專利名稱：一種中遠(yuǎn)程全自動自適應(yīng)測波浮標(biāo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種海洋波浪測量、信號與信息處理、通信與信息系統(tǒng)和GPS技 術(shù)的海洋監(jiān)測系統(tǒng)裝置，特別涉及一種中遠(yuǎn)程全自動自適應(yīng)測波浮標(biāo)。
背景技術(shù)：
海洋開發(fā)是一個具有戰(zhàn)略意義的領(lǐng)域。隨著海洋技術(shù)的發(fā)展和人們對海洋資源 的不斷開發(fā)，對海浪參數(shù)的監(jiān)測就顯得尤為重要。在對近海岸中遠(yuǎn)程海浪的監(jiān)測多采用測 波浮標(biāo)，測波浮標(biāo)可以無人值守、自動、定點和連續(xù)地對有效波高、波向、波周期和波速等海 洋參數(shù)進(jìn)行遙測，測波浮標(biāo)可以作為連續(xù)波浪測量的唯一可靠來源。由于測波浮標(biāo)無人值 守，測波浮標(biāo)由錨系系統(tǒng)固定于海底，所以測波浮標(biāo)一般不適用于深海和距離海岸太遠(yuǎn)的 區(qū)域。國外有荷蘭的“波浪騎士”等測波浮標(biāo)，而在國內(nèi)也有一些品牌的測波浮標(biāo)，它們 都有一些相似的特點一般按測波傳感器的不同分為有兩種，一種是以加速度計作為傳感 器；一種是以GPS作為傳感器，都是在海上通過傳感器采集數(shù)據(jù)，然后把采集到的數(shù)據(jù)傳送 到岸上，在岸上用計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，反演海洋參數(shù)。發(fā)明人在實現(xiàn)本實用新型的過程中，發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點和不 足由于測波傳感器的使用比較單一使得測波的精確度不高；參數(shù)計算部分均在計算 機(jī)內(nèi)完成，限制了測波浮標(biāo)的應(yīng)用范圍及靈活性；測波浮標(biāo)通過內(nèi)部電池或太陽能電池板 供電，使得在海上的工作年限很短，對海洋的監(jiān)測造成了很大的不便而且浪費了很多人力 和物力。

實用新型內(nèi)容為了提高測波的精確度；擴(kuò)大測波浮標(biāo)的應(yīng)用范圍及靈活性；提高測波浮標(biāo)的工 作年限，減少對海洋的監(jiān)測造成的不便，節(jié)省人力和物力，本實用新型提供了一種中遠(yuǎn)程全 自動自適應(yīng)測波浮標(biāo)；所述中遠(yuǎn)程全自動自適應(yīng)測波浮標(biāo)包括測波浮標(biāo)和手持終端；所述測波浮標(biāo)包 括傳感器測波單元、微控制器、數(shù)字信號處理系統(tǒng)、高頻發(fā)射系統(tǒng)和供電系統(tǒng)；所述手持終 端包括高頻接收系統(tǒng)、終端微控制器和顯示屏；所述傳感器測波單元采集所述測波浮標(biāo)所在位置的海浪信息后，通過所述數(shù)字信 號處理系統(tǒng)對海浪信息進(jìn)行處理和反演得到海洋參數(shù)，通過所述高頻發(fā)射系統(tǒng)將海洋參數(shù) 發(fā)射出去，所述高頻接收系統(tǒng)接收海洋參數(shù)，所述終端微控制器將接收到的海洋參數(shù)在所 述顯示屏上顯示出來；所述微控制器對所述測波浮標(biāo)中的各個傳感器進(jìn)行實時控制和定時 采集；所述供電系統(tǒng)由太陽能發(fā)電系統(tǒng)、電池和波浪能發(fā)電系統(tǒng)組成；所述傳感器測波 單元具體為GPS傳感器測波單元和加速度傳感器測波單元。[0010]所述微控制器根據(jù)采集的數(shù)據(jù)自適應(yīng)選擇所述GPS傳感器測波單元和所述加速 度傳感器測波單元。所述GPS傳感器測波單元包括GPS接收機(jī)、縱搖傳感器、橫搖傳感器和艏搖傳感 器；所述GPS接收機(jī)用于獲取所述測波浮標(biāo)的海浪信息；所述縱搖傳感器、所述橫搖 傳感器和所述艏搖傳感器用于采集出所述測波浮標(biāo)的三個姿態(tài)角的時間序列。本實用新型提供的技術(shù)方案的有益效果是中遠(yuǎn)程全自動自適應(yīng)測波浮標(biāo)內(nèi)采用GPS傳感器和加速度傳感器兩種傳感器測 波系統(tǒng)，二者可以相互補償，相互校正，可以有效提高測波的精確度；測波浮標(biāo)采集數(shù)據(jù)之 后，所有的信號處理都在測波浮標(biāo)內(nèi)完成，只要在岸上或船上有個匹配的手持終端就可以 得到各種海洋參數(shù)，使測波浮標(biāo)的使用更加靈活，應(yīng)用更廣泛；并且測波浮標(biāo)的供電系統(tǒng)由 內(nèi)部電池，太陽能電池板，波浪能供電系統(tǒng)組成，自適應(yīng)選擇供電方式，使浮標(biāo)的能源更清 潔，在海上工作的時間更長，可以有效的節(jié)省人力和物力。

