CN117388853B - 一种走航式雷达波浪监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及船用水文气象观测领域，公开了一种走航式雷达波浪监测系统及监测方法，系统包括安装在船体上的固定支架和安装在固定支架上的微波雷达阵列模块、运动姿态测量模块、磁罗经模块、GPS模块、数据采集控制模块、数据补偿修正模块、波浪计算模块、数据传输模块以及供电模块；微波雷达阵列模块由三个微波雷达模块组成，其中A垂直于水面安装，B和C分别安装于A的右前方和左前方，三者构成以A为顶点的等腰三角形，且三者位于同一水平高度上；模块B和模块C分别沿模块A‑B的延伸方向和模块A‑C的延伸方向倾斜安装，且与垂直方向的夹角为α。本发明所公开的系统及方法可以实现长期稳定的海上走航式常态化观测需求，提高测量准确度。
Description
技术领域
本发明涉及船用水文气象观测领域，特别涉及一种走航式雷达波浪监测系统及监测方法。
背景技术
在众多海洋观测要素中，海洋波浪是最重要且复杂的一种海洋水文要素，也是物理海洋学研究的重要内容之一，对海洋预报、海洋工程、防灾减灾、海洋权益维护、航海安全和保障海上军事等领域存在重要影响。开展波浪监测技术和方法研究，实现对波浪的高精度快速实时测量，可以有效获取海上的波浪信息，进行海况预报，有助于提高港口的灾害防范能力，为沿海港口、码头生产作业和生命财产的安全提供保障，为国家经济快速稳定增长创造条件，具有十分重要的意义。
目前，波浪现场监测的方式主要为固定点式。固定点式的监测装置包括波浪浮标、座底式多普勒流速剖面仪（ADCP）、测波杆以及GNSS测波浮标等方式，其中利用浮标对波浪进行测量时，一般采用三参数波浪估计谱的方式，通过内置的加速度计获取位移参数带入波浪谱来实现波浪的监测，该方式测量原理简单且精度较高。ADCP等水下测量仪器则是根据多普勒效应实现对水体的流速测量，后通过迭代最大似然方法估计波浪谱。实际一般通过多个高频声波发射器构成N+1个波束阵列的测量模式。其中，1为垂直测量、N为倾斜测量，且阵列法得测量数据组成更为丰富。但是上述测量波浪的方法，都难以避免和波浪或海水直接接触，这就造成仪器部署安装困难，仪器维护成本高，难以满足长期稳定的测量需求。
随着雷达技术的广泛应用，利用雷达测波的方法也逐渐成熟，目前常用的监测装置是X波段雷达测波装置，利用雷达测波实现了与海面的非接触，提高了测量效率，能够实现实时、长期稳定的测量。但是该装备使用功耗大，体积较大，测量精度低且易受天气影响。后续有三点阵列式水位计垂直测量波浪的方法缩小装置体积、降低了功率、提高了计算效率，其采用纯物理公式的方法对波浪进行数据处理，虽然提高了计算效率，但是也导致测量的精度极大地降低，同时测量波向时，测量初始点的选取不同也会造成较大的测量误差，对于多变的海上环境，难以实现走航式精确测量波浪。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种走航式雷达波浪监测系统及监测方法，以达到可以实现长期稳定的海上走航式常态化观测需求，提高测量准确度的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种走航式雷达波浪监测系统，包括安装在船体上的固定支架和安装在固定支架上的微波雷达阵列模块、运动姿态测量模块、磁罗经模块、GPS模块、数据采集控制模块、数据补偿修正模块、波浪计算模块、数据传输模块以及供电模块；所述微波雷达阵列模块由三个微波雷达模块A、B、C组成，其中微波雷达模块A垂直于水面安装，微波雷达模块B和微波雷达模块C分别安装于微波雷达模块A的右前方和左前方，三者构成以微波雷达模块A为顶点，微波雷达模块B、微波雷达模块C到微波雷达模块A的距离均为L，且夹角为β的等腰三角形，且三者位于同一水平高度上；所述微波雷达模块B和微波雷达模块C分别沿微波雷达模块A-B的延伸方向和微波雷达模块A-C的延伸方向倾斜安装，且与垂直方向的夹角为α。
上述方案中，所述微波雷达阵列模块、运动姿态测量模块、磁罗经模块、GPS模块均与数据采集控制模块进行相连，数据采集控制模块与数据补偿修正模块相连，数据补偿修正模块与波浪计算模块相连，波浪计算模块与数据传输模块相连，并通过有线或无线的形式，进行数据发送和传输；供电模块为整个监测系统提供所需的电能；
所述运动姿态测量模块安装于微波雷达模块A的顶部，用于测量微波雷达模块A的运动特性，进而对因船体姿态运动造成微波雷达信号观测产生的误差进行补偿修正；
所述磁罗经模块和GPS模块用于测量经纬度参数、协调世界时间以及微波雷达阵列模块的方位信息，磁罗经模块的基线与微波雷达模块B和C连线的法线相重合；
