CN113281757A - 一种倒置式多波束回声仪及海面波浪测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倒置式多波束回声仪及海面波浪测量方法。该方法包括以下步骤：将倒置式多波束回声仪固定于水底或安装于水下潜标，通过发射换能器阵向水面发射波束，通过接收换能器阵接收回波信号；倒置式多波束回声仪根据接收到的回波信号获得回波的到达角和到达时间；结合实时声速剖面信息、声线跟踪算法、换能器表面声速、姿态仪以及多波束数据，获得回声仪上方特定区域内海面波动信息；将海面高度波动数据与压力传感器数据自行存储，或通过水密线缆或无线方式传输到船上或岸边基站，从而实现对海面波浪变化信息的采集。进一步，对所采集的数据进行统计处理，得出波浪的波高、周期等相关参数。本发明能够长期、方便地采集海面波浪相关信息并记录海面的起伏变化。

Description

一种倒置式多波束回声仪及海面波浪测量方法

技术领域

本发明属于水声测量和信号信息处理技术领域，尤其涉及一种倒置式多波束回声仪及海面波浪测量方法。

背景技术

海洋系统复杂多变，水体动态交换频繁，存在着形式多样的动力过程。对海洋系统的研究离不开对风、浪、流、潮等物理要素变化规律的掌握和预测。海面波浪测量技术是海洋探勘的重要研究内容之一，也是海洋科学研究和工程应用中一个显著的关注点。海洋波浪的研究一直是海洋工程领域内重要的研究内容，准确实时的海洋波浪的测量是船舶导航、海洋工程、海洋预报、防灾减灾、和航海安全的重要需求。

波浪测量方法可以分为：直接测量法和遥感方法。直接测量法一般将测量仪器直接放置在测量水域内，直接测量波浪；遥感方法表示仪器远程通过为微波、电磁波、光信号进行波浪信息的测量。

例如感测量方法中的微波雷达遥感测试法通过微波雷达采集一定时间顺序下的雷达图像序列，获得海浪波数谱，进而估算出海浪波高数据。该方法计算得到的有效波高与海床结构等因素有关，一次定标的参数仅适用于一片固定的海面，无法应用于未知海域的波高估计。直接测量方法中的传统坐底式波浪测量仪通过将坐底式声学测波仪安装在水下或是海底，避免了海面大风浪及过往行驶船舶对观测系统的破坏，但是声学换能器数目较少，可以通过使用多波束回声仪增加多个角度的回波信息提升测量的精度。以上方法都存在对应的应用不足。

因此，寻找一种可长期值守、快速方便获得海面波浪相关信息并记录海面起伏变化的方法成为目前研究的重点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种倒置式多波束回声仪及海面波浪测量方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种倒置式多波束回声仪，包括多波束声纳探头、耐压舱体、表面声速头、压力传感器和显控与后处理平台，分为水上部分和水下部分。显控与后处理平台为水上部分；水下部分包括多波束声纳探头、耐压舱体、表面声速头和压力传感器。压力传感器用于测定水下部分的压力。工作时水下部分固定于水底或水下潜标，其中多波束声纳探头以倒置的方式安装。

多波束声纳探头包括发射换能器阵、接收换能器阵和电路模块；发射换能器阵用于根据电信号向水面发射波束，接收换能器阵用于接收回波信号转换成电信号；电路模块用于发射、接收换能器的电信号并计算回波的到达角和到达时间。

表面声速头用于测定换能器表面的声速。

耐压舱体内包括姿态传感器和数据转发存储模块；数据转发存储模块包含串口服务器、串口分配器、交换机和调制解调模块。其中，姿态传感器用于测定水下部分的姿态。

串口分配器和交换机分别与多波束声纳探头连接，串口服务器连接表面声速头。

姿态传感器通过串口分配器将姿态数据传输给多波束声纳探头及四串口服务器；四串口服务器接收经串口分配器转发的姿态数据以及来自压力传感器、表面声速头的数据，并转发给交换机；交换机接收四串口服务器转发的数据及多波束声纳探头数据，并转发给调制解调模块；调制解调模块将所有数据上传到显控与后处理平台。

