CN2890954Y - 船载海气动量通量自动测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及的船载海气动量通量自动测量系统包括传感器、数据采集处理装置和固定支架。包括超声风速计、姿态传感器和电子罗盘的传感器以及GPS接收天线安装在固定支架上，通过电缆与数据采集处理装置的数据采集器相连。风速计安装杆不同位置上安装三个超声风速计。数据采集器的单片机定时采集各传感器的数据，并且实时地将数据以4～20Hz的频率传送给计算机，这些数据包括三个三维风矢量、三维角速度、三维轴向加速度、船体的摇摆角和倾斜角、航向和GPS模块测得的船速。计算机负责接收、存储实时测量数据，并根据这些数据计算海气动量通量。

Description

船载海气动量通量自动测量系统

技术领域

本实用新型涉及测量装置，特别是涉及测量大气和海洋之间动量通量的装置。

背景技术

海洋和大气同是气候系统的成员，其相互作用对全球气候变化有着重要影响。海洋和大气之间的海气交换是当前气候系统各圈层相互作用研究的重点之一。海气交换包括在海气界面产生的动量通量、热通量和物质通量的交换，是实现海洋和大气相互作用的主要途径，是影响全球气候变化的重要机制。

在相互制约的大气和海洋系统中，海洋主要通过向大气输送热量，来影响大气运动。大气主要通过风应力向海洋提供动量，改变洋流的运动及重新分配海洋的热含量。因此大气与海洋的相互作用中，大气对海洋的作用主要是动力的，称动量通量交换；海洋对大气的作用主要是热力的，称热通量交换。

海气界面动量通量的测量和研究对保护海洋生态环境、研究大气波导特性和提高海洋大气耦合数值模式预报能力等方面具有重要应用价值和科学意义。

目前，海气界面动量通量的测量主要采用下述两种方法：块体参数化方法和惯性耗散方法。

1、块体参数化方法

块体参数化方法是通过测量一定水体的海气界面湍流变化来推算海气界面动量通量。根据莫宁-奥布霍夫相似性理论导出了块体参数化海气动量通量交换模式。

块体参数化方法的主要缺点在于测量结果的获得需要依据经验确定湍流交换系数C_D。由于湍流的随机性，湍流交换系数具有不确定性，使该方法的观测结果存在30％～50％的不确定误差。另外，仪器时序记录的可变性和调查船运动的影响也是产生测量误差的重要原因；同时，海浪的存在将影响海面应力，诱导波生应力的产生，改变海面拖曳系数的垂直分布，进而影响湍流交换系数和测量精度。海气湍流通量的观测结果对湍流交换系数的选取非常敏感，湍流交换系数的精确确定，是提高块体参数化方法测量精度的关键，但是，实践证明选择合适的湍流交换系数对于船基系统是难以实现的。

2、惯性耗散方法

惯性耗散方法引入谱分析处理技术，通过对风速测量值的高频脉动进行谱分析来确定海气界面动量通量。该方法需要增加额外的参数(如空气与海洋温度差)才能确定通量的方向。此方法局限于各向同性湍流通量的计算，应用于海气界面动量通量的计算会导致较大的误差。

现有海气界面动量通量的测量方法不是直接进行自动测量来获得海气界面动量通量，而是通过多种海洋环境参数进行计算，必须引入海水温度、海面光滑度、海浪与海流等海洋和大气界面相互作用的多种海洋参数。这些参数一般数量较多，难以精确测定，而且又依赖于实际海水状况，因此现有技术的海气界面动量通量的测量方法只能得到海气动量通量的有偏估计。

将直接协方差方法用于海气界面动量通量的直接测量正在处于进一步研究中，它是根据动量通量的原始定义，直接测量三维风速矢量的脉动值，由获取的脉动资料的时间序列进行统计相关平均，获得海气界面动量通量。直接协方差方法用于海气界面动量通量的直接测量，必须要有准确测量风速矢量梯度脉动值并消除载体影响(如船体运动)的测量仪器设备，然而，目前尚没有这样的测量仪器设备。

