CN111655573B - 用操作时段指示符作波浪感测和船舶运动预报的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本文描述的系统和方法能够准确预报船舶运动以及将这种预报有用地显示给用户。一般来说，该船舶运动预报系统和方法以操作时段指示符的形式向用户提供船舶运动预报的图形指示。这些操作时段指示符被产生为，以第一方式指示在超过时间阈值的时间段内低于至少一个运动阈值的船舶运动预报，并且以不同于第一方式的第二方式指示在超过时间阈值的时间段内不低于至少一个运动阈值的船舶运动预报。这可以促进用户快速确定操作状态，并因此允许用户快速查明何时可能出现可以安全地执行某些船舶操作的条件。

Description

用操作时段指示符作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2017年11月27日提交的美国专利申请15/822,819的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明一般涉及波浪感测，并且更具体地，涉及雷达波浪感测、利用所得到的确定的波场来预报船舶运动以及向用户显示这些预报以用于操作决策。

背景技术

许多基于海洋的发展需要关于海的状态、波浪的定时及其影响的详细信息并且可以从该信息受益。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。另一个示例是将一艘小船下水并回收，其中可以使用关于到来的波浪以及所导致的船舶运动的详细定时信息来降低风险并提高可操作性。为了克服这些挑战，需要感测船舶附近的波浪并生成船舶运动预报结果，然后使用这些运动预报来提供详细的定时信息，以供用户做出操作决策。

附图说明

图1A和1B示出根据本发明的各个实施例的船舶运动预报系统的示意图；

图2A和2B是根据本发明的各个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是根据本发明的各个实施例的示例性船舶运动预报方法的流程图；

图4A和4B是根据本发明的各个实施例的船舶运动预报的示例性图形表示的示意图；

图5A、5B、5C、5D和5E是根据本发明的各个实施例的船舶运动预报的示例性图形表示的示意图；

图6A、6B、6C、6D、6E、6F和6G是根据本发明的各个实施例的船舶运动预报的示例性图形表示的示意图；

图7是根据本发明的各个实施例的示例性船舶运动预报方法的流程图；

图8A和8B是根据本发明的各个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9A和9B是根据本发明的各个实施例的具有船舶运动预报系统的示例性船舶的示意图；以及

图10是根据本发明的各个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了用于提供和显示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使得能够准确、近实时地预报海洋波浪和所导致的船体运动，并且可以向用户有用地显示这种预报。这样的系统和方法可以用于提高各种船舶操作的效率和安全性。

一般来说，本文描述的系统和方法通过产生可以向用户显示的船舶运动预报的图形指示，向船员和船舶运动预报系统的其他用户提供关于船舶运动预报的有用信息。例如，该系统和方法可以被实施为经过多个预报周期产生船舶运动预报，并基于这些船舶运动预报和多个阈值来显示操作时段指示符。

这样的实施方式允许用户以可以向用户提供独特且有用的信息的方式查看船舶运动预报。具体地，这样的实施方式允许用户快速确定船舶运动何时可能至少在选定的时间段内低于选定的阈值。因此，训练有素的用户可以快速查明何时的状况可能使得能够安全地执行某些船舶操作。例如，训练有素的用户可以快速确定何时船舶运动将使得能够执行通常花费45秒的货物操作。因此，这些指示可以允许用户基于这些预报做出更明智的操作决策。

通常，该系统和方法发射雷达信号，该雷达信号从水体表面反射。接收反射的雷达信号，并从接收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，这些海洋波浪分量表示大量单个波浪的振幅和相位，它们可共同描述海洋表面。然后，使用这些海洋波浪分量来估计未来水体对船舶的作用力。然后，使用未来作用力的估计值来产生有关船舶航向和速度的船舶运动预报。然后，可以将这些预报以操作时段指示符的形式呈现给一个或多个用户。例如，可以基于多个阈值来产生操作时段指示符。具体地，可以产生船舶运动预报的图形指示符，使得在超过时间阈值的时间段内低于运动阈值的船舶运动预报以第一方式用图形指示，而在超过时间阈值的时间段内不低于运动阈值的船舶运动预报以不同于第一方式的第二方式用图形指示。这样的图形指示可以显示给船舶操作员，并由这些操作员用来确定何时可以安全地执行操作。因此，本文描述的系统和方法可以有助于提高复杂的船舶操作中的安全性。

例如，该图形指示可以显示给船舶操作员，以指示何时可以安全地执行船舶货物操作，例如船舶对船舶的货物转移。可以为其产生指示符的船舶操作的其它示例包括资产的下水和回收、人员转移、建造和组装操作等。此外，这样的指示符可用于在可见度较低的情况下促进海况评估，提供稳定性监控，并促进自主的船舶操作，向现役系统(例如动态定位系统、主动运动补偿系统等)提供前馈数据，以及记录数据以进行事件调查和最佳实践检查。

现在转到图1A，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包括波浪分量发生器102、船舶运动预报器104和用户接口106。通常，船舶运动预报系统100从雷达108接收雷达数据并且从船舶运动传感器110接收船舶运动数据。

船舶运动传感器110提供一艘或多艘相关船舶的船舶运动的测量数据。例如，船舶运动传感器110可以提供船舶可以运动的六个自由度(俯仰、垂荡、侧倾、横摆、纵荡和横荡)中的一个或多个的船舶运动测量。船舶运动预报系统100可以使用这样的运动测量来提供船舶的初始运动状态或状态历史，从中可以确定未来波浪的影响。另外，在一些实施例中，船舶运动传感器110或其它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)和/或定向设备(例如，惯性测量单元(IMU))可以将船舶方向和跟踪信息提供给船舶运动预报系统100。

雷达108将雷达数据提供给船舶运动预报系统100。船舶运动预报系统100使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。具体地，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。船舶运动预报器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，因此可以包括一部分水面上的离散的波浪频率和方向的波浪高度(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共同用于表征当前和近期的周围水面波场。因此，这些海洋波浪分量可以提供水面波浪的相位解析的海面高度表示，其可用于生成实时船舶运动预报。可以将这样的相位解析的海表高度与预报的波浪的时间地理(即，时空)位置信息以及谱(即，方向、时段和能量)信息相结合，以产生船舶运动预报。

由船舶运动预报系统100产生的船舶运动预报预测船舶在确定的时间段内的至少一个自由度(俯仰、垂荡、侧倾、横摆、纵荡和横荡)未来运动。这些船只运动预报可以被生成为从当前时间延伸到未来时间的离散的时域信号。作为一个具体示例，船舶运动预报系统100可以被实施为在每个新的预报预测并提供时域信号，用于预报未来30～180秒的垂荡。另外，船舶运动预报系统100可以被实施为重复产生这些船舶运动预报。