所述数据采集控制模块用于获取微波雷达阵列模块输出的波浪相对距离、相对位移参数，并按照统一格式进行存储，为波浪计算提供输入参数；获取运动姿态数据，为微波雷达模块测量参数优化提供矫正数据；获取微波雷达阵列模块的方位信息，为真实波浪方向提供基准点，同时，向微波雷达阵列模块发送控制命令，设置微波雷达阵列模块的监测参数；
所述数据补偿修正模块实现对微波雷达阵列模块的姿态修正、方位转换和对倾斜安装微波雷达模块测量距离的垂直映射，通过几何关系转化为采用跨零点法或谱矩法计算波浪波高、波周期所需要的数据和利用波浪方向谱计算波浪波向参数所需的数据；结合磁罗经模块和GPS模块获得的方位信息，转化为在北-东方向上波浪的实际运动状态；
所述波浪计算模块根据经过姿态优化过的微波雷达模块测量参数，采用时域分析方法或频域分析方法，获得波高和波周期相关参数，采用波浪谱理论，获得波向参数；
所述数据传输模块用于将获取的姿态信息、方位信息、波高、波周期和波向参数进行统一编码，通过有线或无线方式传输到指定客户端，同时，支持传输客户端控制命令到数据采集控制模块；
所述供电模块为上述模块的正常工作提供电能，包括蓄电池和太阳能电池板、风力发电机、燃料电池。
一种走航式雷达波浪监测方法，采用如上所述的一种走航式雷达波浪监测系统，包括如下步骤：
步骤一，将该监测系统安装固定在船体上，微波雷达阵列模块利用多普勒原理收发电磁波信号实现数据测量，利用相干与非相干积累算法提高信噪比，利用Sigma-DeltaADC技术把模拟信号转换为数字信号；
步骤二，数据采集控制模块处理数字信号得到波浪与微波雷达模块之间的相对距离参数以及波浪相对微波雷达模块的位移参数和速度参数；
步骤三，数据补偿修正模块利用运动姿态测量模块所测数据结果对上述参数进行优化补偿，得到垂直方向上波浪距离微波雷达模块的垂直高度参数；得到三维笛卡尔坐标系下，波浪与微波雷达模块沿三维坐标轴方向上的三处相对位移分量；
步骤四，利用跨零点法或谱矩法对波浪高度参数分析得到波高、波周期；采用三参数波浪谱估计法求解三维坐标系中的波浪方向；或者采用分析波浪波面变换规律的坡度分析法来确定波向；最后，结合磁罗经模块和GPS模块的方位信息优化波浪方向，得到实际以正北方向为基准的实际波浪方向；
步骤五，对姿态信息、方位信息、波高、波周期以及波向进行统一编码，之后通过无线通信的方式发送到岸边基站的指定客户端。
上述方案中，步骤二中，在雷达信号的模拟信号转变为数字信号后，对其进行处理得到波浪与微波雷达模块之间的相对距离、相对速度与相对位移参数；对于距离的处理通过分析一次收发电波信号的相位变换得到，或者通过分析收发信号之间的频率变换得到；对于速度和位移则采用发射和接收间隔固定时间的两段调频连续波脉冲，分析两次接收电波的相位变换得到。
上述方案中，步骤三中，首先，根据运动姿态测量模块测量得到的船体纵摇、横摇、升沉变化，修正微波雷达模块测量数据，优化为微波雷达阵列模块在水平面所测量的数据；之后，通过微波雷达模块安装角度，利用几何分析和矢量分析，将距离转换为垂直方向的相对距离，来得到波高，和波周期所需参数；将相对位移转换为三维坐标系(X、Y、Z)上的位移分量，实现三参数波浪谱所需位移参数的获得。
上述方案中，步骤四中，在波浪测量高度确定后，分析三个测量高度在波面上构成的三角面的坡度变换规律，统计得出波浪的移动方向；或者在三个方向的位移分量确定之后，获取一段时间的三处位移参数的时间序列，利用三参数法分析得到波浪方向；后续通过GPS模块与磁罗经模块获得真实方位数据修正三维笛卡尔坐标系内的方向角度—定义的北向坐标轴与波向所构成的角度。
上述方案中，步骤四中，坡度分析法确定波向的步骤包括：
首先，选取微波雷达阵列模块在水平面所构成的三角形水平面的法线为基准；
其次，通过三个微波雷达模块测量的三处波面的不同高度构成一个倾斜于水平面的三角形，并分析该三角形的法线；
再次，若船体发生摇晃，则通过运动姿态测量模块的数据修正上述高度参数确保使微波雷达阵列模块为水平时的测量数据；
最后，以微波雷达阵列三角形修正后的法线为垂直于水平面参考法线l1，分析微波雷达模块测量三点波面高度所构成的倾斜三角形修正后法线l2与参考法线l1的关系来得到波向。
上述方案中，上述的关系分析主要为：分析法线l2与参考法线l1之间构成的夹角变换，从而构建一个经过参考法线l1且由法线l2与l1角度变化的垂直面，此时波浪的水平移动方向就位于该垂直面与水平面相交的线上。
进一步的技术方案中，在波高、波周期确定后，选取一个周期内，法线l2与法线l1平行，夹角为零，且位于波高处之后的数据用来分析波向，具体操作如下：
以参考法线l1为Z轴在上述垂直面上建立二维坐标系，在法线重合时，开始进行数据分析，当法线l2与参考法线l1之间的夹角变大且倾向于X轴正方向时，则波浪方向为X轴负方向；当夹角变大但倾向于X轴负方向，则波浪方向为X轴正反向；
