CN113740860A - 一种新型坐底式声学测波装置 - Google Patents

一种新型坐底式声学测波装置 Download PDF

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CN113740860A CN202110934729.6A CN202110934729A CN113740860A CN 113740860 A CN113740860 A CN 113740860A CN 202110934729 A CN202110934729 A CN 202110934729A CN 113740860 A CN113740860 A CN 113740860A
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Abstract

本发明公开了一种新型坐底式声学测波装置，包括支架，所述支架四周均布调节杆，所述调节杆上设有声学换能器，所述支架设有密封舱，所述声学换能器通过线缆连接到密封舱，所述密封舱内设有数据采集器，所述数据采集器通过电缆与计算机连接。其优点在于，该波浪测量装置配有N个垂直安装的声学换能器，可测量N个不同位置的波高起伏，N个波高测点构建测波阵，该测波阵可进行波浪主波向、海浪方向谱测量，计算准确可靠。

Description

一种新型坐底式声学测波装置
技术领域
本申请公开了一种新型坐底式波浪测量装置，适用于中近海条件下的波浪常 规观测，仪器测量准确度高、仪器工作稳定可靠。
背景技术
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。
波浪仪器主要方法有：测杆测波法、压力式测波法、声学式测波法、重力式 测波法和激光式测波法。其中声学式测波利用回声测距原理进行波浪观测，这种 方式不干扰波浪场，测量值能够真实反映波浪场的真实情况。声学式波浪仪分为 水下坐底式和水上气介式两种，水下坐底式代表性产品有山东省科学院海洋仪器 仪表研究所生产的LPB1－2型岸用声学测波仪和国家海洋技术中心生产的 SBA3－2型声学测波仪，水上气介式的代表性产品有SBY2－1型声学式波浪仪。 其中水下坐底式使用更加普遍，主要是因为坐底式仪器不受到海面恶劣天气等影 响，测量准确度高。现有国产声学测波仪只具有波高、波周期测量能力，无波向 测量能力。随着波向测量需求增多，现有声学测波仪无法要求，亟需开发一种具备波向的声学测波装置。
发明内容
基于上述问题，本申请提供一种利用波浪达到不同声学换能器之间的时延差 进行主波向测量装置和方法,其技术方案为，
一种新型坐底式声学测波装置，包括支架，所述支架四周均布调节杆，所述 调节杆上设有声学换能器，所述支架上设有密封舱，所述声学换能器通过线缆连 接到密封舱，所述密封舱内设有数据采集器，所述数据采集器通过电缆与计算机 连接。
进一步的，所述声学换能器安装在护套内部，护套底部固定有配重，护套通 过转环与导流罩连接。
进一步的，所述密封舱内设有电子罗盘和存储卡，所述电子罗盘检测支架的 倾斜角度。
进一步的，测量步骤如下：
S1.控制每个声学换能器分时发射，并采用升采样技术，实现信号接收同步；
S2.利用每个声学换能器进行实时波面跟踪，分别完成波高、周期计算；
S3.数据采集器对于接收的声学换能器的每个数据包进行坏点剔除，坏点包 括超过仪器测量范围数据或空白缺失数据，数据坏点可以用插值算法进行填补；
S4.基于空间分割及时延差计算主波向平均值。
进一步的，步骤S1中，N个声学换能器在t0秒的一个测量周期内，N个声 学换能器采用分时发射接收方法，声学换能器的采样频率fs小于1/t0时，将声 学换能器的采样频率提升到1/t0，通过时间平移，实现不同声学换能器之间的时 间同步。
进一步的，步骤S4中，假设采用N个声学换能器，并顺序标记，将空间划 分为2*N个空间区域，第i个声学换能器与第g个声学换能器之间的相位为
Figure BDA0003212444940000021
i≠g，当第i个声学换能器与其他声学换能器之间的相位差大于0时，对应的空间 标记为空间区域i，当第i个声学换能器与其他声学换能器之间的相位差小于等 于0时，对应的空间标记为空间区域i+N。