发明内容

针对以现有技术测量海气界面动量通量中所存在的问题，本实用新型专利推出由三维超声风速计与船体运动测量单元组成的船载海气动量通量自动测量系统，采取直接协方差法，实现海气界面动量通量的直接测量。

本实用新型所涉及的船载海气动量通量自动测量系统采用直接协方差法为基本测量方法，利用快速响应三维超声风速计直接测量风速的脉动值，由获取的脉动资料的时间序列进行统计相关平均，并使用了运动补偿算法消除了船体运动的影响，获得海气界面动量通量。其优点是它可以直接测量海气界面动量通量，无需任何经验参数，测量结果比较准确，它代表未来海气界面动量通量直接实时自动测量的发展方向。该装置可以架装在相关舰船和海上石油平台上，改变了过去一直不能直接得到海气界面动量通量和需要人工观测的状况，为海气界面通量的研究创造了有利条件。

直接协方差方法通过直接测量海洋表面的三维风向量便可得到海气界面动量通量τ。

假设利用某个三维超声风速计在t时刻同时测量出u、v、w方向上的风速值u_i(t)，v_i(t)，w_i(t)(i＝1，2，3；t＝1，2，3…N-1，N)，并且在一段时间内(例如10分钟，每秒测量20次，则N＝200)测量了N组数据，则可得到三维风速的均值为。

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{u}=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i\left(t\right)\\ \stackrel{\‾}{v}=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i\left(t\right)\\ \stackrel{\‾}{w}=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\left(t\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

则t时刻风速相对其均值的变化如式(2)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_i^{\′}\left(t\right)=u_i\left(t\right)-\stackrel{\‾}{u}\\ v_i^{\′}\left(t\right)=v_i\left(t\right)-\stackrel{\‾}{v}\\ w_i^{\′}\left(t\right)=w_i\left(t\right)-\stackrel{\‾}{w}\end{array}\right.---\left(2\right)$

根据(1)和(2)式，这一段时间内海气动量通量的计算方法如(3)式所示。

$\mathrm{\τ}=-\mathrm{\ρ}\frac{1}{N}[\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i^{\′}\left(t\right)\·w_i^{\′}\left(t\right)X+\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i^{\′}\left(t\right)\·w_i^{\′}\left(t\right)Y]---\left(3\right)$

其中：ρ为空气密度(视为常数)；u_i′、v′_i和w′_i分别为纵向、横向和垂直方向海面风速对其均值的变化；

代表纵向(风的方向)应力分量。

利用(3)式就可以计算某段时间内的海气动量通量τ，单位是N/S^-2。其中，u_i(t)，v_i(t)，w_i(t)可由快响应的三维超声风速计获得。

由于是船基系统，要得到真实的三维风向量必须剔除船体运动对其的影响。这些影响来源于以下三个方面：

船体的前后颠簸、左右摇摆和航向引起的风速计即时倾斜。

船体的摇摆而带动风速计相对于船体参考系角速度的变化。

船体相对于固定参考系的移动速度。

使用紧耦合系统消除上述因素引起的测量误差，真实的海面风矢量V_true可以表示为：

               V_true＝TV_obs+Ω×TR+V_mot       (4)

其中V_obs为三维风速计相对于船体测得的风速矢量，T为由测量坐标系到真实风速坐标系的变换矩阵；Ω为船体相对于自己重心旋转、俯仰和摇摆的三维转动角速度矢量；V_mot是风速计重心相对于海面的移动速度矢量，R是三维风速计相对于运动测量单元的位置向量。

本实用新型涉及的船载海气动量通量自动测量系统包括传感器、数据采集处理装置和固定支架。

传感器包括三维超声风速计、姿态传感器、电子罗盘。

数据采集处理装置包括前端数据采集器和计算机。

安装在固定支架上的超声风速计、姿态传感器、电子罗盘和GPS(全球定位系统)接收天线，通过电缆与数据采集器相连，数据采集器使用通讯电缆以RS422形式与计算机通讯连接。