对于夹角的计算公式如下：
；
其中，和分别为微波雷达阵列平面和微波雷达模块测量三角面的法向量，
为夹角且小于等于90°。
更进一步的技术方案中，波向分析的最终结果应该以参考法线z轴，以磁罗经模块和GPS模块所得水平面真实方位信息构建三维笛卡尔坐标系，其中，x轴为东向，y轴为北向，从而确定准确的波向与正北偏离角度。
通过上述技术方案，本发明提供的一种走航式雷达波浪监测系统及监测方法具有如下有益效果：
1、对比浮标式和ADCP等触式测量技术，本发明采用微波雷达进行测量，其受天气影响小，功耗低，测量精度高，实现了海面波浪的非接触测量，极大降低了安装维护成本；并且采用三个小型微波雷达阵列极大提高了测量精度也降低测波装置的体积，便于实现走航式观测；
2、对比传统雷达测波技术，本发明采用微波雷达构成阵列，极大降低了功率，缩小了体积，提升了测量精度适合海上实时长期稳定的测量；
3、对比传统阵列水位计测量手段，本发明采用呈角度的雷达阵列进行测量，降低雷达之间的干扰，提高了波浪信息的获取丰富度且摒弃完全采用物理学公式分析波高移动来测量波向的方法，改用精确度更高，应用范围更广的波浪方向谱进行波浪的计算，或分析波浪波面坡度的精细变化得出波向，提高了装置的测量精度；
4、为了实现波浪波高、波周期以及波向的观测，本发明采用物理公式结合三参数波浪谱的方法提高波浪的监测精度。首先，选取两个雷达与波面构成测量角度，实现非垂直测量，这不仅降低了微波雷达信号之间的相互干扰，也能实现波浪相对速度、位移、距离准确测量；且一垂直加两倾斜的阵列测量方法使得监测数据组成更为丰富；
5、为了实现波浪方向的精确测量，本发明采用三参数波浪谱估计波浪方向，比起采用物理学公式直接计算，精度更高，实用性更广，且避免了物理学公式初始点选取不同所造成的误差影响；
6、为了实现波浪方向的实时测量，本发明采用研究波浪波面随波浪移动的变换规律，利用数学分析雷达阵列测量波面与雷达阵列所在水平面法线的夹角得出波浪的移动方向；
7、为了实现三参数法中位移参数的获取，利用多普勒效应，实现雷达对波浪相对速度与位移的精确测量，进而优化得到波浪谱所需的位移时间序列；
8、为了实现能够在海上复杂环境中的精确测量，本发明选择添加运动姿态测量模块、GPS模块以及磁罗经模块实现对波浪波高、波周期以及波向的物理矫正和计算。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍：
图1为本发明实施例所公开的一种走航式雷达波浪监测系统示意图；
图2为数据测量部分安装示意图；
图3为一种走航式雷达波浪监测方法流程图；
图4为微波雷达阵列俯视图；
图5为雷达测量波浪相对距离剖面示意图，(a)为垂直测量剖面图，(b)为倾斜测量剖面图；
图6为雷达测量相对位移参数示意图，(a)为倾斜测量与矫正剖面图，(b)为倾斜测量俯视图；
图7为调频连续波的频率变化率示意图；
图8为同一调频波段的电磁收发处理示意图；
图9为跨零法分析波高、波周期示意图；
图10为波浪方向谱法波浪方向俯视矫正图；
图11为坡度法雷达测量示意图，(a)为雷达测量剖面示意图，(b)为法线分析剖面示意图；
图12为坡度法实际波浪方向矫正图波浪方向示意图；
图中，1、船体；2、固定支架；3、运动姿态测量模块；4、磁罗经模块；5、GPS模块；6、太阳能电池板；7、波浪方向。
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。
本发明提供了一种走航式雷达波浪监测系统，如图1所示，由数据测量部分、数据处理部分、数据传输部分以及供电系统四部分构成，四部分通过数据传输电路连接在一起。
1、数据测量部分
如图2所示，数据测量部分包括微波雷达阵列模块、运动姿态测量模块3、磁罗经模块4、GPS模块5、数据采集控制模块，上述模块均安装在固定支架2上，并通过固定支架2安装于船体1上。
微波雷达阵列模块由三个微波雷达模块A、B、C组成，其中微波雷达模块A垂直于水面安装，微波雷达模块B和微波雷达模块C分别安装于微波雷达模块A的右前方和左前方，三者构成以微波雷达模块A为顶点，微波雷达模块B、微波雷达模块C到微波雷达模块A的距离均为L，且夹角为β的等腰三角形，β可选择在60°-90°之间；且三者位于同一水平高度上；微波雷达模块B和微波雷达模块C分别沿微波雷达模块A-B的延伸方向和微波雷达模块A-C的延伸方向倾斜安装，且与垂直方向的夹角为α。
运动姿态测量模块3安装于微波雷达模块A的顶部，用于测量微波雷达模块A的运动特性，进而对因船体姿态运动造成微波雷达信号观测产生的误差进行补偿修正。