例如，船舶运动预报系统100可以被配置为在每个新的处理周期产生新的船舶运动预报，在每个新的处理周期中可以从雷达108和船舶运动传感器110获得新的数据。在这样的实施例中，通常每1～3秒产生新的船舶运动预报，在每个新的预报提供接下来的30～180秒内的船舶运动的新预测。这些新的预报可以单独地或者与过去的预报和其它数据结合显示或以其它方式输出。

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。在其它实施例中，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，绳索和护舷板)或流体动力而耦合在一起的两艘或更多艘船舶的未来船舶运动。此外，船舶运动预报系统100可被实施为预测固定船舶、运动船舶或两者的组合的船舶运动。此外，应当注意，船舶运动预报系统100可以被实施为预测任何类型的船舶的运动，包括但不限于大型运输船、滚装滚降船、油轮、钻井船或平台、建筑船或平台、补给船、生产船或平台等。

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)数值模型以及直接浮标观察相结合，以提供更长时间段的船舶操作计划指南。例如，这样的系统可以被实施为提供未来数小时和数天的操作计划，从而可以为船员提供高级计划。

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，并将这些指示显示在显示器112上。同样，根据本文所述的实施例，在显示器112上产生的这些指示可以采用基于多个阈值的操作时段指示符的形式。具体地，可以产生船舶运动预报的图形指示符，使得在超过时间阈值的时间段内低于至少一个运动阈值的船舶运动预报以第一方式来指示，而在超过时间阈值的时间段内不低于所述至少一个运动阈值的船舶运动预报以不同于第一方式的第二方式用图形来指示。同样，用于产生操作时段指示符的船舶运动预报可以包括六个自由度(俯仰、垂荡、侧倾、横摆、纵荡和横荡)中的一个或多个的船舶运动预报。最后，应当注意，可以将其它类型的船舶运动预报的指示输出到显示器112并提供给用户。

现在转到图1B，示出了显示器112的示意图。显示器112正在显示由船舶运动预报系统100产生的窗口部分114。根据本文所述的实施例，窗口部分114包括基于多个阈值产生的操作时段指示符。具体地，窗口部分114包括第一操作时段指示符120和第二操作时段指示符122。第一操作时段指示符120标识第一时间段，对于第一时间段，船舶运动预报是在超过时间阈值的时间段内低于一个或多个运动阈值。相反，第二操作时段指示符122标识第二时间段，对于第二时间段，船舶运动预报是在超过时间阈值的时间段内不低于所述运动阈值。值得注意的是，第一操作时段指示符120以与第二操作时段指示符122显示第二时间段不同的方式显示第一时间段。因此，通过快速的扫视，用户就可以快速地确定从当前时间(标记为0)到设置的未来时间(标记为T)的操作状态。因此，用户可以快速确定近期是否预计会出现适合船舶操作的时间段。

如上所述，第一操作时段指示符120指示第一时间段，对于第一时间段，船舶运动预报是在超过时间阈值的时间段内低于运动阈值。因此，第一操作时段指示符120标识至少在某个最小时间段(由时间阈值限定)内船舶运动可能低于指定量(由一个或多个运动阈值限定)的时间段。因此，第一操作时段指示符120可以标识预测可以安全地执行某些船舶操作的当前或未来时间段。相反，第二操作时段指示符122指示第二时间段，对于第二时间段，船舶运动预报是在超过时间阈值的时间段内不低于运动阈值。因此，第二操作时段指示符122指示在该时间段期间存在至少一个运动预报，该运动预报高于相应的运动阈值，使得没有足够的时间来安全地执行该操作。

如上所述，在一些实施例中，在产生第一操作时段指示符120中可以使用多个运动阈值。在这样的实施例中，船舶运动预报系统可以产生多个自由度(例如，俯仰、垂荡、侧倾、横摆、纵荡和横荡)的运动预报，并且可以将每个不同自由度的运动预报与相应的运动阈值进行比较。例如，船舶运动预报系统可以产生针对俯仰和垂荡的预报，并且可以将针对俯仰的预报与俯仰运动阈值进行比较，并且可以将针对垂荡的预报与垂荡运动阈值进行比较。因此，在该实施例中，仅当在超过时间阈值的重叠时间段内针对两个自由度的预报都低于对于其各自的阈值时才产生第一操作时段指示符120。下面将参考图5E讨论这样的实施例的详细示例。

此外，在一些实施例中，可以在产生第一操作时段指示符120中使用其它因素。例如，在一些实施例中，在确定何时可以安全开始船舶操作时，除了船舶运动预报之外，还可能需要使用波高预报。在这样的实施例中，可以将用于产生船舶运动预报的波浪高度预报与相应的波浪高度阈值进行比较。因此，只有当在超过时间阈值的时间段内船舶运动预报和波浪高度预报都低于各自的阈值时，才产生第一操作时段指示符120。因此，另外响应于波浪高度预报低于波浪高度阈值，产生第一操作时段指示符120。

应当注意，窗口部分114通常可以包括附加的时段指示符，其中在当前时间显示的时段指示符的数量由当前运动预报和为之产生和显示这种预报的未来时间确定。

例如，在一些实施例中，在窗口部分114中可以包括第三操作时段指示符，以指示当前时间段最初较长并且超过时间阈值，但是随着时间的继续，该时间段的剩余部分现在低于时间阈值的情况。下面将参考图4B更详细地讨论这样的示例。

在其它实施例中，在不超过时间阈值的时间段内低于运动阈值的操作时间段，与在足够的时间内低于运动阈值的时间段相比较，可以用不同的方式来指示。例如，可以使用不同形状或颜色来区分这些时间段。

在一些实施例中，在产生第一操作时段指示符120时可以使用置信裕度。如将在下面描述的，可以使用各种统计技术来产生船舶运动预报。这些技术的结果是，船舶运动预报可以根据各种因素具有不同的确定性级别。为了补偿这种不确定性，可以船舶运动预报增加置信裕度，并将所得的调整后的船舶运动预报用于产生操作时段指示符120。在一些实施例中，可以计算这些置信裕度以实现期望的确定性等级。例如，在一种实施方式中，可以计算置信裕度以实现即一个西格玛(68.3％)、两个西格玛(95.4％)或三个西格玛(99.7％)的确定性等级。在每种情况下，可以从预报的运动与体验的运动之间的偏差得到实现这种确定性等级所需的置信裕度。此外，在一些实施例中，置信裕度不是固定变量，而是可以是基于几个输入的计算出的区间。