显控与后处理平台根据接收的数据计算得到海面波高、周期信息。

进一步地，数据转发存储模块还包括硬盘；交换机将接收到的数据都存储在硬盘中。

进一步地，水下部分还包括主支架和配重铸铁块。主支架上安装表面声速头、多波束声纳探头、耐压舱体和配重铸铁块；配重铸铁块用于使水下部分沉底。

进一步地，耐压舱体内还包括电源模块，由电池或者外部电源向电源模块供电。电源模块分别向多波束声纳探头、数据转发存储模块、姿态传感器、压力传感器、表面声速头供电。

进一步地，所有的供电和数据传输通过水密线缆或无线方式实现。

进一步地，显控与后处理平台还用于对多波束声纳探头数据进行误差修正、成图，对多波束声纳探头、姿态传感器、压力传感器、表面声速头的数据及海面波高、周期信息进行显示，并可以通过水密线缆或无线方式控制多波束声纳探头、姿态传感器、压力传感器、表面声速头、数据转发存储模块的状态和参数。

一种基于上述倒置式多波束回声仪的海面波浪测量方法，包括以下步骤：

(1)结合实时声速剖面信息、声线跟踪算法、表面声速头、姿态传感器、压力传感器以及多波束声纳探头数据，获得水下部分上方特定区域内海面波动信息：

(1.1)根据压力传感器的数据，得到压力传感器位置处上方海面高度变化值。

(1.2)假设对海水进行等深度分层，并以等梯度模型描述声速剖面信息，由换能器处进行声线跟踪，根据回波的到达角和到达时间，计算各波束脚印的深度与水平位置信息。

(1.3)对各波束脚印位置处的位置信息进行插值，得到水下部分上方海面各位置处的波高变化值，在水深h时，选取水下部分正上方多处位置作为标记点，分别记录多个标记点在各时间下的海面高度变化值。

(2)根据步骤(1)得到的海面高度变化值，通过上跨零点法或下跨零点法进行统计处理，得出海浪的波高、周期信息。

进一步地，步骤(5)中，上跨零点法以平均水位为零线，考虑声线跟踪采集的海面高度变化信息，把波面上升与零线相交的点作为起点。波形不规则地振动到零线以下，接着又上升再次与零线相交，该点作为终点。考虑采集数据间隔为时间，则两个连续上跨零点间的间距就是周期，两点间波峰最高点到波谷最低点的垂直距离定义为波高。

将压力传感器采集的深度变化信息的平均值作为平均水位的参考，对各标记点对应海面高度波动数据分别采用上跨零点法获得多组波高与周期信息，统计分析可得到部分大波波高、部分大波周期、平均波高、平均周期等波浪数据。

进一步地，实时声速剖面通过传感器测量或声学反演的方法获取。

本发明的有益效果是：

1)本发明可以实时观察海面波浪变化情况，测量准确度高、可长期稳定可靠工作；

2)本发明采用倒置式多波束回声仪能够同时获得数十甚至上百个窄波束，相比于传统坐底式波浪测量仪，具有更高的海面波浪信息估计精度。

附图说明

图1是倒置式多波束回声仪的结构框图；

图2是系统的主体框架示意图；

图3是系统的供电及数据流程图；

图4是系统的实验连接图；

图5是标记点位置图；

图6是上跨零点法统计的海面波高-时间示意图；

图中：主支架1、多波束声纳探头2、耐压舱体3、配重铸铁块4、船只5、水密线缆6。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明一种倒置式多波束回声仪包括主支架1、多波束声纳探头2、耐压舱体3、配重铸铁块4、表面声速头、压力传感器和显控与后处理平台，分为水上部分和水下部分。

如图2所示，水下部分包括主支架1、多波束声纳探头2、耐压舱体3、表面声速头、压力传感器和配重铸铁块4。主支架1上安装表面声速头、多波束声纳探头2和耐压舱体3。主支架1根据水深要求配置重量不同的配重铸铁块4使多波束回声仪沉底。耐压舱体3竖直安装在多波束声纳探头2下方；压力传感器通过螺孔安装在耐压舱体3端盖上，感应端与外界海水接触；压力传感器用于实现多波束回声仪水下部分的压力测定。表面声速头用于实现换能器表面的声速测定。

多波束声纳探头2以倒置的方式水平安装在主支架1顶部，以向水面发射波束及接收回波信号。多波束声纳探头2包括发射换能器阵、接收换能器阵和电路模块。其中，发射换能器阵用于将产生的发射电信号转化为声信号发射；接收换能器阵用于接收经过水体及水面反射、散射的回波，并将回波信号转化为电信号；电路模块用于发射、接收电信号并计算回波的到达角和到达时间。