固定支架提供对传感器的支撑，其主体结构采用角铁和镀锌钢管，外部涂有防锈油漆，以减轻海上盐雾造成的腐蚀。

固定支架的组成包括主支架、支架垂直杆、支架底座、支架延伸轴和风速计安装杆。风速计安装杆和支架垂直杆直立设置，风速计安装杆上相间安装三个超声风速计，最上面和最下面的超声风速计可以沿Z轴调节相对位置。支架垂直杆的底端设置支架底座，支架垂直杆顶端安装GPS天线。支架延伸轴水平设置，固定在风速计安装杆和支架垂直杆的中部并与风速计安装杆和支架垂直杆垂直。主支架呈三角形结构，设置在支架延伸轴的下面和风速计安装杆与支架垂直杆之间，以固定主支架、支架延伸轴、风速计安装杆和支架垂直杆的相对位置，并使固定支架稳固。固定支架通过各部分上的定位通孔，由螺栓连接固定在一起。支架延伸轴、风速计安装杆、支架垂直杆上分别设置有不同位置的定位通孔，通过不同的定位通孔所安装的固定支架使主支架、支架延伸轴、风速计安装杆、支架垂直杆具有不同的相对位置。

固定支架的设计具有三个自由度，结构简洁，重量轻，便于安装和拆卸，运输方便。需要检修各传感器时，先将固定支架各部分的顶丝松开，此时风速计安装杆可以带动支架延伸轴沿X轴转动；然后将主支架沿Z轴向上移动后再进行转动，就可以将风速计安装杆移动到船甲板上，方便工作人员进行检修。

超声风速计用于快速测量三维超声风速值，输出速率采用4～20Hz命令可调节方式，提高了风速变化响应的灵敏度。

姿态传感器是供航行船只使用的陀螺测量仪，与罗盘构成运动测量单元。运动测量单元水平设置在主支架的横杆上，采集船体的运动姿态，包括三维加速度、三维角速度、横滚角、俯仰角和航向。

GPS天线负责接收卫星的定位信号，传递给位于数据采集器内的GPS模块，GPS模块给出当前船速、经纬度并将数据实时地传输给数据采集器。

数据采集处理装置的数据采集器按时序和固定的频率采集上述各传感器输出的数据，按照预定通信协议以RS422方式实时地传送给上位计算机进行数据的存储和动量通量的计算。

数据采集器使用的采集控制单片机为C8051F020，具有外扩32KB的外部存储器。开关电源输出5V和12V两种电压，12V电压给各测量传感器供电，5V电源使用电源管理芯片变换成3V电源，给GPS模块、单片机、外部存储器和串口芯片供电。三个超声风速计、GPS天线、姿态传感器和电子罗盘的输出信号形式是RS232，通过串口芯片与单片机的总线接口进行数据的收发通信，单片机定时采集各传感器的数据，并且实时地将数据传送给计算机。这些数据包括三个三维风矢量、三维角速度、三维轴向加速度、船体的摇摆角和倾斜角、航向和GPS模块测得的速度。计算机负责接收、存储实时测量数据，并根据这些数据计算海气动量通量。

附图说明

图1为船载海气动量通量自动测量系统外部连接结构示意图。

图2为船载海气动量通量自动测量系统内部组成框图。

图中标记说明：

1、三维超声风速计          2、风速计安装杆

3、电缆                    4、主支架

5、运动测量单元箱体        6、姿态传感器

7、电子罗盘                8、GPS天线

9、支架垂直杆              10、支架延伸轴

11、数据采集器             12、支架底座

13、计算机数据交互电缆     14、计算机

具体实施方式

图1和图2分别显示本实用新型涉及的船载海气动量通量自动测量系统的外部连接结构示意图和内部组成框图。

如图所示，本实用新型涉及的船载海气动量通量自动测量系统包括传感器、数据采集处理装置和固定支架。

数据采集处理装置包括数据采集器11和计算机14。

安装在固定支架上的三维超声风速计1、姿态传感器6、电子罗盘7和GPS接收天线8，分别通过电缆与数据采集器11相连，数据采集器11使用通讯电缆13以RS422形式与计算机14通讯连接。