在一种示例性实施方式中，船舶运动预报系统100使用的置信裕度可以是用户可选的。例如，在一种实施方式中，可以允许用户选择置信裕度以实现期望的确定性等级。

如上所述，产生窗口部分114，使得以与第二操作时段指示符122不同的方式显示第一操作时段指示符120。因此，当它们显示在窗口部分114中时，用户可以在视觉上区分这些时间段。作为一个示例，第一操作时段指示符120可以具有与第二操作时段指示符122不同的颜色。作为其它示例，第一操作时段指示符120可以具有与第二操作时段指示符120不同的强度、亮度和/或照度。作为其它示例，第一操作时段指示符120可以具有与第二操作时段指示符122不同的阴影或剖面线。

除了产生具有操作时段指示符120和122的显示输出和窗口部分114之外，可能期望响应于船舶运动预报而产生其它通知。例如，在一些实施例中，可能期望提供视觉或音频指示，以指示何时可以执行某些船舶操作以及何时应当停止这样的操作。作为一个特定示例，可以响应于船舶运动预报是低于运动阈值并且是针对各种时间阈值来选择性地激活船甲板上的彩色灯。同样，当安全操作时间段要结束时，可以产生音频警报。同样，这些仅是船舶运动预报系统100可以产生的其它通知类型的示例。

现在转到图2A，示出了示例性船舶200的侧视图，其中至少一台雷达201被配置为向水面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被水面204反射，并且反射的雷达信号202在船舶200处被接收，它们被用来确定对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，从而导致对水面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，并示出了水面的方位角扫描的示例性部分205。图2B示出如何将雷达201扫描的水面部分205视为包括多个方位角扇区206，在图2B中示出了其中的三个。此外，这些方位角扇区206中的每一个都由多个区域块208组成，在图2B中示出了其中的三个。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。应当注意，图2B中示出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，并且扫描的水面可以分为更多的方位角扇区206，每个扇区206都包含大量的块208。例如，对于具有约5000米的距离和约7.5米的距离分辨率的雷达，部分205可以包括多个方位角扇区，每个扇区具有2.5度的弧长，每个扇区具有约700个块。同样，在该实施例中，每个块具有大约该位置处的弧的宽度乘以距离分辨率(例如，7.5m)的面积。在雷达提供完整的360度扫描的情况下，这样的实施例可以提供总共约144个方位角扇区206和约100,000个块208。如下文将更详细描述的，该船舶运动预报系统可以被配置为由水面部分205反射雷达信号，并使用多个方位角扇区206中的多个块208中的适用部分来产生海洋波浪分量。

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的示例性类型。通常，方法300使用雷达来测量到来的波浪，并提供将由这些波浪导致的船舶运动的预报。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，可以根据雷达扫描区间、更新频率和处理器时延，每1～3秒产生新的对水面的雷达扫描以及所得到的船舶运动预报。

第一步骤302是使用雷达产生雷达数据。如上所述，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方位角扇区的一部分。为了产生该雷达数据，使用一台或多台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，反射的雷达信号被用于产生雷达数据。

另外，在该船舶运动预报系统中可以使用各种不同类型的雷达。例如，可以用X波段多普勒雷达来实施所述雷达。例如，天线安装在水面以上30米处的2千瓦相干X波段雷达可以提供达到5公里的精确多普勒(即频移)感测，从而能够实现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约2.5度的方位角分辨率和约7.5米的距离分辨率，以及小于3秒的方位角扫描区间。这可导致每秒处理30～1000平方米大小的约30,000个扫描块。作为一个特定示例，可以用船用X波段(9.4GHz)多普勒雷达实施所述雷达。这种雷达可以被实施为在船只周围数千米的范围内通过布拉格背散射来测量海洋表面轨道径向速度。当然，这些只是一些示例，并且其它实施方式也是可能的。

同样，雷达信号被水面反射并在雷达处被接收，反射的雷达信号用于产生雷达数据。下一步骤304是从接收到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，并且因此可以包括在一部分水面上的离散波浪频率和方向的波浪高度(例如，幅度)和波浪定时(例如，相位)的数值表示。可以每秒从数万个块的雷达数据产生这些海洋波浪分量，同样地，每个块是表面的一部分，其在任何特定时间由于包括该表面的大量波浪而可能正在移动。通常，步骤304确定海洋波浪分量，该海洋波浪分量与雷达数据最一致，并因此描述水面的总波场。

在典型的实施方式中，针对每个新的波浪预报产生新的海洋波浪分量，其中每个新的波浪预报对应于在一个处理周期期间，通常为一秒或两秒，进行的新的雷达扫描。

因为典型的波场在秒的时间尺度上没有快速改变，所以可以将新生成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分量解。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，并且针对同一波浪分量在多个处理周期上求平均值可以改善所述解。

在典型的实施例中，仅使用包含可能影响船舶运动的波浪的水面块来产生这些海洋波浪分量。可以基于已知或估计的有向波谱以及当前的船速和航向来确定可能的影响。此外，可以在产生海洋波浪分量之前进行该初始确定，并且因此该初始确定可用于减少需要产生的分量的数量，从而减少所需的计算资源量。如将在下面参考图7更详细地描述的，这样的处理可以通过首先产生矩(moment)数据，然后对矩数据进行滤波来确定水面的哪些部分包含可能产生明显的船舶运动的波浪。

下一步骤306是从海洋波浪分量生成船舶运动预报。这些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、侧倾、横摆、纵荡和横荡)中的一个或多个的船舶运动预报。在一些实施例中，可以将船舶运动预报产生为各种船舶航向和速度的预期船舶运动的统计表示。在其它实施例中，船舶运动预报可以提供船舶运动的精确的时间特定的预报。

通常，可以通过确定将影响船舶的各种波浪分量中的每一个将施加到船舶的力并将这些结果组合来产生这些船舶运动预报。同样，在典型的实施例中，将在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，可以使用船舶运动的降阶模型(reduced-order model,ROM)来确定船舶运动。例如，可以使用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(Cummins)方程方法一起使用，以提供用于生成未来船舶运动预测所需的计算速度。在康明斯方程中，一艘或多艘(N)船舶的运动被表示为由6×N个方程表示的6×N个自由度系统。该公式将状态用作时域解中的初始条件，并且将状态历史用于与预先计算的脉冲响应函数的卷积。这种模型的例子可以参见Benjamin S.H.Connell等人的“Development ofan Environmental and Ship Motion Forecasting System”，ASME 201534thInternational Conference on the Ocean,Offshore and Artic Engineering。