圖1是本實用新型提供的中遠(yuǎn)程全自動自適應(yīng)測波浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本實用新型提供的測波浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本實用新型提供的手持終端系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖4是本實用新型提供的GPS傳感器測波單元的結(jié)構(gòu)框圖；圖5是本實用新型提供的供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本實用新 型實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。參見圖1、圖2和圖3，本實用新型提供的中遠(yuǎn)程全自動自適應(yīng)測波浮標(biāo)，包括測 波浮標(biāo)100和手持終端200 ；其中，測波浮標(biāo)100包括傳感器測波單元101、微控制器102、數(shù)字信號處理系統(tǒng) 103、高頻發(fā)射系統(tǒng)104和供電系統(tǒng)105 ；手持終端200包括高頻接收系統(tǒng)201、終端微控制 器202和顯示屏203 ；傳感器測波單元101采集測波浮標(biāo)100所在位置的海浪信息后，通過數(shù)字信號處 理系統(tǒng)103對海浪信息進(jìn)行處理和反演得到海洋參數(shù)，通過高頻發(fā)射系統(tǒng)104將海洋參數(shù) 發(fā)射出去，高頻接收系統(tǒng)201接收海洋參數(shù)，終端微控制器202將接收到的海洋參數(shù)在顯示 屏203上顯示出來；微控制器102對測波浮標(biāo)100中的各個傳感器進(jìn)行實時控制和定時采 集；數(shù)字信號處理系統(tǒng)103對采集的各個信號進(jìn)行處理和運算；終端微控制器202對高頻 接收系統(tǒng)201和顯示屏203進(jìn)行實時的控制。進(jìn)一步地，該傳感器測波單元101具體為GPS傳感器測波單元101-1和加速度傳 感器測波單元101-2。進(jìn)一步地，微控制器102根據(jù)采集的數(shù)據(jù)自適應(yīng)選擇GPS傳感器測波單元101_1 和加速度傳感器測波單元101-2。
4[0026]GPS傳感器測波單元101-1和加速度傳感器測波單元101_2均可以單獨測量各種 海浪參數(shù)。GPS傳感器測波單元101-1采集的信息I1和加速度傳感器測波單元101-2采 集的信息I2進(jìn)行互補校正和統(tǒng)計處理，由ι = ^1I1 +S2I2可得到經(jīng)過校正的海洋信息I，并 且滿足A +a2=i^>0,a2>0。由統(tǒng)計學(xué)可知，I1,12若相互獨立則q =d2 = 1/2時ι取最佳。 但由于海域和海況的不同，A、民的最佳值由海域和海況而具體確定。例如當(dāng)海況正常時 (有海浪但海浪不大時)A=民=1/2時，I最佳；當(dāng)海浪很大時，海浪的周期小于10秒，則 &=0，民=1時，I最佳；當(dāng)海面上非常平靜，幾乎沒有海浪時，海浪的周期大于100秒。則 A =1，民=0時ι最佳。而在不同的海域中，S1和民還會有相應(yīng)的變化，由微控制器102自適 應(yīng)的選擇&和民的具體值。并綜合A和民的具體值在數(shù)字信號處理系統(tǒng)103上進(jìn)行參數(shù)處理 來達(dá)到各種海浪參數(shù)的逼近和統(tǒng)計上的最佳，通過對上述參數(shù)進(jìn)行互補校正和統(tǒng)計處理， 可以精確地反演近海海浪的各個參數(shù)。參見圖4，該GPS傳感器測波單元101-1包括GPS接收機(jī)101_1_1、縱搖傳感器 101-1-2、橫搖傳感器101-1-3和艏搖傳感器101-1-4 ；GPS接收機(jī)101-1-1用于獲取測波浮標(biāo)100的海浪信息；縱搖傳感器101_1_2、橫 搖傳感器101-1-3和艏搖傳感器101-1-4用于采集出測波浮標(biāo)100的三個姿態(tài)角的時間序 列。