耐压舱体3内包括电源模块、姿态传感器和数据转发存储模块。其中，姿态传感器竖直安装耐压舱体3内，同时调整安装方向以保证横摇、纵摇与多波束声纳探头2一致；姿态传感器用于实现多波束回声仪的姿态测定。

如图3中虚线所示，电源模块通过水密线缆6或采用无线方式由船只5提供220V交流电源供电，并经过不同电压下的电压转换后，分别向多波束声纳探头2、数据转发存储模块、姿态传感器、压力传感器、表面声速头供电。电源模块可以由多波束声纳探头2、数据转发存储模块、姿态传感器、压力传感器、表面声速头分别对应电压的大容量蓄电池代替。

如图3中实线所示，数据转发存储模块包含四串口服务器、串口分配器、交换机、硬盘和调制解调模块。其中，串口分配器和交换机通过水密线缆与多波束声纳探头2连接，实现与多波束声纳探头2间的供电与通信功能，四串口服务器通过水密线缆外接表面声速头。

姿态传感器通过串口分配器将姿态数据实时传输给多波束声纳探头2及四串口服务器；四串口服务器接收经串口分配器转发的姿态数据以及压力传感器、表面声速头的数据，并通过网线转发给交换机；交换机接收四串口服务器转发的数据及多波束声纳探头2数据，发送至硬盘储存数据，同时通过网线转发给调制解调模块；调制解调模块通过水密线缆6将所有数据上传到船只5上的显控与后处理平台，实现数据的实时传输与通信。水下部分与水上部分的数据传输也可通过声学、光学等无线传输方式建立。

显控与后处理平台为水上部分。显控与后处理平台用于通过水密线缆6接收调制解调模块发送的数据，对多波束声纳探头2数据进行误差修正、海面成图、测量海面波高、周期信息的后处理，对多波束声纳探头2、姿态传感器、压力传感器、表面声速头的数据及后处理获得的海面波高、周期信息进行显示，并实现对多波束声纳探头2、姿态传感器、压力传感器、表面声速头、数据转发存储模块的状态和参数的控制。

如图4所示，船只5进行三点锚定，最大程度保证其静止或微小漂移；耐压舱体3通过水密线缆6与船只5连接，实现供电及实时通信；水密线缆6通过钢缆进行保护，水密线缆6固定于钢缆之上不受力，同时根据水深以及水下部分沉底点与船只5的几何关系估算水密线缆6长度，并预留20％-30％长度。

本发明一种基于上述倒置式多波束回声仪的海面波浪测量方法，将倒置式多波束回声仪固定于水底或安装于水下潜标，多波束声纳探头2通过发射换能器阵向水面发射波束，通过接收换能器阵接收回波信号。倒置式多波束回声仪根据接收到的回波信号，获得回波的到达角θ和到达时间。显控与后处理平台根据接收的数据，得到特定区域(11个标记点)对应的海面高度波动数据，与压力传感器对应海面高度波动数据，从而实现对特定区域海面波浪相关数据信息的实时观测、采集与统计分析，具体流程如下：

(1)结合实时声速剖面信息、声线跟踪算法、表面声速头、姿态传感器、压力传感器以及多波束声纳探头2数据，获得多波束回声仪上方特定区域内海面波动信息。其中，实时声速剖面可以通过定期传感器测量或声学反演方法的方式获取。其中，声学反演方法包括但不限于专利CN110146895A提出的声速剖面反演算法；具体为：

(1.1)根据压力传感器的数据，得到读数[p₁,...,p_M]，即可得到压力传感器位置处上方海面高度变化值[h₀₁,...,h_0M]，其中，M表示所有数据个数，p₁,...,p_M表示所有压力值读数，h₁,...,h_M表示压力传感器上方位置所有海面高度变化值。

(1.2)假设对海水进行等深度分N层，并以等梯度模型描述声速剖面信息，由收发换能器处进行声线跟踪。其中，整个深度范围内，声线总的传播时间t与深度z的关系可表示为：

式(1)中，z表示深度，N表示层数，z₀表示收发换能器位置处深度，z_i表示第i个分层深度；θ表示到达角，a表示到达角正弦值与表面声速的比值

c_z表示z深度位置处的声速值，c₀表示表面声速，c_i-1表示第i个分层的声速；g₁表示第1个分层的声速梯度，g_i表示第i个分层的声速梯度；t_i表示第i个分层的传播时间。