这样的模型可以用于计算特定船舶或特定多船布置的船舶运动。可以从船舶几何形状和输入质量规格的说明预先计算出必要的附加惯性和静压恢复项。可以通过速度、波浪频率和方向的离散范围，预先计算出脉冲响应函数和力响应幅度算子函数，从而产生数据库，该数据库表征在所有相关操作条件下作用于船舶的水动力。这些作用力函数的特定值是根据该数据库通过插值获得的。该方法使用线性海域理论的假设，其中水动力可以分解为入射波、衍射力和辐射力。预先计算的波浪-作用力数据库允许将离散的波浪分量映射到船舶系统的模态作用力。因此，可以针对推荐的模型计算不同航向和速度的合成船舶运动。然后，可以在预报系统工作期间使用此查找数据库来提供由预报会影响船舶的海洋波浪导致的船舶运动。

在工作期间，所产生的海洋波浪分量然后可以用作对查找数据库的实时输入，其中该查找数据库提供必要的项以计算所得的船舶运动预报。作为一个示例，该查找数据库可以提供用于描述一艘或多艘船舶的运动的康明斯方程的系数，该运动是船舶预报系统的特定实施中正被预报的运动。因此，具有预先计算值的该查找数据库可用于快速确定船舶运动预报。这可以针对每次雷达扫描和每个周期的波浪分量计算促进若干分钟的船舶运动预报的实时确定。

下一步骤308产生具有操作时段指示符的船舶运动预报的图形指示。通常，所产生的具有操作时段指示符的图形指示可以被输出到显示器(例如，显示器112)。此外，具有操作时段指示符的图形指示可以与显示器上的船舶运动预报的任何其它类型的图形或其它表示组合。

同样，船舶运动预报的这些图形指示可以包括由六个自由度(俯仰、垂荡、侧倾、横摆、纵荡和横荡)中的一个或多个的船舶运动预报产生的指示。

现在转到图4A，示出了示例性显示屏窗口400的示意图。显示屏窗口400是可以在方法300的步骤308中产生的图形指示类型的示例。

显示屏窗口400包括基于多个阈值产生的操作时段指示符。具体地，显示屏窗口400包括第一操作时段指示符402和第二操作时段指示符404。

第一操作时段指示符402指示第一时间段，对于第一时间段，在超过时间阈值的时间段内船舶运动预报低于至少运动阈值。因此，第一操作时段指示符402标识以下时间段：在该时间段中，至少一个自由度的船舶运动被预报为至少在由该时间阈值指定的最小时间段内低于至少由运动阈值指定的量。在该示出的示例中，时间阈值被设定为小于61秒的值。另外，在该示出的示例中，由第一操作时段指示符402指示的时间段从未来约17秒延伸到约78秒。因此，第一操作时段指示符402将该未来时间段标识为被预报为可以执行某些船舶操作的时间段。相反，第二操作时段指示符404指示第二时间段，对于第二时间段，在超过时间阈值的时间段内至少一个自由度的船舶运动预报不低于相应的运动阈值。因此，第二操作时段指示符404指示在该时间段期间存在至少一个高于相应的运动阈值的运动预报，从而预测为没有足够的时间来安全地执行该操作。在该示出的示例中，由第二操作时段指示符404指示的时间段从0(当前时间)延伸到未来约17秒，并且从约78秒延伸到150秒。

值得注意的是，第一操作时段指示符402以与第二操作时段指示符404显示第二时间段不同的方式显示第一时间段。在该图中，以不同的交叉阴影线示出了不同的方式，并且这些交叉阴影线旨在代表区分时段的任何合适方法(例如，颜色、亮度、照度等)。因此，通过快速扫视，用户就可以快速确定从当前时间(即0秒)到未来时间(即150秒)的状态，并且可以快速确定近期是否可能出现适合船舶操作的时间段。

作为特定示例，第一操作时间段指示符402可以呈绿色，而第二操作时间段404可以呈红色。这样的显色方案可以自然地向用户指示何时应该执行操作以及何时不应该执行这样的操作。

在所示示例中，第一操作时段指示符402和第二操作时段指示符404被实施为矩形条，其等级轴线对应于由指示符表示的未来时间段。但是，这仅是一个示例，并且可以使用其它形状和取向。

在典型的实施例中，在每个周期，例如针对每个处理周期，产生新的运动预报。因此，针对每个周期产生新的船舶运动预报，然后可以使用新的预报来更新显示屏窗口400。因此，如果新的预报导致船舶运动预报的量增加或减少，则可以相应地更新第一操作时段指示符402和第二操作时段指示符404。

在更新第一操作时段指示符402和第二操作时段指示符404时，这些新的预报可以与先前的预报平均或以其它方式组合。可替代地，新的预报可以简单地替换较旧的预报，并且第一操作时段指示符402和第二操作时段指示符404被相应地重新产生和替换。

在典型操作期间，检测到的波浪分量随着时间推移而移动，并且时段指示符402和404看起来在显示屏窗口400上移动。

具体地，随着时间的推移，波浪继续传播，并且对未来船舶运动的预报实际上在时间上越来越接近。因此，预测在未来某个时间会影响船舶并引起运动的波浪事件将随着时间的推移而在空间和时间上越来越接近。因此，随着时间推移，时段指示符402和404通常看起来在显示屏窗口400上移动。

现在转到图4B，示出了显示屏窗口400的四个示例性实例。具体地，显示屏窗口400的这四个示例性实例代表随着时间推移在时段指示符中发生的示例性变化。

在第一示例中，第一操作时段指示符402从未来约87秒延伸到约145秒，剩余时间部分是第二操作时段404。第二示例示出了在时间上晚约40秒，因此，在第二示例中，第一操作时段指示符402从未来约45秒延伸到约105秒。第三示例示出了在时间上比第二示例晚约47秒，因此，在第三示例中，第一操作时段指示符402从当前时间(0秒)延伸到未来约58秒。

在前三个示例中可以看出，随着时间推移，时段指示符402和404自然地在显示屏窗口400上移动。但是，应注意，这仅是示例，并且在其它使用情况下，这种推移不总是发生。例如，在某些情况下，未来运动预报中的变化可能中断显示屏窗口400上的该推进。特别地，如果现在新的预报预测，在第一操作时段指示符402先前指示的时间内，未来运动将高于阈值，则在显示屏窗口400上的推移可能中断。

转到图4的第四示例，其示出了特定情况，其中当前时间段最初超过时间阈值，但是随着时间推移，该时间段的剩余部分现在低于时间阈值。在一些实施例中，可以在显示屏窗口400中不同地指示这样的剩余时间段。

具体地，在图4B的所示实施例中，当前时间段最初较长并且超过时间阈值，因此如前三个示例中所示，其先前用第一操作时段指示符402来指示。但是随着时间推移，该时间段的剩余部分现在低于时间阈值，并且在该示出的实施例中，现在用第三操作时段指示符406指示该当前时间段。