进一步的，从N个声学换能器上选择三个声学换能器分别为A，B，C，其 中DBC，DBA分别代表BC和BA两个声学换能器在波浪方向上的投影距离，
Figure BDA0003212444940000022
Figure BDA0003212444940000023
分别BC和BA的时延相位差，LBC LBA代表BC和BA两个声学换能器的距 离，α代表AB和BC之间的夹角，θ代表波浪方向；
Figure BDA0003212444940000024
Figure BDA0003212444940000025
通过计算得到：
Figure BDA0003212444940000026
考虑到不同的频率f下，主波向θ(f)不同，上述表示式可以表示为：
Figure BDA0003212444940000031
进一步的，在每个测量时次内，每次计算取前K分钟采集数据进行计算， 得到对应不同频率f点的主波向值，假设计算得到M组主波向值，分别为
θ1(f),θ2(f),θ3(f)...θM(f)；
判断主波向值出现最多的区域，统计该区域内的所有主波向值个数，计算平 均值θ(f)作为一个测量时次的频率点f主波向平均值；
Figure BDA0003212444940000032
区域内的波向个数M1M1≤M M1为区域内的波向个数，n＝1,2……M1，，主波向值是在仪器坐标系得到的， 需要利用电子罗盘的方位角heading，将主波向值转换到大地坐标下的主波向。
有益效果
1.该波浪测量装置配有N个垂直安装的声学换能器，可测量N个不同位置 的波高起伏，N个波高测点构建测波阵，该测波阵可进行波浪主波向、海浪方向 谱测量，计算准确可靠。
2.目前波浪波向是通过方向谱计算得到，利用方向谱和物理量互谱矩阵的 非线性方程关系求解，计算复杂且计算过程会出现矩阵求逆导致的误差，通常一 个小时才能给出一组波向值，计算实时性差。本发明设计了一种基于三测点相位 差的主波向测量方法，利用波浪达到不同声学换能器之间的时延差进行主波向测 量，该算法计算复杂度低，计算实时性好，计算准确可靠。
附图说明
图1为本申请结构示意图；
图2为平衡系统结构示意图；
图3为密封舱结构示意图；
图4为本申请流程图；
图5为测量时序示意图；
图6为三点法主波向计算示意图；
图7为空间划分区域示意图；
图8仿真分析结果；
其中，1、平衡系统；2、调节杆；3、支架；4、密封舱；5、线缆；6、 电缆；7、计算机；8、声学换能器；9、转环；10、配重；11、护套；12、 导流罩；13、密封舱；14、电子罗盘；15、数据采集板；16、存储卡。
具体实施方式
以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指 明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员 通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施 方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。
一种新型坐底式声学测波装置包括平衡系统1、调节杆2、支架3、密封舱4、 电缆5、电缆6(铠装电缆)、以及岸站用计算机7。每个平衡系统1内装有一个 声学换能器8，三套平衡系统在支架3的圆周内均布排列，观测数据通过电缆6 实时传输到岸站计算机7，可以实现全天候实时数据观测。平衡系统1通过螺栓 固定连接调节杆2上，每个调节杆2上都开有多个螺栓安装孔，可以根据需要调 节平衡系统1的安装位置，根据布放水深的实际情况，从而调节3个换能器之间 的距离，以实现波浪参数的精准测量；每个调节杆2通过两个螺栓固定在支架3 上，运输过程中可以拆下，到了安装现场再进行组装；支架3上部带有布放环，利用布放环可以在船上用绳索将整套支架缓缓布放到海底，且布放环结构能够对 支架3中间的密封舱4起到保护作用。每个声学换能器8通过线缆5连接到密封 舱4，如图3所示，密封舱13内设有电子罗盘14和存储卡16，所述电子罗盘 14检测支架3的倾斜角度，可以实时输出整套支架的倾斜角度，采集控制电路 板15和存储卡16可以对声学换能器8的数据进行实时分析处理以及数据存储。