具體為由于測波浮標(biāo)100隨著海浪而浮動，GPS接收機(jī)101-1-1可以得到三個笛 卡爾坐標(biāo)(X、Y、Z)，根據(jù)多普勒效應(yīng)計算GPS信號的多普勒頻偏，獲取到測波浮標(biāo)100的 高精度三維運動參數(shù)，來獲取測波浮標(biāo)100的海浪信息。縱搖傳感器101-1-2、橫搖傳感器 101-1-3和艏搖傳感器101-1-4采集出測波浮標(biāo)100的三個姿態(tài)角的時間序列，通過采集到 的時間序列，由數(shù)字信號處理系統(tǒng)103計算出波浪的方向。加速度傳感器測波單元101-2中的X、Y、Z三個方向的加速度傳感器可以測出測波 浮標(biāo)100在三個方向的加速度，對豎直方向(Ζ方向)的加速度的兩次積分則可以計算出波
面高度值。參見圖5，供電系統(tǒng)105由太陽能發(fā)電系統(tǒng)105-1，電池105_2和波浪能發(fā)電系統(tǒng) 105-3組成，測波浮標(biāo)100的供電由波浪能，太陽能和電能綜合提供，可以使測波浮標(biāo)100長 時間工作在海上。其中，波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能，是一種在風(fēng)的作用 下產(chǎn)生的，并以位能和動能的形式由短周期波儲存的機(jī)械能。綜上所述，本實用新型實施例提供了一種中遠(yuǎn)程全自動自適應(yīng)測波浮標(biāo)，該中遠(yuǎn) 程全自動自適應(yīng)測波浮標(biāo)內(nèi)采用GPS傳感器和加速度傳感器兩種傳感器測波系統(tǒng)，二者可 以相互補償，相互校正，可以有效提高測波的精確度；測波浮標(biāo)采集數(shù)據(jù)之后，所有的信號 處理都在測波浮標(biāo)內(nèi)完成，只要在岸上或船上有個匹配的手持終端就可以得到各種海洋參 數(shù)，使測波浮標(biāo)的使用更加靈活，應(yīng)用更廣泛；并且測波浮標(biāo)的供電系統(tǒng)由內(nèi)部電池，太陽 能電池板，波浪能供電系統(tǒng)組成，自適應(yīng)選擇供電方式，使浮標(biāo)的能源更清潔，在海上工作 的時間更長，可以有效的節(jié)省人力和物力。通過以下內(nèi)容對本實用新型內(nèi)容做進(jìn)一步的解釋，詳見下文描述加速度傳感器測波單元101-2可以測出測波浮標(biāo)100的X、Y、Z方向的加速度，分 別為ζ方向的加速度 、X方向加速度a2和Y方向加速度a3。數(shù)字信號處理系統(tǒng)103處理測波浮標(biāo)100采集的數(shù)據(jù)，通過對Z方向的加速度
5B1的兩次積分則可以計算出波面高度值，用FIR(Finite ImpulseResponse，有限沖激響 應(yīng))數(shù)字濾波器濾除干擾信號，進(jìn)行中心化處理，即分段取零線。然后對每段數(shù)據(jù)做一次 FFT (Fast Fourier Transform,快速傅里葉變換)，計算出粗譜值的估計值，然后采用矩形 譜窗對粗譜值的估計值進(jìn)行平滑，估計出海浪的功率譜，由功率譜可計算出海浪的譜矩。其 中，海浪的平均高度和平均周期可由零階譜矩和二次譜矩估計出來。由測波浮標(biāo)100水平 方向(X、Y方向)加速度可計算出水平方向上的位移，由豎直方向(Z方向)加速度可計算 出豎直方向上的位移，通過三個方向上的位移序列的交叉譜來估計海浪的方向譜。GPS傳感器測波單元101-1可以得到測波浮標(biāo)100的3個笛卡爾坐標(biāo)(X，Y，Z)， 橫搖傳感器101-1-3、縱搖傳感器101-1-2和艏搖傳感器101-1-4采集出測波浮標(biāo)100的3 個姿態(tài)角9^02*03。由于GPS接收機(jī)101-1-1與衛(wèi)星信號發(fā)射器二者同時相對運動， 而使GPS接收機(jī)101-1-1接收到的頻率與發(fā)射器(波源)發(fā)出的頻率不同，產(chǎn)生多普勒效 應(yīng)，可計算出多普勒頻偏，由此可得到GPS接收機(jī)101-1-1運動速度和運動位移，即可測出 波面高度值和海浪的功率譜，從而通過計算得到平均高度、平均周期。通過測波浮標(biāo)100的 3個姿態(tài)角θ” 02和θ 3可計算出東西向和南北向的斜率，從而計算出水平方向的交叉譜 和二次譜，然后估計出海浪的方向譜，則可以確定波向。