在这种情况下，与第三示例相比，第四示例在时间上晚约14秒，因此，在第四示例中，第三操作时段指示符406从当前时间(0秒)延伸到未来约33秒。因此，第三操作时段指示符406指示最初由第一操作时段指示符402指示，但是由于该时间段的一部分已经过去而现在较短的时间。在该实施例中，显示屏窗口400被实施为使用第三操作时段指示符406来指示现在长度低于时间阈值的这种部分时间段。可以用不同于用于显示其它指示符的第一方式和第二方式的第三方式来显示该第三操作时段指示符406。作为特定示例，在第一操作时间段指示符402呈绿色并且第二操作时间段指示符404呈红色的情况下，第三操作时间段指示符可以呈黄色。这样的显色方案因此可以使用黄色来向用户指示应该完成已经开始的操作，但是不应该开始新的操作。

现在转到图5A，示出了显示屏窗口500的另一示例。在该示例中，显示屏窗口500包括时域表示502和操作指示符表示504。时域表示502和操作指示符表示504是可以由船舶运动预报系统100或方法300的步骤308产生的图形指示类型的示例。与之前的示例一样，操作指示符表示504至少包括第一操作时段指示符510和第二操作时段指示符512。

第一时域表示502示出了一个自由度(例如，在六个自由度中选择的一个)的船舶运动预报。在该示例中，第一时域表示502示出了接下来150秒(即，从时间0到时间150)的所产生的船舶运动预报506。第一时域表示还示出了运动阈值508。运动阈值508是可用于确定是否可以安全地执行货物或其它操作的阈值类型的示例。具体地，运动阈值508是可用于识别至少一个自由度的船舶运动被预报为至少在由时间阈值指定的最小时间段内低于指定量的时间段。

因此，运动阈值508可以用于确定操作时段指示符510和512。具体地，第一操作时段指示符510指示第一时间段，对于第一时间段，船舶运动预报是在超过时间阈值的时间段内低于运动阈值508。在该示出的示例中，由第一操作时段指示符510指示的时间段从未来约8秒延伸到约68秒。因此，第一操作时段指示符510将该未来时间段标识为被预报为可以执行某些船舶操作的时间段。

相反，第二操作时段指示符512指示第二时间段，对于该第二时间段，至少一个自由度的船舶运动预报是在超过时间阈值的时间段内不低于相应的运动阈值。在该示出的示例中，高于运动阈值的运动预报发生在约68秒、约80秒、约95秒、约128秒和约140秒。应当注意，虽然在约95秒和约128秒超过运动阈值508的运动预报之间存在相对长的时间段，但是该时间段仍低于时间阈值，因此整个时间段被第二操作时段指示符512指示为不适于运动敏感的操作。

现在转到图5B，示出了显示屏窗口500的另一示例。在该示例中，运动阈值508被设定为高于图5的运动阈值。运动阈值508确定哪些时间段被认为适于操作，并且因此改变运动阈值508可以改变哪些未来时间将被如此指示。在该示例中，运动阈值508较高，并且现在有两个第一操作时段指示符510。每个第一操作时段指示符510指示一时间段，对于该时间段，船舶运动预报是在超过时间阈值的时间段内低于运动阈值508，并且这些预报适于某些船舶操作。在该示出的示例中，由第一操作时段指示符510指示的时间段从未来约8秒延伸到约68秒，并且再次从未来约84秒延伸到约140秒。

现在转到图5C，示出了显示屏窗口500的另一示例。在该示例中，在产生第一操作时段指示符510时使用置信裕度。如上所述，用于产生船舶运动预报的统计技术可以导致预报中各种等级的不确定性。为了补偿这种不确定性，可以在船舶运动预报增加置信裕度。在该示出的示例中，通过在原始船舶运动预报506增加置信裕度来产生调整后的船舶运动预报520。如图5C中可见到的，当船舶运动预报520高于运动阈值508时，所增加的不确定性裕度可以改变。

在一些实施例中，置信裕度可以是用户可选择的。例如，船舶运动预报系统的用户可以选择期望的确定性等级，并因此选择船舶运动预报506增加的置信裕度。在图5C中，所选择的置信裕度可以对应于一个西格玛(68.3％)的确定性等级。转到图5D，示出了第二示例，其中在船舶运动预报506增加了较高的置信裕度。在这种情况下，所选择的置信裕度可以对应于两个西格玛(95.4％)的确定性等级。因此，调整后的船舶运动预报520显著高于图5C的示例，并且导致没有时间段在超过时间阈值的时间段内船舶运动预报是低于运动阈值508。因此，操作指示符表示504仅包括第二操作时段指示符512。

现在转到图5E，示出了显示屏窗口550的另一示例。在该示例中，在产生第一操作时段指示符时使用多个运动阈值。在这样的实施例中，船舶运动预报系统产生多个自由度(例如，俯仰、垂荡、侧倾、横摆、纵荡和横荡中的两个或更多个)的运动预报，并且比较不同自由度中每个自由度的运动预报与相应的运动阈值。

图5E中所示的显示屏窗口550包括第一时域表示552、第二时域表示554和操作指示符表示556。与前面的示例一样，操作指示符表示556至少包括第一操作时段指示符560和第二操作时段指示符562。

第一时域表示552示出了针对第一自由度的第一船舶运动预报564和第一运动阈值568。第二时域表示544示出了针对第二自由度的船舶运动预报566和第二运动阈值570。在该示例中，船舶运动预报564和566以及运动阈值568和570都被用于确定操作时段指示符560和562。具体地，第一操作时段指示符560指示这样的时间段，对于该时间段，第一船舶运动预报564低于第一运动阈值568并且第二船舶运动预报566低于第二运动阈值570，重叠时间段超过时间阈值。应当注意，阈值568和570可以彼此独立地设置。此外，不同的置信裕度可用于不同的预报564和566。

在该示出的示例中，由第一操作时段指示符560指示的时间段从约15秒延伸到约68秒。相反，第二操作时段指示符562指示第二时间段，对于该第二时间段，船舶运动预报564和566中的任何一个都不在超过时间阈值的时间段内低于相应的运动阈值。

现在转到图6A～6C，示出了另一示例性显示屏窗口600的示意图。在该示出的示例中，显示屏600除了操作时段指示符602之外还包括信号灯表示604。

通常，信号灯表示604基于船舶运动预报来提供当前操作状态的指示。作为一个特定示例，信号灯表示604使用信号灯的颜色来指示何时可以执行货物和其它船舶操作。

在该示出的实施例中，在当前时间段船舶运动预报在超过时间阈值的时间段内不低于至少一个运动阈值的情况下，激活第三状态指示符610。这在图6A中示出。同样地，在当前时间段船舶运动预报在超过时间阈值的时间段内低于运动阈值的情况下，激活第一状态指示符606。这在图6B中示出。最后，在当前时间段最初超过时间阈值但当前时间段的当前剩余部分现在低于时间阈值时，激活第二状态指示符608。这在图6C中示出。