如图2所示平衡系统1包括声学换能器8、转环9、配重10(铅块)、护套 11以及导流罩12，每个声学换能器8安装在护套11内部，护套11底部固定有 配重10，导流罩12和护套11之间通过转环8进行连接，可以在倾斜的情况下 实现传感器的自平衡功能，保持声学换能器8探头竖直向上。同时导流罩12可 以减小海底海流对声学换能器8的冲击作用，从而减小海流对观测数据的影响。
一种新型坐底式声学测波方法，包括如下步骤：
S1.控制三个声学换能器分时发射，并采用升采样技术，实现信号接收同步；
S11.仪器控制电路控制波浪装置的所有声学换能器开始采集工作，并控制电 子罗盘开始采集数据，声学换能器的采样频率为fs(要求fs>＝2Hz)，电子罗盘 的采样频率预设为30分钟采样1次(采样频率可设置)。
S12.三个声学换能器的工作频率均为200KHz，固定在同一个支架上，同时 发射接收时，不同换能器之间会有干扰。本发明控制声学换能器分时发射接收， 避免之间干扰。假设声学换能器的采样频率为2Hz，一个测量周期0.5秒内，声 学换能器1在0s时发射信号，声学换能器1接收波面反射回波信号，声学换能 器2在0.1s发射信号，声学换能器2接收波面发射信号，声学换能器3在0.2s 发射信号，声学换能器3接收波面发射信号。然后下一个测量周期，重复上面的 分时发射步骤。
S13.考虑各个声学换能器之间存在时延差，而波向测量需要3个声学换能器 之间保证时间同步，本发明采用一种升采样技术，实现时间同步。首先，在现有 时间序列基础上，插值实现5倍升采样，采样频率达到10Hz，得到新的时间序 列。然后，考虑到声学换能器1，声学换能器2，声学换能器3之间的延时0.1s， 声学换能器2的时间序列向前平移0.1s(1个采样点)，声学换能器3的时间序 列向前平移0.2s(2个采样点)，这样声学换能器1、声学换能器2、声学换能器 3的时间序列实现时间同步。
S2.利用每个声学换能器进行实时波面跟踪，分别完成波高、周期计算；
S3.数据采集器对于接收的声学换能器的每个数据包进行坏点剔除，坏点包 括超过仪器测量范围数据或空白缺失数据，数据坏点可以用插值算法进行填补； 当数据包的坏点数据占数据包总数据的10％以上时，该条数据包舍弃。
表1波潮测量数据范围
参数 测量范围
1 波高 0～25m
2 波周期 1.0～30s
3 波向 0～360°
4 潮位 (0～10)m
S4.基于空间分割及时延差计算主波向平均值。
本文设计一种基于声学换能器阵列时延差的主波向测量算法。假设共有N 个声学换能器，首先，计算不同换能器之间的时延差，根据不同换能器之间时延 差可以将空间划分为2*N个区域；然后采用本发明提出的三点时延差的主波向 计算方法，进行主波向计算；最后，在一个测量周期内采集了多组主波向值，判 断主波向值出现最多的区域，统计该区域的平均值作为主波向特征值。具体计算 方法如下：
(1)基于相位差的空间区域划分
在波浪传播过程中，波浪达到不同声学换能器位置的时间不同，即同一时刻， 不同声学换能器测量的波浪值存在相位差。利用上述原理，根据不同声学换能器 之间的相位差，可进行波浪波向计算。
假设采用N个声学换能器，根据不同声学换能器之间的相位差特征性，空 间可划分为2*N个空间区域，划分方法如下，第i个声学换能器与第g个声学换 能器之间的相位为
Figure BDA0003212444940000061
i≠g，当第i个声学换能器与其他声学换能器之间的相位 差大于0时，对应的空间标记为空间区域i，当第i个声学换能器与其他声学换 能器之间的相位差小于等于0时，对应的空间标记为空间区域i+N；当N＝3时， 划分成6个空间区域，分别标记为空间区域1、空间区域2、空间区域3、空间 区域4、空间区域5和空间区域6。
Figure BDA0003212444940000071
Figure BDA0003212444940000072
Figure BDA0003212444940000073
Figure BDA0003212444940000074
Figure BDA0003212444940000075
Figure BDA0003212444940000076