磁罗经模块4和GPS模块5用于测量经纬度参数、协调世界时间以及微波雷达阵列模块的方位信息，磁罗经模块的基线与微波雷达模块B和C连线的法线相重合。
数据采集控制模块用于获取微波雷达阵列模块输出的波浪相对距离、相对位移参数，并按照统一格式进行存储，为波浪计算提供输入参数；获取运动姿态数据，为雷达测量参数优化提供矫正数据；获取微波雷达阵列模块的方位信息，为真实波浪方向7提供基准点，同时，向微波雷达阵列模块发送控制命令，设置微波雷达阵列模块的监测参数。
本发明实施例中，微波雷达阵列模块需要自行设计，对于雷达射频电路设置波形调制器来实现调频连续波的发射。建立以IWR6843为核心的毫米波雷达系统。运动姿态测量模块、磁罗经模块和GPS模块根据需要选择合适的型号即可。
数据采集控制模块以嵌入式为技术基础，以RS485数据传输电路，实现对雷达控制以及数据获取。芯片选型与最小系统设计：芯片选择STM32F103RCT6、最小系统包含外部晶振电路（8MHz和32.768kHz）、滤波电路（100nf旁路电容，去除高频噪声）、复位电路、层序下载电路。
数据采集控制模块电路电源管理模块设计：包含12v-5v降压电路，使用TPS543331型DC-DC非同步降压转换器，开关频率570kHz，最大输出电流3A；5v-3.3v，降压电路使用LM1117低压差稳压器，最大输出电流800mv。
2、数据处理部分
数据处理部分包括数据补偿修正模块和波浪计算模块构成。
数据采集控制模块通过数据传输电路将雷达阵列模块、运动姿态测量模块和磁罗经模块的数据输入到数据补偿修正模块；数据补偿修正模块实现对微波雷达阵列模块的姿态修正、方位转换和对倾斜安装微波雷达模块测量距离的垂直映射，通过几何关系转化为采用跨零点法或谱矩法计算波浪波高、波周期所需要的数据和利用波浪方向谱计算波浪波向参数所需的数据；结合磁罗经模块和GPS模块获得的方位信息，转化为在北-东方向上波浪的实际运动状态。
波浪计算模块需要对输入的波浪高度参数以及波浪位移参数采用时域分析方法或频域分析方法，进行处理得到波高、波周期以及波向，最终，结合GPS模块与磁罗经模块的定位信息，确定实际波向，实现对海上波浪各参数的精确监测。
3、数据传输部分
数据传输部分通过数据传输模块将采集信息和波浪各类参数信息统一编码，并通过北斗通信、通信卫星、4G/5G通信、电台等无线通信的方式发送到岸边基站的指定客户端。同时，支持传输客户端控制命令到数据采集控制模块。数据传输模块使用半双工RS-485收发器GM3085E。
4、供电部分
供电部分通过供电模块为上述模块的正常工作提供电能，包括蓄电池和、太阳能电池板6、风力发电机、燃料电池。
一种走航式雷达波浪监测方法，采用如上的一种走航式雷达波浪监测系统，如图3所示，包括如下步骤：
步骤一，将该监测系统安装固定在船体上，根据需求搭建固定支架的高度与伸出船身的长度，根据测量需求搭建雷达阵列的分配角度，如图4所示，微波雷达模块A垂直向下测量，微波雷达模块B、C测量方向与垂直面的夹角α可调，B、C与A构成以A为顶点的夹角为β；A到B之间的距离LAB与A到C之间的距离LAC相等，构建为等腰直角三角形；微波雷达模块B、C之间距离LAB的法线需要经过微波雷达模块A。上述设置可以使得本装置最大限度的适应实际测量环境以及提高波浪数据得准确度。此处选用波浪谱分析波向，令夹角β为90°，该设置能够得到更多有关波浪的信息，也能够简化微波雷达模块测量数据的矫正计算，是对定向波浪测量的最优夹角。
之后将运动姿态测量模块、GPS模块和磁罗经模块分别安装固定在微波雷达模块A的顶部和LAB的法线上，磁罗经模块的法线也经过微波雷达模块A，如此便于能为测量数据提供精确的补偿数据，若选用太阳能电池板则应部署于微波雷达阵列模块上方。
微波雷达阵列模块通过发射天线发射一段调频的电磁波信号，用接收天线接收该电磁波经过水面反射的信号，通过采集电路利用相干与非相干积累算法提高信噪比，并通过Sigma-Delta ADC技术把模拟信号转换为数字信号。
微波雷达模块采集波浪高度参数如图5所示，通过两个倾斜微波雷达模块B、C（图5中（b）所示）与一个垂直微波雷达模块A（图5中（a）所示）得到三个位置的波浪高度参数。
由于波浪起伏的影响，不同位面的测量信息会造成较大误差，根据波浪相对距离时间序列与相对位移时间序列在时域的相关性，对于波浪相对位移参数的测量应当在分析得到波浪的周期之后开始；微波雷达模块采集波浪速度及位移参数如图6中（a）所示，获取波浪一个周期内，从上向下穿过零点的位置开始的测量数据进行分析，不仅可以得到较为准确的相对位移矢量数据，也能够通过测量初始位移矢量方向为波浪方向的计算提供一定程度的先验信息。
步骤二，三个微波雷达模块采集到的数字信号经数据采集控制模块处理为波浪与微波雷达模块之间的相对距离、波浪相对雷达的位移参数和速度，等待进行数据优化。