在典型的实施例中，状态指示符606、608和610中的每一个将被实施为以不同的方式表示其相关联的状态。作为示例，可以用不同的颜色、强度和/或纹理来实施状态指示符606、608和610。作为一个特定示例，可以用绿色、黄色和红色模仿实际信号灯来实施状态指示符606、608和610。因此，在当前时间段是船舶运动预报在超过时间阈值的时间段内低于运动阈值达的时间段时，激活绿色的第一状态指示符606。因此，绿色表示继续进行货物或其它船舶操作是安全的。

同样地，在当前时间段是船舶运动预报在超过时间阈值的时间段内不低于运动阈值的时间段时，激活红色的第三状态指示符610。因此，红色表示进行货物或其它船舶操作是不安全的。

最后，在当前时间段是最初超过时间阈值，但随着时间推进，该时间段的剩余部分现在低于时间阈值时，激活黄色的第二状态指示符608。因此，黄色表示应该完成当前的操作，但是开始新操作可能是不安全的。

最后，应当注意，尽管在该示例中信号灯表示604包括三个状态指示符606、608和610，但是其它实施例可以包括更多或更少的状态指示符。

现在转到图6D～6F，示出了另一示例性显示屏窗口650的示意图。与前面的示例一样，除了操作时段指示符602之外，显示屏窗口650还包括信号灯表示604。但是，在该实施例中，显示屏窗口650增加了倒计时计时器。这些倒计时计时器指示当前时间段的剩余时间。

在图6D～6F的实施例中，信号灯表示604的状态指示符606、608和610增加了倒计时计时器。具体地，与当前操作状态相对应的状态指示符增加了倒计时计时器。

图6D示出了状态指示符610中的倒计时计时器。同样，在当前时间段船舶运动预报在超过时间阈值的时间段内不低于至少一个运动阈值的情况下激活状态指示符610。状态指示符610中的倒数计时器示出了当前时间段的剩余时间，在该示例中为87秒。因此，下一次更改操作状态之前剩余时间是87秒。在这种情况下，它是下一个操作时段开始之前的剩余时间，其中下一次船舶运动预报有望满足操作要求，也就是说，运动和/或波浪高度预报在超过时间阈值的时间段内都低于设定的操作极限。

接下来，图6E示出了状态指示符606中的倒数计时器。同样，在当前时间段是船舶运动预报在超过时间阈值的时间段内低于运动阈值的时间段时，激活状态指示符606。状态指示符606中的倒计时计时器示出当前时间段的剩余时间，在该示例中为51秒。因此，预测在51秒内，船舶运动预报有望低于所有设定的运动阈值，并且因此在下一次操作状态更改之前可以执行某些船舶操作。

接下来，图6F示出了状态指示符608中的倒数计时器。同样，在当前时间段最初超过时间阈值，但是当前时间段的当前剩余部分现在低于时间阈值时，激活状态指示符608。状态指示符608中的倒数计时器示出当前时间段的剩余时间，在该示例中为16秒。因此，在剩余的16秒钟内，船舶运动预报有望低于所有设定的运动阈值，并且可以执行某些船舶操作。

如上所述，在图6D～6F的实施例中，信号灯表示604的状态指示符606、608和610增加了倒计时计时器。然而，这仅是一个示例，并且在其它实施例中，可以在显示屏窗口650上的其它位置增加倒计时计时器。例如，相应的操作时段指示符602本身可以增加倒计时计时器。这种实施例的示例在图6G中示出。

在一个实施例中，该船舶运动预报系统可以使用多台雷达(例如，多台雷达108)来产生船舶运动预报。所述多台雷达中的每一台都包括其自己的雷达收发器，因此所述多台雷达中的每一台能够独立地发射和接收雷达信号。因此，所述多台雷达中的每一台可以独立地发射雷达信号，该雷达信号被水面反射，然后被接收，并且用于产生雷达数据。然后，来自所述多台雷达的雷达数据可以组合并用于通过海洋波浪分量产生器产生海洋波浪分量。然后，所产生的海洋波浪分量用于产生船舶运动预报。

多台雷达的使用可以以各种方式改进波浪和船舶运动的预报。例如，使用多台雷达可以通过输入更多的海洋表面观测来提高所产生的海洋波浪分量的准确度。多台雷达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过程中的误差，产生更准确的波场计算，从而实现更准确的船舶运动预报。使用多台雷达还可以增加水面的扫描面积，从而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，单台雷达不能被有效地定位以提供对船舶周围水面的完整360度扫描。然而，利用多台雷达，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度视野并达到最大范围的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，通过分别从来自每台雷达的雷达数据产生矩数据，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多台雷达的雷达数据。然后，可以使用该组合的矩数据来更准确地产生海洋波浪分量。在其它实施例中，通过分别从来自每台雷达的雷达数据产生海洋波浪分量，然后组合这些海洋波浪分量来组合来自多台雷达的雷达数据。

可以以各种方式实施在产生船舶运动预报中的多台雷达的使用。例如，可以将多台雷达一起安装在一艘船舶上，或者可以安装在多艘船舶上。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，而第二雷达被定位在该船舶上以具有靠近该船舶的后部区域的水体的视野。在这样的实施例中，第一雷达可以被定位在船舶的前部区域中，而第二雷达被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，而第二雷达被定位在该船舶上以具有靠近该船舶的左舷区域的水体的视野。在这样的实施例中，第一雷达可以被定位在船舶的右舷区域中，而第二雷达被定位在该船舶的左舷区域中。最后，应该注意，这些实施例都不限于仅使用两台雷达。因此也可以实施和使用三台或更多台雷达。

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，并且从这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7，示出了产生海洋波浪分量的示例性方法700。方法700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。

第一步骤702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702。因此，可以针对每台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(Q)分量。

如上所述，该雷达数据可包括来自一台或多台雷达的雷达数据。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，可以对来自所述一个或多台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 34thInternational Conference on the Ocean,Offshore and Artic Engineering。

下一步骤704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，同时去除其它矩数据。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。滤波矩数据以仅包括与船舶运动预报相关的矩数据，可以大大减少过程中后续步骤的计算强度。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，在具有一台或多台雷达的实施例中，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定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。可以逐个方位角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持，同时滤掉其它扇区的矩数据。在进行这些确定时，可以假设各种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秒和超过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。同样，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，在具有一台或多台雷达的实施例中，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一个或多台雷达接收的冗余雷达数据。具体而言，在该实施例中，滤波后的来自所述一个或多台雷达中的每一个的数据限于水体的某些块，使得仅从一台雷达接收每个块的剩余数据。在该实施例中，可以基于每台雷达的相对位置、从每台雷达收到的雷达信号的功率或来自每台雷达的雷达数据中的噪声来选择滤波后的雷达数据。

