算公式如下：
Figure BDA0002325792590000054
融合值的计算公式如下：
Y-[σ+(σ_)]Y+[σ+H4Q-1]Y＝[σ+HTQ-1]Y……；
其中，H是测量方程系数，其矩阵为：
Figure BDA0002325792590000055
与现有技术相比，本发明的有益效果：该能够进行远海自动化观测的气象探测系统中，将浮标平台和激光雷达相结合，不仅克服传统浮标仅能进行单点观测的缺陷，而且将激光雷达剖面观测优势扩展到气象观测领域亟需的海洋中，有效获得海洋中现场、实时、连续的三维风剖面，经济成本低，空间分辨率高。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的定位模块的定位方法框图；
图3为本发明的数据传输方法框图；
图4为本发明的多节点融合方法框图。
图中各个标号意义为：
1、浮标平台；11、电源供电单元；12、数据采集单元；13、通讯单元；
2、激光检测平台；21、风量检测单元；22、风速检测单元；
3、数据处理基站；31、数据接收单元；32、数据处理单元。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
请参阅图1-图4所示，本发明提供一种技术方案：
本发明提供一种能够进行远海自动化观测的气象探测系统，包括位于海洋内的浮标平台1、安装在浮标平台1顶部的激光检测平台2以及位于陆地上的数据处理基站3，浮标平台1包括电源供电单元11、数据采集单元12和通讯单元13，电源供电单元11用于对浮标平台1整体进行供电，数据采集单元12用于采集还上气象数据；通讯单元13用于将检测的信息传输至数据处理基站3内，激光检测平台2包括风量检测单元21和风速检测单元22，风量检测单元21用于对海洋上的风量进行检测，风速检测单元22用于对海洋上的风速进行检测；数据处理基站3包括数据接收单元31和数据处理单元32，数据接收单元31用于接收通讯单元13传输的数据，数据处理单元32用于对接收的气象数据进行处理和分析。
本实施例中，数据采集单元12包括定位模块，定位模块的定位方法如下：
S1.1、单点动态定位：将一个GPS用户接收机放在浮标平台1上，浮标平台1自动地测得动态的实时位置，通过实时位置获得的数据处理得到运动载体的具体运行的轨迹，其中式为：
ρj’＝[(Xj-Xu)2+(Yj-Yu)2+(Zj-Zu)2]1/2+d……(1-1)；
其中，Xu、Yu、Zu为动态用户组在Tk时刻的瞬态位置状况；式中Xj、Yj、Zj也是描述第j颗GPS卫星在其运行的轨迹上瞬时位置坐标，这些坐标可根据星历计算而得到。ρj’为GPS信号接收机的接收天线和第j颗GPS定位卫星之间的距离，又称为“星站距离”。d是卫星距离偏差，是由GPS信号接收机的时钟误差及其他误差因素所导致的距离偏差；
S1.2、计算三维坐标：利用公式(1-1)计算位置时，不能直接计算出它们的三维坐标，而是只求出了每个坐标分量的修正量，即假设用户初始的三维坐标Xu0,Yu0,Zu0，而计算出的三维坐标的改正值则为△Xu,△Yu,△Zu以及距离偏差d。然后对1-1式中Xu，Yu，Zu分别微分处理，便可得出一组线性方程，其计算公式如下：
X＝A-1B……(1-2)；
其中，矩阵为：
Figure BDA0002325792590000071
利用式(1-3)计算的浮标平台1的实时点位坐标时，因此后面每一个点位的初坐标都可以根据前一个点位坐标来进行设定，所以关键是要确定第一个点位坐标的初始值，才能精确求的第一个点位的三维坐标。
进一步的，数据采集单元12包括数据采集浮体模块。
其中，数据采集浮体模块包括WetLabs DH4水下数据采集装置、Satlantic STOR-X水下数据采集器、潜水数据采集器、
其中，WetLabs DH4水下数据采集装置用于多种传感器的集成与数据的实时采集、存储与合并。集成的传感器最多可达8种，既可应用于剖面测量，又可应用于定点连续观测。通过WetLabs DH4，来自任何传感器的数据都可从它自带的软件实时看到，并且不影响其它传感器数据的采集和存储。DH4自带的软件可以对集成的传感器进行参数配置、运行操作、数据下载和数据处理等操作。每一个接口可支持1个数字或2个模拟，DH4-8最多可支持15种模拟信号传感器的集成。