本装置所用微波雷达模块为调频连续波雷达，如图7所示，fc为起始频率，B为带宽，T为持续时间，S为频率变化率。
如图8所示，微波雷达模块在进行测量时，会通过发射天线射出一段调频连续波（TX），一定时间τ后经探测目标反射，接收天线收到该调频连续波的回波（RX），通过混频器进行处理得到混频信号IF。因此可通过分析一次收发信号进行分析得到目标的距离；分析两次接收信号得到目标位移。
（1）距离计算
(1)；
其中，RX（接受天线）与TX（发射天线）之间的时间差为τ，距离为d，光速为c；
对于时间的计算则采用两天线频率之差Δf确定，由图7可以得到：
(2)；
因此微波雷达模块与目标间的距离为：
(3)。
（2）速度与位移计算
由图8可知此时的IF信号的初始相位Φ0为RX与TX起始频率相位之差，因此可得：
(4)；
由式(1)可得
(5)；
由上述分析，若我们发射两个间隔TC调频脉冲，分析RX接收到的两个脉冲相位得差值接可以得到目标物体的移动位移参数，可得：
(6)；
其中，L为目标的移动距离，ΔΦ为两个脉冲之间的相位差。v为目标相对移动速度。因此，通过上述雷达信号的分析就可以得到波浪相对于微波雷达模块距离、速度以及相对位移。
步骤三，通过运动姿态测量模块所测量的数据结果对微波雷达模块所得到的测量数据进行优化补偿，最终得到垂直水平面的波浪距离微波雷达模块的垂直高度参数、得到在水平面以微波雷达模块A为轴心构成的三维笛卡尔坐标系中，垂直方向z和相互垂直的两个方向x、y上，波浪与微波雷达模块的相对位移分量—波浪的水平位移分量。
数据测量：
运动姿态测量模块应当随时测量船体的运动姿态数据（纵摇、横摇、升沉），分析雷达阵列测量的变化角度，修正微波雷达模块测量数据的误差。
磁罗经与GPS模块则用于确定本装置的实时位置信息以及真实北-东的方位信息。
数据处理与补偿分析：
1) 波浪与雷达的相对距离分析处理
由于海面不是水平光滑的，电磁波在经过海面反射后会变得发散，导致收到的信号较弱，会给数据分析带来不必要的误差。因此，本装置采用通道积累的方法提高信噪比；采用相参积累法，利用平均多次相位关系一致的信号，体高信噪比，减少信号频率偏移造成的误差，一般被用于对目标速度的测量。非相干积累不考虑相位关系，因此本装置将多个雷达天线单元的信号进行合并处理来提高信噪比，对于本装置的使用环境来说，非相干积累法适用于在低信噪比的环境下提高信噪比，提高雷达的分辨率。对采集到的数据通过Sigma-Delta ADC实现模拟信号得到数字信号的转换；
对于采集数据进行补偿运算，由于B、C两个微波雷达模块不是垂直测量的，因此需要运用几何方法进行修正。如图5所示，微波雷达模块测得是某一个时刻波面和雷达之间的距离，对于跨零点法与谱矩法来说，该参数无法分析得到波浪高度，需要通过下述公式进行修正。得到垂直相对高度ht：
(7)；
实际环境下，船体不是固定的，因此需要先分析运动姿态测量模块的测量数据，修正船体起伏、纵摇、横摇等位置变化引起的误差，通过几何计算将微波雷达模块测量数据修正为垂直剖面的上的数据在进行上述运算。
2) 波浪水平位移分量分析处理
首先，分析雷达的多普勒效应计算得到相对位移参数；
其次，通过运动姿态测量模块的采集数据修正得到垂直剖面的相对位移参数；
再次，根据波浪谱的计算需求，通过几何关系得到水平表面的波浪的相对位移，得到北向、东向的位移参数。
如图6所示，通过微波雷达模块安装角度α，几何分解位移矢量如下：
水平位移分量Lt(B\C)： (8)；
其中，Lt为水平位移分量 。
如图6中（b）所示，由于微波雷达模块之间的夹角为90°，三维坐标系下微波雷达模块B、C就分别位于X轴与Y轴上，所以水平位移分量LtB与LtC就是三参数法所需的位移参数。
步骤四，利用跨零点法或谱矩法对波浪高度参数分析得到波高、波周期；采用三参数波浪谱估计法求解三维坐标系中的波浪方向；或者采用分析波浪波面变换规律的坡度分析法来确定波向；以上数据均要结合磁罗经模块和GPS模块的方位信息优化波浪方向，得到实际与正北方向为基准的实际波浪方向。
（1）波高、波周期的分析与处理
谱矩法：
如图9所示，跨零点法适用范围较广，容易分析。通过统计一段时间内的波浪高度参数、波浪周期参数的特征值来确定波浪的波高、波周期。因此，本发明此处采用了第二种计算波高、波周期的方法，即利用波浪频谱，通过谱矩的方式同样在统计意义上计算得到波高、波周期。波浪频谱主要指波浪能量随频率的分布，首先通过快速傅里叶变换将波浪高度时间序列由时域转换为频域信息，对于周期性信号，还需在某一频率上进行截断处理，利用傅里叶级数得到波浪的功率密度谱，也就是波浪的频谱。具体公式如下：
对于实值记录的数据x(t)的无限傅里叶变换为：
(9)；