(1.3)从换能器基阵所在位置处开始计算波束在各个水层的传播时间t_i，并根据式(1)将各层的传播时间累加，直至与到达时间相等，此时即可求得这个波束脚印的深度，再利用式(2)计算这个波束脚印的水平距离，获得波束脚印的位置信息：

式(2)中，x表示波束脚印的水平距离，x_i表示第i个分层的水平偏移。

(1.4)将波束脚印位置处的位置信息进行插值，得到回声仪上方海面高度变化值，在水深h时，选取倒置式多波束回声仪正上方海面多处位置作为标记点，以倒置式多波束回声仪正上方以及与其水平间隔±0.1h,±0.2h,±0.3h,±0.4h,±0.5h处位置为例，如图5所示，图中1～11为标记点位置，分别记录该11处在各时间下的海面高度变化值[h₁₁,...,h_1M]、[h₂₁,...,h_2M]、[h₃₁,...,h_3M]、[h₄₁,...,h_4M]、[h₅₁,...,h_5M]、[h₆₁,...,h_6M]、[h₇₁,...,h_7M]、[h₈₁,...,h_8M]、[h₉₁,...,h_9M]、[h₁₀₁,...,h_10M]、[h₁₁₁,...,h_11M]；其中，[h₆₁,...,h_6M]表示多波束回声仪正上方处海面高度变化值，[h₅₁,...,h_5M]及[h₇₁,...,h_7M]分别表示回声仪正上方左右水平间隔0.1h处海面高度变化值，[h₄₁,...,h_4M]及[h₈₁,...,h_8M]分别表示回声仪正上方左右水平间隔0.2h处海面高度变化值，[h₃₁,...,h_3M]及[h₉₁,...,h_9M]分别表示回声仪正上方左右水平间隔0.3h处海面高度变化值，[h₂₁,...,h_2M]及[h₁₀₁,...,h_10M]分别表示回声仪正上方左右水平间隔0.4h处海面高度变化值，[h₁₁,...,h_1M]及[h₁₁₁,...,h_11M]分别表示回声仪正上方左右水平间隔0.5h处海面高度变化值。

(2)对步骤(1)得到的海面高度变化相关数据信息，通过上跨零点法或下跨零点法进行统计处理，得出海浪的波高、周期信息：

上跨零点法以平均水位为零线，考虑声线跟踪采集的海面高度变化信息，把波面上升与零线相交的点作为起点。波形不规则地振动到零线以下，接着又上升再次与零线相交，该点作为终点。考虑采集数据间隔为时间，则两个连续上跨零点间的间距就是周期，两点间波峰最高点到波谷最低点的垂直距离定义为波高。选取50个波高序列为例，如图6所示，平均水位为0m(虚线)，图中共有5个上跨零点(空心圆点)，其中第四个上跨零点对应的的波高与周期值分别为0.76m、6s(矩阵的长及宽)

将压力传感器采集的深度变化信息[h₀₁,...,h_0M]的平均值h₀作为平均水位的参考，对11处不同位置下的各个高度信息变化分别采用上跨零点法获得波高与周期数据，并对11组数据进行统计分析得到部分大波波高、部分大波周期、平均波高、平均周期等波浪数据。

其中，部分大波波高与周期由有效波统计获得，对上述一系列观测波高，按其大小排列，其中最高的p部分求平均，称之为p部分大波平均波高Hp。例如，1000个波高中取100个最高的波高(1/10部分)求平均，称之为1/10大波平均波高，计为H1/10。特别的，H1/3是1/3大波平均波高，称之为有效波高。同理，对该系列周期按大小排列后对最高的p部分求平均即可得到p部分大波平均周期Tp。平均波高与平均周期分别为一系列观测波高与周期的均值。由此即可获得该海面区域的波高、周期信息。

下面给出Matlab软件使用本发明波浪测量法的仿真实例。首先基于P-M谱对海面进行建模，在3级蒲氏风速下得到海面波形，并以采样频率为2Hz共采集数据10分钟(对应1200长度序列)，对该组序列采用上跨零点法得到真实值，然后使用本发明方法测量平均波高、有效波高、平均周期与有效周期。由表1可以看出，采用本发明的方法估计出的波高与周期值与真实值接近，可见本发明方法测量效果良好。

表1：波浪信息采集效果

Claims (9)