其中，Satlantic STOR-X水下数据采集器具有体积小、低价格、低电耗的特点，非常适合用于野外远程数据采集。STOR-X具有预订数据采集功能，可根据研究者设定好的采样顺序采集数据。可采集与记录来自任何串口或模拟设备的数据，包括来自Satlantic生产的所有辐射计的数。
其中，潜水数据采集器采用NEXSENS SDL500潜水数据采集器，DL500可应用于湖泊、河流、溪流、油洞和下水道或将其与浮标应用相结合，对于底部监测应用，SDL500可潜入水下200英尺的深度。
具体的，数据采集单元12包括数据采集传感器模块。
其中，数据采集传感器模块包括PH传感器、Hach LDO光学式溶解氧传感器，膜法溶解氧传感器，
其中，PH传感器的工作原理为：PH传感器主要由参比电极(甘汞电极)、测量电极(玻璃电极、复合电极)和精密电位计三个部分组成。饱和甘汞电极由金属汞、Hg2C12和饱和KC1溶液组成，甘汞电极的电极电势不随溶液的pH值的变化而变化，在一定温度下有定值。25C时饱和甘汞电极的电势为0.245V。玻璃电极的电极电势随溶液pH值的变化而变化。它的主要部分是头部的球泡，这是由特殊的敏感玻璃膜构成的。薄膜对H+较敏感，当它浸入溶液时，被测溶液的H+与玻璃电极的球泡表面的水化层进行离子交换，球泡内层也同样产生电极电势。由于内层H+浓度不变，而外层H+浓度在变化，因此内外层的电势差也在变化，所以该电极电势随待测溶液的pH值不同而改变。
其中，Hach LDO光学式溶解氧传感器的光学部分由两个发光二极管和一个硅光电检测器组成。传感器帽表面有一层荧光涂层，传感器中的蓝色LED光源发出一束蓝色光，照射在荧光物质上，该涂层的荧光物质随即被这束蓝光激发，此激发态并不稳定，遇到氧以后会迅速释放出红色的光线并回复至原始状态。此红光和先前LED发射的蓝光存在--个时间滞后，光电检测器可以监测到蓝光和红光之间的这个相位滞后，即测量荧光物质从被蓝光激发到发射红光后恢复原态的时间，根据这个来计算水中溶解氧的含量。该相位滞后与发光体附近的溶解氧浓度成反比。当氧气与荧光物质接触后，则其产生的红色光的强度会降低，同时其产生红光的时间也会缩短，水样中溶解的氧气的浓度越高，则传感器产生的红光的强度就会越低。
其中，膜法溶解氧传感器的传感部分是由金电极(阴极)和银电极(阳极)及氯化钾或氢氧化钾电解液组成，氧通过膜扩散进入电解液与金电极和银电极构成测量回路。当给溶解氧分析仪电极加上0.6-0.8V的极化电压时，氧通过膜扩散，阴极释放电子，阳极接受电子，产生电流，整个反应过程为：阳极Ag+Cl→AgCl+2e-；阴极02+2H20+4e→40H-；根据法拉第定律：流过溶解氧分析仪电极的电流和氧分压成正比，在温度不变的情况下电流和氧浓度之间呈线性关系。
值得说明的是，通讯单元13采用ZigBee网络进行数据传输，其数据传输方法如下：
S2.1、网关节点ZigBee芯片和TCP/IP接入网模块，负责ZigBee网络和TCP/IP网络的双向数据交互通信；
S2.2、ZigBee网络采集的数据由网关节点进行ZigBee协议数据解包；
S2.3、封装成TCP/IP数据包发送数据处理基站3。
风量检测单元21采用相干探测法，其公式如下：
fbeat＝|fLO-fSig|＝Δf+foffset……(2-1)；
其中，振光频率为fLO，激光脉冲发射频率为f0＝fLO+foffset，信号回波频率为fSig＝f0+Δf，光混频后得到差频为|fLO±fsig|。
此外，风速检测单元22采用VAD扫描矢量检测方法，其公式如下：
Figure BDA0002325792590000091
除此之外，数据处理单元32采用多节点融合方式，其方法步骤如下：
S3.1、每个节点采集一组数据分别为Y(1)，Y(2)……，随机平分为两组，
Figure BDA0002325792590000101
为同一批的两组测量数据的各自平均算术加权值，计算各自组相应的误差标准；
S3.2、对每一个节点采集的数据组进行分批估算加权得到该节点测量融合值和方差；
S3.3、对多节点采集的数据进行融合。
其中，误差标准的计算公式如下：
Figure BDA0002325792590000102
Figure BDA0002325792590000103
其中，方差的计算公式如下：
Figure BDA0002325792590000104
其中，融合值的计算公式如下：
Y-[σ+(σ_)]Y+[σ+H4Q-1]Y＝[σ+H4Q-1]Y……(3-4)；
其中，H是测量方程系数，其矩阵为：
Figure BDA0002325792590000105