假设波浪的垂直变换是一个平稳过程，且不是无限时间的，因此可的有限时间的傅里叶变换为：
(10)；
本装置以垂直位移时间序列为例，利用快速傅里叶变换分析波浪频谱。本装置所用微波雷达模块的采集频率为fs=10Hz，因此在固定时间T内，采集样本数量为N=h0，h1，h2，…因此位移样本数据可表示为：
(11)；
其中Δt=1/f s为采样时间；
对于本装置记录的一定时间内的离散的波浪高度参数x(t)进行傅里叶变换可得：
(12)；
其中， a=Δt；；
对于离散的频率值有：；
所以可以得到这些频率对应的傅里叶分量，也就是幅度值；
(13)；
本装置采用Hanning Windows窗函数，利用窗口系数wk对波浪粗谱进行顺滑处理。在使用时，为了归一化处理数据，应当对窗口系数进行优化处理：
(14)；
因此，傅里叶变换结果（幅度值）的最终表达式为：
(15)；
在分析信号能量谱密度时，对于有限能量信号，其信号的密度谱就是傅里叶变换幅度的平方。因此对于波浪离散时间内的有限个高度参数可以被看作是周期性的信号，所以对傅里叶变换的频率做截半处理，获得有限个频率数据，可得波浪频谱为：
(16)；
之后，利用谱矩求解波浪参数，一般n阶谱矩的定义为：
(17)；
其中，S( f )为功率密度谱，f为频率；
对于本装置来说，0阶矩就是n=0，f 0 =1时的值：
(18)；
谱矩与波浪各统计值之间的关系如下：
1) 有义波高：；
2) 平均波高：；
3) 平均十一波高：；
4) 平均周期：；
5) 峰周期：；
此时即可实现对波浪波高、波周期的监测。
（2）波浪方向分析与处理
本发明提出了两种波向测量方法，一种是波浪方向谱，一种是坡度分析法。
（一）波浪方向谱
如图6所示，根据上述方法确定的波周期来选取目标位置之后的一段位移时间序列进行分析，并确定其初始的水平位移矢量；在处理分析得到三维坐标系下北向、东向以及垂直方向的位移时间序列之后，进而能够根据三参数波浪谱估计法得到准确的波浪的方向；从目标零点处采集到的初始波浪位移矢量信息也可以作为先验信息，进一步提高波向的监测精度。
以垂直方向的位移ht的时间序列，定义北向位移LtC的位移时间序列与定义东向位移LtB的时间序列为输入，采用的是截断傅里叶系列分析波浪方向谱。具体公式如下：
(19)；
其中，S(f , θ)表示波浪方向谱；S( f )表示波浪频谱；f为频率；G(f , θ)表示为方向的方向分布函数一般如下表示：
(20)；
其中，a0、an、bn为系数。
波浪方向谱是通过波浪频谱与波浪方向分布函数共同得到，因此，从北、东和垂直的位移时间序列开始处理，计算其相关联的傅里叶级数。每个傅里叶级数均通过多个傅里叶系数组成，这些系数同时包含实部和虚部。因此，对三个参数的频率f的六个傅里叶分量可如下表示：
；
；
； (21)；
在上述基础上，可以通过下式为例，构成他们的共相谱与异相谱。
共相谱为：；
异向谱为：；
通过上述处理我们能够分别获取共相谱与异相谱各九个分量，通过对波浪物理状
态的分析，对于异相谱，一般取；
所以最终获得的分量如下
与；
因此结合给定分量我们可以得到；
；
对于波浪方向分布函数归一化处理后可表示为：
(22)；
其中，；
；
故此时，在频谱S( f )和波浪方向分布函数G(f , θ)已知的情况下，通过式子
(19)可得波浪的方向谱，进而得到波浪的传播方向以及其与三维坐标轴北向的夹角θ。如图
10所示，由于此时得到的方向是由定义的北向、东向为基准计算的，因此还应该根据磁罗经
与GPS定位的实际方位换算方位角，若此时GPS与磁罗经所得实际北向坐标轴与三维坐标系
定义北向水平面偏差角度为，因此可以得到实际波浪方向偏移北向坐标轴的角度为可如下表示：
(23)。
（二）坡度分析法
因为真实海上波浪的一侧波面并不是成一条直线，波面上不同高度处的切线斜率以及斜率的法线是不同的。分析微波雷达模块测量面法线（法向量）与垂直面得法线夹角的变换来分析波浪的变换，从而实现对波向的监测。当利用该方法进行测量时，为了获得更多的波浪信息，雷达阵列模块在是水平面的投影为等边三角形时效果最佳。
根据上述波浪特征，如图11中(a)所示，本发明采用三个微波雷达模块测量波浪的实时相对微波雷达模块的距离，若这三个点同时位于波浪一侧的波面上时，则微波雷达模块的三个测量点在波面上构成的三角面的法线也是随着波浪移动在不断变换的，如图11中(b)所示，分析该三角面的法线变换就能够得到波浪方向。因此经过上分析，利用该特征本发明采取的步骤如下：
首先，我们选取雷达阵列在水平面所构成的三角形水平面的法线为基准；
其次，通过三个微波雷达模块测量的三处波面的不同高度构成一个倾斜于水平面的三角形，并分析该三角形的法线；
再次，若船体发生摇晃，则通过运动姿态测量模块的数据修正上述高度参数确保时雷达阵列为水平时的测量数据；