(2)基于互谱的相位差计算方法
建立声学换能器的回波模型，其中x1(t)x2(t)分别代表t时刻的声学换能器1 和声学换能器2测量值，其中s(t)真实波浪信号，w1(t)，w2(t)分别代表声学换能 器1和声学换能器2的背景噪声，其中β代表衰减系数，τ代表波浪到达两个接 收点之间的时延差。
x1(t)＝s(t)+w1(t)
x2(t)＝βs(t-τ)+w2(t)
利用上述公式进行互谱计算，得到互谱为
Figure BDA0003212444940000077
可计算得到两个声学换 能器之间的相位差
Figure BDA0003212444940000078
其中f代表频率，Im和Re分别代表取虚部和取实部。
Figure BDA0003212444940000079
(3)基于三点时延差的主波向计算方法
根据空间区域的划分，针对不同空间区域情况，分别计算不同区域下的波向 值，参考图2。考虑到真实波浪存在风浪、涌浪、多向混合浪等情况，即在不同 频率f下，波浪方向可能不同。
根据相位差测向测量原理可知，两个测量A，B之间相位可以表示为：
Figure BDA0003212444940000081
d为两个声学换能器之间的间隔，
Figure BDA0003212444940000082
为方向角，λ所测信号波长。
为了提高波向测量精度，本发明给出了一种基于三测点的测向方法，如图6 所示，三个声学换能器分别为A，B，C，其中DBC，DBA分别代表BC和BA两 个声学换能器在波浪方向上的投影距离，
Figure RE-GDA0003327791950000083
分别BC和BA的时延相位差， LBCLBA代表BC和BA两个声学换能器的距离，α代表AB和BC之间的夹角， θ代表波浪方向。
Figure BDA0003212444940000084
Figure BDA0003212444940000085
通过计算得到：
Figure BDA0003212444940000086
考虑到不同的频率f下，主波向θ(f)不同，上述表示式可以表示为：
Figure BDA0003212444940000087
若空间上有N个声学换能器时，从N个声学换能器上选出3个声学换能器 用来进行主波向计算，共有
Figure BDA0003212444940000088
种计算表示式。例如波浪装 置有5个点声学换能器时，共有10组计算式，需要分别进行计算。
(4)主波向特征值计算
在每个测量时次内(测量时次可设置)，本发明预设从第T1分钟开始(T1 可设置)，在整分时刻进行主波向计算，每次计算取前K分钟(K可设置)采集 数据进行计算，得到对应不同频率f点的主波向值，假设计算得到M组主波向 值，分别为θ1(f),θ2(f),θ3(f)...θM(f)。
判断主波向值出现最多的区域，统计该区域内的所有主波向值个数，计算平 均值θ(f)作为一个测量时次的频率点f主波向平均值。
Figure BDA0003212444940000091
区域内的波向个数M1M1≤M
M1为区域内的波向个数，n＝1，2……M1，上述主波向值是在仪器坐标系得 到的，需要将主波向值转换到大地坐标下的主波向，需要利用电子罗盘的方位角 heading，pitch，roll，本发明安装是，将电子罗盘北向和X轴保持一致，当pitch、 roll小于2°时，仪器倾斜可忽略不计，计算方法如下公式：(当pitch，roll角度 大于2°时，可参考郑威等，姿态传感器在坐底式ADCP波阵列中的应用[J]， 传感器与微系统，2011)。
θ(f)大地坐标系＝θ(f)仪器坐标系+heading。
(5)波高、波周期特征值计算
当波浪采集时间达到一个小时(一个波浪测量周期，可设置)，将波高值按 照大小进行排序，波周期按照对应顺序进行排序，按照波浪特征值定义进行计算， 得到最大波高及对应周期、1/10波高及对应周期，1/3波高及对应周期，平均波 高及对应周期。
(6)海浪谱和方向谱计算
海浪谱S(f)计算如下：
Figure BDA0003212444940000092
其中Γ为采样总点数，u＝(1,2,…,Γ)，fs为采样频率，η代表时间序列。
方向谱S(f，θ)可以表示成为海浪高度谱S(f)和方向分布参数G(f,θ)的乘 积。