在其它实施例中，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704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706是从滤波后的矩数据产生海洋波浪分量。同样，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扫描(数十秒)的多个块来产生新的海洋波浪分量，通过滤波，这些块包含可能影响未来船舶运动的波浪特征信息。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升的确定性预报。

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。应该再次注意，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。可以在系统的设立中预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约1000个离散的海洋波浪分量。

随着海洋波浪分量的产生，它们可用于产生未来船舶运动预报。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，然后查找数据库提供从预先计算的值得到的船舶运动预报。因此，该系统可以便于针对每台雷达扫描和每个周期的波浪分量计算，实时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台雷达来产生船舶运动预报。所述多台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台雷达，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，而在其它实施例中，不同区域是部分重叠的。

现在转到图8A，示出了具有两台雷达801的示例性船舶800的侧视图，而图8B示出俯视图。在该实施例中，两台雷达801的天线安装在船舶800上相同的一般位置，但是它们被配置为扫描水面804的不同区域。具体而言，第一雷达被配置为发射雷达信号802，雷达信号802在远离船舶800相对远的区域处的水面804反射。这种配置可用于克服雷达的最小和最大距离限制。例如，对于单台雷达不能离船舶足够近(以检测近的波浪)和离船舶足够远(以检测远的波浪)提供扫描的实施方式，两台雷达801可以为其提供全覆盖。

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806。同样地，第二雷达被配置为发射雷达信号803，雷达信号803从离船舶800相对近的区域的水面804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810。反射的雷达信号802和803在船舶800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806和第二多个方位角扇区810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8A和8B未按比例绘制，并且在典型实施方式中，由雷达801扫描的水面804的面积比船舶800大得多。

同样，雷达信号802和803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802和803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802和803的雷达数据，以产生所有海洋波浪分量。在其它实施例中，可以通过分别从雷达信号产生海洋波浪分量，然后组合海洋波浪分量来组合来自雷达信号802和803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802和803，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，这仅是如何配置多台雷达并用于船舶运动预报的一个示例。现在转到图9A，示出了示例性船舶900的俯视图。该船舶包括用于船舶运动预报的第一雷达902和第二雷达904。至少第一雷达902的天线安装在船舶900的前部区域中，而至少第二雷达904的天线安装在船舶900的后部区域中。两台雷达902和904被配置成扫描水面的不同区域。具体而言，第一雷达902被配置为在船舶900的前部区域周围发射雷达信号，该雷达信号从区域910中的水面反射。因此，第一雷达902具有靠近船舶前部区域的水体的视野。第二雷达904被配置成在船舶900的后部区域周围发射雷达信号，该雷达信号从区域912中的水面反射。因此，第二雷达904具有靠近船舶后部区域的水体的视野。同样，这些区域910和912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。应该注意的是，区域910和912未按比例绘制，并且在典型的实施方式中，雷达将被配置为扫描比船舶700大得多的区域。

在该实施例中，两台雷达902和904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台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900的轴线存在显著的雷达阻挡结构(例如，主桥)的情况下。

图9A示出一起安装在船舶900上的多台雷达902和904，这也仅是实施船舶运动预报系统以使用多台雷达的一种方式。例如，在其它实施例中，多台雷达可以分布在多个不同的船舶上。现在转到图9B，示出了第一船舶950和第二船舶951的俯视图。第一船舶950和第二船舶951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950和第二船舶951可以改为处于不同的紧密接近配置。

第一船舶950包括第一雷达952，第二船舶951包括第二雷达954。具体而言，至少第一雷达952的天线安装在第一船舶950上，而至少第二雷达954的天线安装在第二船舶951上。两台雷达952和954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952被配置为在船舶950和船舶951的前部区域周围发射雷达信号，该雷达信号从区域960中的水面反射。第二雷达954被配置为在船舶950和船舶951的后部区域周围发射雷达信号，该雷达信号从区域964中的水面反射。同样，区域960和962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960和962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950和951大得多的区域。

应当注意，在该实施例中，可以在雷达952和954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950和951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9A和9B中由两台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。在其它实施例中，可以通过分别从雷达信号产生海洋波浪分量，然后组合海洋波浪分量来组合来自两台雷达的雷达数据。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10，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、状态和其它信息或信号。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它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，包括直接访问存储设备，如硬盘驱动器、闪存系统、固态驱动器和光盘驱动器。如图10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、硬盘驱动器、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广泛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。如在本文使用的，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它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对信号的其它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它控制设备的控制下执行各种功能。

Claims (21)

1.一种船舶运动预报系统，包括：

至少一台雷达；

至少一台显示器；

处理器；

存储器，其耦合到所述处理器；以及

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，以：

从所述至少一台雷达接收从水体反射的信号的雷达数据；

从所接收的雷达数据产生海洋波浪分量；

从所产生的海洋波浪分量产生船舶运动预报，并且在所述至少一台显示器上产生未来时间段内所述船舶运动预报的图形指示，

其中所述图形指示包括第一操作时段指示符，所述第一操作时段指示符用于在超过时间阈值的第一未来时间段内低于至少一个运动阈值的船舶运动预报，其中所述第一操作时段指示符沿轴线延伸以表示该第一未来时间段，在超过所述时间阈值的所述第一未来时间段内船舶运动预报低于所述至少一个运动阈值，

其中所述图形指示包括第二操作时段指示符，所述第二操作时段指示符用于在超过所述时间阈值的第二未来时间段内不低于所述至少一个运动阈值的船舶运动预报，其中所述第二操作时段指示符沿轴线延伸以表示该第二未来时间段，在超过所述时间阈值的所述第二未来时间段内船舶运动预报不低于所述至少一个运动阈值，并且

其中以第一方式指示所述第一操作时段指示符，并且以不同于所述第一方式的第二方式指示所述第二操作时段指示符。

2.根据权利要求1所述的船舶运动预报系统，其中所述船舶运动预报包括针对至少第一自由度和第二自由度的船舶运动预报。

3.根据权利要求1所述的船舶运动预报系统，其中所述船舶运动预报包括针对至少第一自由度和第二自由度的船舶运动预报，并且其中所述至少一个船舶运动阈值至少包括针对第一自由度的第一船舶运动阈值和针对第二自由度的第二船舶运动阈值。

4.根据权利要求1所述的船舶运动预报系统，其中所述船舶运动预报是从波浪高度预报产生的，并且其中所述第一操作时段指示符是另外响应于所述波浪高度预报是在超过所述时间阈值的所述第一未来时间段内低于波浪高度阈值而产生的。