固定支架的组成包括主支架4、支架垂直杆9、支架底座12、支架延伸轴10和风速计安装杆2。风速计安装杆2和支架垂直杆9直立设置，风速计安装杆2上相间安装三个超声风速计1，支架垂直杆9的底端设置支架底座12，支架垂直杆9顶端安装GPS天线8。支架延伸轴10水平设置，固定在风速计安装杆2和支架垂直杆9的中部并与风速计安装杆2和支架垂直杆9垂直。主支架4呈三角形结构，设置在支架延伸轴10的下面与风速计安装杆2和支架垂直杆9之间。固定支架通过各部分上的定位通孔，由螺栓连接固定在一起。支架延伸轴10、风速计安装杆2、支架垂直杆9上分别设置有不同位置的定位通孔，通过不同的定位通孔所安装的固定支架使主支架4、支架延伸轴10、风速计安装杆2、支架垂直杆9具有不同的相对位置。

超声风速计用于快速测量三维超声风速值，输出速率采用4～20Hz命令可调节方式，提高了风速变化响应的灵敏度。

姿态传感器6与电子罗盘7构成的运动测量单元水平设置在主支架4的横杆上。

GPS天线接收的卫星定位信号，传递给位于数据采集器内的GPS模块，GPS模块给出当前船速、经纬度并将数据实时地传输给数据采集器。

数据采集器11使用的采集控制单片机是C8051F020，外扩32KB的外部存储器。开关电源输出5V和12V两种电压，12V电压给各测量传感器供电，5V电源使用电源管理芯片变换成3V电源，给GPS模块、单片机、外部存储器和串口芯片供电。三个超声风速计、GPS天线、姿态传感器和电子罗盘的输出信号形式是RS232，通过串口芯片与单片机的总线接口进行数据的收发通信，单片机定时采集各传感器的数据，并且实时地将数据以4～20Hz的频率传送给计算机，这些数据包括三个三维风矢量、三维角速度、三维轴向加速度、船体的摇摆角和倾斜角、航向和GPS模块测得的速度。计算机负责接收、存储实时测量数据，并根据这些数据计算海气动量通量。

Claims (6)

1、一种船载海气动量通量自动测量系统，其特征在于，包括传感器、数据采集处理装置和固定支架，固定支架提供对传感器的支撑，传感器的超声风速计、姿态传感器和电子罗盘以及GPS接收天线安装在固定支架上，分别通过电缆与数据采集器相连。

2、根据权利要求1所述的船载海气动量通量自动测量系统，其特征在于固定支架的组成包括主支架、支架垂直杆、支架底座、支架延伸轴和风速计安装杆，风速计安装杆和支架垂直杆直立设置，主支架呈三角形结构并设置在支架延伸轴的下面，位于风速计安装杆和支架垂直杆之间，支架垂直杆的底端设置支架底座，支架延伸轴水平设置并通过套筒固定在风速计安装杆和支架垂直杆上。

3、根据权利要求2所述的船载海气动量通量自动测量系统，其特征在于，姿态传感器与电子罗盘构成的运动测量单元水平设置在主支架的横杆上。

4、根据权利要求1所述的船载海气动量通量自动测量系统，其特征在于，数据采集处理装置包括数据采集器和计算机，数据采集器使用C8051F020单片机，数据采集器使用通讯电缆以RS422形式与计算机通讯连接。

5、根据权利要求2所述的船载海气动量通量自动测量系统，其特征在于在风速计安装杆上不同高度上安装三个超声风速计，支架垂直杆顶端安装GPS天线。

6、根据权利要求2所述的船载海气动量通量自动测量系统，其特征在于支架延伸轴、风速计安装杆、支架垂直杆上分别设置有不同位置的定位通孔，通过不同的定位通孔所安装的固定支架使主支架、支架延伸轴、风速计安装杆、支架垂直杆具有不同的相对位置。

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