S(f，θ)＝S(f)G(f，θ)
方向分布模型选取ISSC(国际船舶结构会议)建议的方向谱函数
Figure BDA0003212444940000101
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域 的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内， 所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新型坐底式声学测波装置，其特征在于，包括支架，所述支架四周均布调节杆，所述调节杆上设有声学换能器，所述支架上设有密封舱，所述声学换能器通过线缆连接到密封舱，所述密封舱内设有数据采集器，所述数据采集器通过电缆与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的一种新型坐底式声学测波装置，其特征在于，所述声学换能器安装在护套内部，护套底部固定有配重，护套通过转环与导流罩连接。
3.根据权利要求1所述的种新型坐底式声学测波装置，其特征在于，所述密封舱内设有电子罗盘和存储卡，所述电子罗盘检测支架的倾斜角度。
4.根据权利要求1所述的一种新型坐底式声学测波装置，其特征在于，测量步骤如下：
S1.控制每个声学换能器分时发射，并采用升采样技术，实现信号接收同步；
S2.利用每个声学换能器进行实时波面跟踪，分别完成波高、周期计算；
S3.数据采集器对于接收的声学换能器的每个数据包进行坏点剔除，坏点包括超过仪器测量范围数据或空白缺失数据，数据坏点可以用插值算法进行填补；
S4.基于空间分割及时延差计算主波向平均值。
5.根据权利要求4所述的一种新型坐底式声学测波装置，其特征在于，步骤S1中，N个声学换能器在t0秒的一个测量周期内，N个声学换能器采用分时发射接收方法，声学换能器的采样频率fs小于1/t0时，将声学换能器的采样频率提升到1/t0，通过时间平移，实现不同声学换能器之间的时间同步。
6.根据权利要求4所述的一种新型坐底式声学测波装置，其特征在于，步骤S4中，假设采用N个声学换能器，并顺序标记，将空间划分为2*N个空间区域，第i个声学换能器与第g个声学换能器之间的相位为
Figure FDA0003212444930000011
当第i个声学换能器与其他声学换能器之间的相位差大于0时，对应的空间标记为空间区域i，当第i个声学换能器与其他声学换能器之间的相位差小于等于0时，对应的空间标记为空间区域i+N。
7.根据权利要求4所述的一种新型坐底式声学测波装置，其特征在于，从N个声学换能器上选择三个声学换能器分别为A，B，C，其中DBC，DBA分别代表BC和BA两个声学换能器在波浪方向上的投影距离，
Figure FDA0003212444930000012
分别BC和BA的时延相位差，LBC LBA代表BC和BA两个声学换能器的距离，α代表AB和BC之间的夹角，θ代表波浪方向；
Figure FDA0003212444930000021
Figure FDA0003212444930000022
通过计算得到：
Figure FDA0003212444930000023
考虑到不同的频率f下，主波向θ(f)不同，上述表示式可以表示为：
Figure FDA0003212444930000024
8.根据权利要求4或7所述的一种新型坐底式声学测波装置，其特征在于，在每个测量时次内，每次计算取前K分钟采集数据进行计算，得到对应不同频率f点的主波向值，假设计算得到M组主波向值，分别为
θ1(f),θ2(f),θ3(f)...θM(f)；
判断主波向值出现最多的区域，统计该区域内的所有主波向值个数，计算平均值θ(f)作为一个测量时次的频率点f主波向平均值；
Figure FDA0003212444930000025
M1为区域内的波向个数，n＝1,2……M1，主波向值是在仪器坐标系得到的，需要利用电子罗盘的方位角heading，将主波向值转换到大地坐标下的主波向。
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