5.根据权利要求1所述的船舶运动预报系统，其中所述至少一个船舶运动阈值和所述时间阈值是在操作之前和操作期间用户可配置的。

6.根据权利要求1所述的船舶运动预报系统，其中每个所述船舶运动预报中增加有置信裕度。

7.根据权利要求6所述的船舶运动预报系统，其中所述置信裕度是用户可配置的，以提供期望的确定性等级。

8.根据权利要求1所述的船舶运动预报系统，其中所述第一方式包括第一颜色，并且其中所述第二方式包括与所述第一颜色不同的第二颜色。

9.根据权利要求1所述的船舶运动预报系统，其中所述第一方式包括第一强度，并且其中所述第二方式包括与所述第一强度不同的第二强度。

10.根据权利要求1所述的船舶运动预报系统，其中所述第一操作时段指示符包括第一矩形条，所述第一矩形条的一个轴线对应于所述第一未来时间段，并且其中所述第二操作时段指示符包括第二矩形条，所述第二矩形条的一个轴线对应于所述第二未来时间段。

11.根据权利要求10所述的船舶运动预报系统，其中所述第一方式包括使所述矩形条呈第一颜色，并且其中所述第二方式包括使所述矩形条呈不同于所述第一颜色的第二颜色。

12.根据权利要求1所述的船舶运动预报系统，其中所述图形指示还包括信号灯表示，其中所述信号灯表示被配置为指示当前操作状态。

13.根据权利要求1所述的船舶运动预报系统，其中所述图形指示还包括信号灯表示，其中所述信号灯表示被配置为，在当前时间段所述船舶运动预报是在超过所述时间阈值的所述第一未来时间段内低于所述至少一个运动阈值的情况下，显示绿色，并且其中所述信号灯表示被配置为，在所述当前时间段所述船舶运动预报是在超过所述时间阈值的所述第二未来时间段内不低于所述运动阈值的情况下，显示红色。

14.根据权利要求13所述的船舶运动预报系统，其中所述信号灯表示被配置为，在所述当前时间段最初超过所述时间阈值，但是所述当前时间段的当前剩余部分现在低于所述时间阈值的情况下，显示黄色。

15.根据权利要求1所述的船舶运动预报系统，其中所述图形指示还包括至少一个倒计时计时器，所述至少一个倒计时计时器被配置为指示当前时间段中剩余的时间。

16.一种船舶运动预报系统，包括：

至少一台雷达；

至少一台显示器；

处理器；

存储器，其与所述处理器耦合；以及

船舶运动预报程序，其驻留在所述存储器中并且由所述处理器执行，以：

从所述至少一台雷达接收从水体反射的信号的雷达数据；

从所接收的雷达数据产生海洋波浪分量；

从所产生的海洋波浪分量产生船舶运动预报；以及

在所述至少一台显示器上产生未来时间段内所述船舶运动预报的图形指示，

其中所述图形指示包括第一操作时段指示符，所述第一操作时段指示符用于在超过时间阈值的第一未来时间段内低于至少一个运动阈值的船舶运动预报；

其中所述图形指示包括第二操作时段指示符，所述第二操作时段指示符用于在超过所述时间阈值的第二未来时间段内不低于所述至少一个运动阈值的船舶运动预报；

其中所述第一操作时段指示符被指示为第一颜色的第一矩形条，其中所述第一矩形条沿轴线延伸以表示所述第一未来时间段，在超过所述时间阈值的所述第一未来时间段内船舶运动预报低于所述至少一个运动阈值，并且其中所述第二操作时段指示符被指示为与所述第一颜色不同的第二颜色的第二矩形条，其中所述第二矩形条沿轴线延伸以表示该第二未来时间段，在超过所述时间阈值的所述第二未来时间段内船舶运动预报不低于所述至少一个运动阈值；并且

其中所述第一操作时段指示符和所述第二操作时段指示符在每个产生所述船舶运动预报的周期中被更新。

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包括针对至少第一自由度和第二自由度的船舶运动预报，并且其中所述至少一个船舶运动阈值至少包括针对第一自由度的第一船舶运动阈值和针对第二自由度的第二船舶运动阈值。

18.根据权利要求16所述的船舶运动预报系统，其中所述图形指示还包括信号灯表示，其中所述信号灯表示被配置为，在当前时间段所述船舶运动预报是在超过所述时间阈值的所述第一未来时间段内低于所述至少一个运动阈值的情况下，显示所述第一颜色，并且其中所述信号灯表示被配置为，在所述当前时间段所述船舶运动预报是在超过所述时间阈值的所述第二未来时间段内不低于所述运动阈值的情况下，显示所述第二颜色。

19.一种提供未来船舶运动预报的方法，包括：

从至少一台雷达接收从水体反射的信号的雷达数据；

从所接收的雷达数据产生海洋波浪分量；

从所产生的海洋波浪分量产生船舶运动预报；并且

产生未来时间段内所述船舶运动预报的图形指示，用于显示给用户，其中所述图形指示包括第一操作时段指示符，所述第一操作时段指示符用于在超过时间阈值的第一未来时间段内低于至少一个运动阈值的船舶运动预报，其中所述第一操作时段指示符沿轴线延伸以表示所述第一未来时间段，在超过所述时间阈值的所述第一未来时间段内船舶运动预报低于所述至少一个运动阈值，并且其中所述图形指示包括第二操作时段指示符，所述第二操作时段指示符用于在超过所述时间阈值的第二未来时间段内不低于所述至少一个运动阈值的船舶运动预报，其中所述第二操作时段指示符沿轴线延伸以表示所述第二未来时间段，在超过所述时间阈值的所述第二未来时间段内船舶运动预报不低于所述至少一个运动阈值，并且其中以第一方式指示所述第一操作时段指示符，并且以不同于所述第一方式的第二方式指示所述第二操作时段指示符。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述船舶运动预报包括至少针对第一自由度和第二自由度的船舶运动预报，并且其中所述至少一个船舶运动阈值至少包括针对所述第一自由度的第一船舶运动阈值和针对所述第二自由度的第二船舶运动阈值。

21.根据权利要求19所述的方法，其中所述图形指示还包括信号灯表示，其中所述信号灯表示被配置为，在当前时间段所述船舶运动预报是在超过所述时间阈值的所述第一未来时间段内低于所述至少一个运动阈值的情况下，以所述第一方式指示，并且其中所述信号灯表示被配置为，在所述当前时间段所述船舶运动预报是在超过所述时间阈值的所述第二未来时间段内不低于所述运动阈值的情况下，以所述第二方式指示。

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