最后，以雷达阵列三角形修正后的法线为垂直于水平面参考法线l1，分析微波雷达模块测量三点波面高度所构成的倾斜三角形修正后法线l2与参考法线l1的关系来得到波向。
上述的关系分析主要为：分析法线l2与参考法线l1之间构成的夹角变换，从而构建一个经过法线l1且由法线l2与l1角度变化的垂直面。此时波浪的水平移动方向就位于该垂直面与水平面相交的线上。
在上述波浪分析时，我们得出波浪的法线夹角时间序列与相对高度时间序列在时域上具有相关性，且确定了数据的获取位置。因此，在波高、波周期确定后，选取一个周期内，法线l2与法线l1平行，夹角为零，且位于波高处之后的数据用来分析波向，具体操作如下：
以参考法线l1为Z轴在上述垂直面上建立二维坐标系。在法线重合时，开始进行数据分析，当法线l2与法线之间的夹角变大且倾向于X轴正方向时，则波浪方向为X轴负方向；当夹角变大但倾向于X轴负方向，则波浪方向为X轴正反向。当然在进行上述数据分析时，不是一开始就得到波向的，需要分析一段时间内的数据变换规律，统计分析才能得到最终结果；
此处虽然描述为法线的夹角，实则任何与法线平行，垂直于微波雷达模块测量三角面得垂线均可以。对于夹角得计算，采用的方法是利用数学原理，求解雷达阵列面与微波雷达模块测量三角面所构成的夹角就是上述法线的夹角。公式如下：
(24)；
其中，和分别为雷达
阵列平面和微波雷达模块测量三角面得法向量，为夹角且一般小于等于90°。
通过数学分析可知，本发明描述得三角面法线其实也可以被表示为法向量。为了描述和理解方便，本发明此处统称为法线。
上述分析的最终结果还应该以参考法线z轴，以磁罗经和GPS所得水平面真实方位信息构建三维笛卡尔坐标系，如图12所示，以x轴为东向，y轴为北向，确定其准确的波向与正北偏离角度。
步骤五，在上述工作完成之后，数据传输模块对姿态信息、方位信息、波高、波周期以及波向进行统一编码，之后通过北斗通信、通信卫星、4G/5G通信、电台等无线通信的方式发送到岸边基站的指定客户端。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种走航式雷达波浪监测系统，其特征在于，包括安装在船体上的固定支架和安装在固定支架上的微波雷达阵列模块、运动姿态测量模块、磁罗经模块、GPS模块、数据采集控制模块、数据补偿修正模块、波浪计算模块、数据传输模块以及供电模块；所述微波雷达阵列模块由三个微波雷达模块A、B、C组成，其中微波雷达模块A垂直于水面安装，微波雷达模块B和微波雷达模块C分别安装于微波雷达模块A的右前方和左前方，三者构成以微波雷达模块A为顶点，微波雷达模块B、微波雷达模块C到微波雷达模块A的距离均为L，且夹角为β的等腰三角形，且三者位于同一水平高度上；所述微波雷达模块B和微波雷达模块C分别沿微波雷达模块A-B的延伸方向和微波雷达模块A-C的延伸方向倾斜安装，且与垂直方向的夹角为α；
所述微波雷达阵列模块、运动姿态测量模块、磁罗经模块、GPS模块均与数据采集控制模块进行相连，数据采集控制模块与数据补偿修正模块相连，数据补偿修正模块与波浪计算模块相连，波浪计算模块与数据传输模块相连，并通过有线或无线的形式，进行数据发送和传输；供电模块为整个监测系统提供所需的电能；
所述运动姿态测量模块安装于微波雷达模块A的顶部，用于测量微波雷达模块A的运动特性，进而对因船体姿态运动造成微波雷达信号观测产生的误差进行补偿修正；
所述磁罗经模块和GPS模块用于测量经纬度参数、协调世界时间以及微波雷达阵列模块的方位信息，磁罗经模块的基线与微波雷达模块B和C连线的法线相重合；
所述数据采集控制模块用于获取微波雷达阵列模块输出的波浪相对距离、相对位移参数，并按照统一格式进行存储，为波浪计算提供输入参数；获取运动姿态数据，为雷达测量参数优化提供矫正数据；获取微波雷达阵列模块的方位信息，为真实波浪方向提供基准点，同时，向微波雷达阵列模块发送控制命令，设置微波雷达阵列模块的监测参数；
所述数据补偿修正模块实现对微波雷达阵列模块的姿态修正、方位转换和对倾斜安装微波雷达模块测量距离的垂直映射，通过几何关系转化为采用跨零点法或谱矩法计算波浪波高、波周期所需要的数据和利用波浪方向谱计算波浪波向参数所需的数据；结合磁罗经模块和GPS模块获得的方位信息，转化为在北-东方向上波浪的实际运动状态；
所述波浪计算模块根据经过姿态优化过的微波雷达模块测量参数，采用时域分析方法或频域分析方法，获得波高和波周期相关参数，采用波浪谱理论，获得波向参数；
所述数据传输模块用于将获取的姿态信息、方位信息、波高、波周期和波向参数进行统一编码，通过有线或无线方式传输到指定客户端，同时，支持传输客户端控制命令到数据采集控制模块；