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种能够进行远海自动化观测的气象探测系统，包括位于海洋内的浮标平台(1)、安装在浮标平台(1)顶部的激光检测平台(2)以及位于陆地上的数据处理基站(3)，其特征在于：所述浮标平台(1)包括电源供电单元(11)、数据采集单元(12)和通讯单元(13)，所述电源供电单元(11)用于对浮标平台(1)整体进行供电，所述数据采集单元(12)用于采集还上气象数据；所述通讯单元(13)用于将检测的信息传输至数据处理基站(3)内，所述激光检测平台(2)包括风量检测单元(21)和风速检测单元(22)，所述风量检测单元(21)用于对海洋上的风量进行检测，所述风速检测单元(22)用于对海洋上的风速进行检测；所述数据处理基站(3)包括数据接收单元(31)和数据处理单元(32)，所述数据接收单元(31)用于接收通讯单元(13)传输的数据，所述数据处理单元(32)用于对接收的气象数据进行处理和分析。
2.根据权利要求1所述的能够进行远海自动化观测的气象探测系统，其特征在于：所述数据采集单元(12)包括定位模块，所述定位模块的定位方法如下：
S1.1、单点动态定位：浮标平台(1)自动地测得动态的实时位置，通过实时位置获得的数据处理得到运动载体的具体运行的轨迹，其中式为：
ρj’＝[(Xj-Xu)2+(Yj-Yu)2+(Zj-Zu)2]1/2+d……(1-1)；
S1.2、对(1-1)式中Xu，Yu，Zu分别微分处理，得出一组线性方程，其计算公式如下：
X＝A-1B……(1-2)；
其中，矩阵为：
Figure FDA0002325792580000021
3.根据权利要求1所述的能够进行远海自动化观测的气象探测系统，其特征在于：所述数据采集单元(12)包括数据采集浮体模块。
4.根据权利要求1所述的能够进行远海自动化观测的气象探测系统，其特征在于：所述数据采集单元(12)包括数据采集传感器模块。
5.根据权利要求1所述的能够进行远海自动化观测的气象探测系统，其特征在于：所述通讯单元(13)采用ZigBee网络进行数据传输，其数据传输方法如下：
S2.1、网关节点ZigBee芯片和TCP/IP接入网模块，负责ZigBee网络和TCP/IP网络的双向数据交互通信；
S2.2、ZigBee网络采集的数据由网关节点进行ZigBee协议数据解包；
S2.3、封装成TCP/IP数据包发送数据处理基站(3)。
6.根据权利要求1所述的能够进行远海自动化观测的气象探测系统，其特征在于：所述风量检测单元(21)采用相干探测法，其公式如下：
fbeat＝|fLO-fSig|＝Δf+foffset……(2-1)；
其中，振光频率为fLO，激光脉冲发射频率为f0＝fLO+foffset，信号回波频率为fSig＝f0+Δf，光混频后得到差频为|fLO±fSig|。
7.根据权利要求1所述的能够进行远海自动化观测的气象探测系统，其特征在于：所述风速检测单元(22)采用VAD扫描矢量检测方法，其公式如下：
Figure FDA0002325792580000031
8.根据权利要求7所述的能够进行远海自动化观测的气象探测系统，其特征在于：所述数据处理单元(32)采用多节点融合方式，其方法步骤如下：
S3.1、每个节点采集一组数据分别为Y(1)，Y(2)……，随机平分为两组，
Figure FDA0002325792580000032
为同一批的两组测量数据的各自平均算术加权值，计算各自组相应的误差标准；
S3.2、对每一个节点采集的数据组进行分批估算加权得到该节点测量融合值和方差；
S3.3、对多节点采集的数据进行融合。
9.根据权利要求8所述的能够进行远海自动化观测的气象探测系统，其特征在于：所述误差标准的计算公式如下：
Figure FDA0002325792580000033
Figure FDA0002325792580000034
10.根据权利要求9所述的能够进行远海自动化观测的气象探测系统，其特征在于：所述方差的计算公式如下：
Figure FDA0002325792580000035
融合值的计算公式如下：
Y-[σ+(σ-)]Y+[σ+HTQ-1]Y＝[σ+HTQ-1]Y……(3-4)；
其中，H是测量方程系数，其矩阵为：
Figure FDA0002325792580000036
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