數(shù)字信號處理系統(tǒng)103再對兩種測波單元單獨估計出的海浪參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的 處理，對二者進(jìn)行互補校正和統(tǒng)計處理，從而可以精確的反演近海海浪的各個參數(shù)(波面 高度、平均高度、平均周期和方向譜)。微控制器102通過控制高頻發(fā)射系統(tǒng)104將反演后的各個參數(shù)發(fā)射出去，在岸上 或者周圍海域的工作人員可使用手持終端200中的高頻接收系統(tǒng)201接收到高頻發(fā)射系 統(tǒng)104發(fā)射的高頻信號，然后將其顯示在顯示屏203上，從而完成對海洋各參數(shù)的自適應(yīng)監(jiān) 測。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本實用新型實 施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用 新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求一種中遠(yuǎn)程全自動自適應(yīng)測波浮標(biāo)，其特征在于，所述中遠(yuǎn)程全自動自適應(yīng)測波浮標(biāo)包括測波浮標(biāo)和手持終端；所述測波浮標(biāo)包括傳感器測波單元、微控制器、數(shù)字信號處理系統(tǒng)、高頻發(fā)射系統(tǒng)和供電系統(tǒng)；所述手持終端包括高頻接收系統(tǒng)、終端微控制器和顯示屏；所述傳感器測波單元采集所述測波浮標(biāo)所在位置的海浪信息后，通過所述數(shù)字信號處理系統(tǒng)對海浪信息進(jìn)行處理和反演得到海洋參數(shù)，通過所述高頻發(fā)射系統(tǒng)將海洋參數(shù)發(fā)射出去，所述高頻接收系統(tǒng)接收海洋參數(shù)，所述終端微控制器將接收到的海洋參數(shù)在所述顯示屏上顯示出來；所述微控制器對所述測波浮標(biāo)中的各個傳感器進(jìn)行實時控制和定時采集；所述供電系統(tǒng)由太陽能發(fā)電系統(tǒng)、電池和波浪能發(fā)電系統(tǒng)組成；所述傳感器測波單元具體為GPS傳感器測波單元和加速度傳感器測波單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中遠(yuǎn)程全自動自適應(yīng)測波浮標(biāo)，其特征在于，所述微控制器 根據(jù)采集的數(shù)據(jù)自適應(yīng)選擇所述GPS傳感器測波單元和所述加速度傳感器測波單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的中遠(yuǎn)程全自動自適應(yīng)測波浮標(biāo)，其特征在于，所述GPS傳 感器測波單元包括GPS接收機(jī)、縱搖傳感器、橫搖傳感器和艏搖傳感器；所述GPS接收機(jī)用于獲取所述測波浮標(biāo)的海浪信息；所述縱搖傳感器、所述橫搖傳感 器和所述艏搖傳感器用于采集出所述測波浮標(biāo)的三個姿態(tài)角的時間序列。
專利摘要本實用新型公開了一種中遠(yuǎn)程全自動自適應(yīng)測波浮標(biāo)，涉及一種海洋波浪測量、信號與信息處理、通信與信息系統(tǒng)和GPS技術(shù)的海洋監(jiān)測系統(tǒng)裝置，該中遠(yuǎn)程全自動自適應(yīng)測波浮標(biāo)內(nèi)采用GPS傳感器和加速度傳感器兩種傳感器測波系統(tǒng)，二者可以相互補償，相互校正，可以有效提高測波的精確度；測波浮標(biāo)采集數(shù)據(jù)之后，所有的信號處理都在測波浮標(biāo)內(nèi)完成，只要在岸上或船上有個匹配的手持終端就可以得到各種海洋參數(shù)，使測波浮標(biāo)的使用更加靈活，應(yīng)用更廣泛；并且測波浮標(biāo)的供電系統(tǒng)由內(nèi)部電池，太陽能電池板，波浪能供電系統(tǒng)組成，自適應(yīng)選擇供電方式，使浮標(biāo)的能源更清潔，在海上工作的時間更長，可以有效的節(jié)省人力和物力。
文檔編號G01C13/00GK201672919SQ20102022471
公開日2010年12月15日 申請日期2010年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月12日
發(fā)明者劉國棟, 宋占杰 申請人:天津大學(xué)