所述供电模块为上述模块的正常工作提供电能，包括蓄电池和太阳能电池板、风力发电机、燃料电池。
2.一种走航式雷达波浪监测方法，采用如权利要求1所述的一种走航式雷达波浪监测系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，将该监测系统安装固定在船体上，微波雷达阵列模块利用多普勒原理收发电磁波信号实现数据测量，利用相干与非相干积累算法提高信噪比，利用Sigma-Delta ADC技术把模拟信号转换为数字信号；
步骤二，数据采集控制模块处理数字信号得到波浪与微波雷达模块之间的相对距离参数以及波浪相对微波雷达模块的位移参数和速度参数；
步骤三，数据补偿修正模块利用运动姿态测量模块所测数据结果对上述参数进行优化补偿，得到垂直方向上波浪距离微波雷达模块的垂直高度参数；得到三维笛卡尔坐标系下，波浪与微波雷达模块沿三维坐标轴方向上的三处相对位移分量；
步骤四，利用跨零点法或谱矩法对波浪高度参数分析得到波高、波周期；采用三参数波浪谱估计法求解三维坐标系中的波浪方向；或者采用分析波浪波面变换规律的坡度分析法来确定波向；最后，结合磁罗经模块和GPS模块的方位信息优化波浪方向，得到实际以正北方向为基准的实际波浪方向；
步骤五，对姿态信息、方位信息、波高、波周期以及波向进行统一编码，之后通过无线通信的方式发送到岸边基站的指定客户端。
3.根据权利要求2所述的一种走航式雷达波浪监测方法，其特征在于，步骤二中，在雷达信号的模拟信号转变为数字信号后，对其进行处理得到波浪与测量雷达之间的相对距离、相对速度与相对位移参数；对于距离的处理通过分析一次收发电波信号的相位变换得到，或者通过分析收发信号之间的频率变换得到；对于速度和位移则采用发射和接收间隔固定时间的两段调频连续波脉冲，分析两次接收电波的相位变换得到。
4.根据权利要求2所述的一种走航式雷达波浪监测方法，其特征在于，步骤三中，首先，根据运动姿态测量模块测量得到的船体纵摇、横摇、升沉变化，修正微波雷达模块测量数据，优化为微波雷达阵列模块在水平面所测量的数据；之后，通过微波雷达模块安装角度，利用几何分析和矢量分析，将距离转换为垂直方向的相对距离，来得到波高，和波周期所需参数；将相对位移转换为三维坐标系(X、Y、Z)上的位移分量，实现三参数波浪谱所需位移参数的获得。
5.根据权利要求2所述的一种走航式雷达波浪监测方法，其特征在于，步骤四中，在波浪测量高度确定后，分析三个测量高度在波面上构成的三角面的坡度变换规律，统计得出波浪的移动方向；或者在三个方向的位移分量确定之后，获取一段时间的三处位移参数的时间序列，利用三参数法分析得到波浪方向；后续通过GPS模块与磁罗经模块获得真实方位数据修正三维笛卡尔坐标系内的方向角度—定义的北向坐标轴与波向所构成的角度。
6.根据权利要求2所述的一种走航式雷达波浪监测方法，其特征在于，步骤四中，坡度分析法确定波向的步骤包括：
首先，选取微波雷达阵列模块在水平面所构成的三角形水平面的法线为基准；
其次，通过三个微波雷达模块测量的三处波面的不同高度构成一个倾斜于水平面的三角形，并分析该三角形的法线；
再次，若船体发生摇晃，则通过运动姿态测量模块的数据修正上述高度参数确保使微波雷达阵列模块为水平时的测量数据；
最后，以微波雷达阵列三角形修正后的法线为垂直于水平面参考法线l1，分析微波雷达模块测量三点波面高度所构成的倾斜三角形修正后法线l2与参考法线l1的关系来得到波向。
7.根据权利要求6所述的一种走航式雷达波浪监测方法，其特征在于，上述得到波向的方法为：分析法线l2与参考法线l1之间构成的夹角变换，从而构建一个经过参考法线l1且由法线l2与l1角度变化的垂直面，此时波浪的水平移动方向就位于该垂直面与水平面相交的线上。
8.根据权利要求7所述的一种走航式雷达波浪监测方法，其特征在于，在波高、波周期确定后，选取一个周期内，法线l2与法线l1平行，夹角为零，且位于波高处之后的数据用来分析波向，具体操作如下：
以参考法线l1为Z轴在上述垂直面上建立二维坐标系，在法线重合时，开始进行数据分析，当法线l2与参考法线l1之间的夹角变大且倾向于X轴正方向时，则波浪方向为X轴负方向；当夹角变大但倾向于X轴负方向，则波浪方向为X轴正反向；
对于夹角的计算公式如下：
；
其中，和/>分别为微波雷达阵列平面和微波雷达模块测量三角面的法向量，/>为夹角且小于等于90°。
9.根据权利要求8所述的一种走航式雷达波浪监测方法，其特征在于，波向分析的最终结果应该以参考法线z轴，以磁罗经模块和GPS模块所得水平面真实方位信息构建三维笛卡尔坐标系，其中，x轴为东向，y轴为北向，从而确定准确的波向与正北偏离角度。
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