1.一种倒置式多波束回声仪，其特征在于，包括多波束声纳探头、耐压舱体、表面声速头、压力传感器和显控与后处理平台，分为水上部分和水下部分。显控与后处理平台为水上部分；水下部分包括多波束声纳探头、耐压舱体、表面声速头和压力传感器。压力传感器用于测定水下部分的压力。工作时水下部分固定于水底或水下潜标，其中多波束声纳探头以倒置的方式安装。

多波束声纳探头包括发射换能器阵、接收换能器阵和电路模块；发射换能器阵用于根据电信号向水面发射波束，接收换能器阵用于接收回波信号转换成电信号；电路模块用于发射、接收换能器的电信号并计算回波的到达角和到达时间。

表面声速头用于测定换能器表面的声速。

耐压舱体内包括姿态传感器和数据转发存储模块；数据转发存储模块包含串口服务器、串口分配器、交换机和调制解调模块。其中，姿态传感器用于测定水下部分的姿态。

串口分配器和交换机分别与多波束声纳探头连接，串口服务器连接表面声速头。

姿态传感器通过串口分配器将姿态数据传输给多波束声纳探头及四串口服务器；四串口服务器接收经串口分配器转发的姿态数据以及来自压力传感器、表面声速头的数据，并转发给交换机；交换机接收四串口服务器转发的数据及多波束声纳探头数据，并转发给调制解调模块；调制解调模块将所有数据上传到显控与后处理平台。

显控与后处理平台根据接收的数据计算得到海面波高、周期信息。

2.如权利要求1所述倒置式多波束回声仪，其特征在于，数据转发存储模块还包括硬盘；交换机将接收到的数据都存储在硬盘中。

3.如权利要求1所述倒置式多波束回声仪，其特征在于，水下部分还包括主支架和配重铸铁块。主支架上安装表面声速头、多波束声纳探头、耐压舱体和配重铸铁块；配重铸铁块用于使水下部分沉底。

4.如权利要求1所述倒置式多波束回声仪，其特征在于，耐压舱体内还包括电源模块，由电池或者外部电源向电源模块供电。电源模块分别向多波束声纳探头、数据转发存储模块、姿态传感器、压力传感器、表面声速头供电。

5.如权利要求1所述倒置式多波束回声仪，其特征在于，所有的供电和数据传输通过水密线缆或无线方式实现。

6.如权利要求1所述倒置式多波束回声仪，其特征在于，显控与后处理平台还用于对多波束声纳探头数据进行误差修正、成图，对多波束声纳探头、姿态传感器、压力传感器、表面声速头的数据及海面波高、周期信息进行显示，并可以通过水密线缆或无线方式控制多波束声纳探头、姿态传感器、压力传感器、表面声速头、数据转发存储模块的状态和参数。

7.一种基于权利要求1所述倒置式多波束回声仪的海面波浪测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)结合实时声速剖面信息、声线跟踪算法、表面声速头、姿态传感器、压力传感器以及多波束声纳探头数据，获得水下部分上方特定区域内海面波动信息：

(1.1)根据压力传感器的数据，得到压力传感器位置处上方海面高度变化值。

(1.2)假设对海水进行等深度分层，并以等梯度模型描述声速剖面信息，由换能器处进行声线跟踪，根据回波的到达角和到达时间，计算各波束脚印的深度与水平位置信息。

(1.3)对各波束脚印位置处的位置信息进行插值，得到水下部分上方海面各位置处的波高变化值，在水深h时，选取水下部分正上方多处位置作为标记点，分别记录多个标记点在各时间下的海面高度变化值。

(2)根据步骤(1)得到的海面高度变化值，通过上跨零点法或下跨零点法进行统计处理，得出海浪的波高、周期信息。

8.根据权利要求7所述海面波浪测量方法，其特征在于，步骤(5)中，上跨零点法以平均水位为零线，考虑声线跟踪采集的海面高度变化信息，把波面上升与零线相交的点作为起点。波形不规则地振动到零线以下，接着又上升再次与零线相交，该点作为终点。考虑采集数据间隔为时间，则两个连续上跨零点间的间距就是周期，两点间波峰最高点到波谷最低点的垂直距离定义为波高。

将压力传感器采集的深度变化信息的平均值作为平均水位的参考，对各标记点对应海面高度波动数据分别采用上跨零点法获得多组波高与周期信息，统计分析可得到部分大波波高、部分大波周期、平均波高、平均周期等波浪数据。

9.如权利要求7所述海面波浪测量方法，其特征在于，实时声速剖面通过传感器测量或声学反演的方法获取。

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