船用波浪測量儀

1、船用儀器儀表一種船用波浪測量儀的設(shè)計組長：董云鶴組員：馬守達(dá)、宋文濤、馬一山設(shè)計波浪測量儀的目的和意義：在海洋工程建設(shè)、航海中，海浪是海洋觀測要素中最重要、最復(fù)雜的一種。目前波浪測量的方法除目測外，只要有航空測波法、儀器陣列法、波浪方向浮標(biāo)法、壓力式測波法、光學(xué)測波法、聲學(xué)測波法和雷達(dá)測波法等。同近海相比，船舶在遠(yuǎn)洋航行中，遭遇的海況更為惡劣，為了保證船舶的安全航行，預(yù)測海浪是十分重要的。目前，航行中有很多是靠目測來確定海浪的，但目測誤差大，特別是在夜晚和惡劣天氣是根本不能觀測。如果在實際航行中，用現(xiàn)有的波浪測量儀來預(yù)測波浪，就要求停航進(jìn)行投放和回收U,而在航行中收放是很困難的。我國目前的測波

2、儀器主要是用于定點測量,很少用于船舶航行中實時測量。本課題致力于研制一種具有高技術(shù)和高可靠性的船舶走航式波浪測量系統(tǒng)。這種測量系統(tǒng)是以船舶自身為測量儀器,根據(jù)船的運動姿態(tài)反演波浪。本文運用了先進(jìn)的DSP技術(shù),提出了基于DSP的加速度式船舶走航式波浪測量系統(tǒng)的設(shè)計方法。市場調(diào)研：一、廈門瀛寰電子科技有限公司：SBY2-1型聲學(xué)波浪儀基于超聲波測距原理由發(fā)射超聲換能器向水面發(fā)射一束由窄脈沖調(diào)制的超聲波，經(jīng)水面反射后返回到與發(fā)射換能器在同位置上的超聲波接收換能器，期間經(jīng)歷的路徑為2L。設(shè)聲波傳播速度為C,聲波經(jīng)過2L路程的時間為T，則有：L=1/2CT,測準(zhǔn)C和T就可得到準(zhǔn)確的L，由L隨時間變化的序

3、列值就可提取波浪參數(shù)。儀器價格需面議，1萬至2萬元。二、上海精導(dǎo)科學(xué)儀器有限公司：船載雷達(dá)測波儀：系統(tǒng)由安裝于船艏的傳感器和安裝于室內(nèi)的主機服務(wù)器兩大部分組成，傳感器包含一個雷達(dá)測波傳感器和運動傳感器，運動傳感器實時補償船體本身運動對測波的影響。主機服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)同步數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)補償。儀器價格需面議，1萬至2萬元。三、上海精導(dǎo)科學(xué)儀器有限公司：MIDASDWR方向波浪儀：采用線性波理論分析方法、64位數(shù)字處理技術(shù)，用于實時測量方向波普。儀器價格需面議，1萬至2萬元。根據(jù)市場調(diào)研結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)，市場上的大多數(shù)波浪測量儀造價較高，而且產(chǎn)品性能參差不齊，因此銷量都較少，另外市面上的測波儀大多數(shù)是用

4、于定點測量的產(chǎn)品，很少有產(chǎn)品用于船舶航行的實時測量。我們小組的項目所指定的目標(biāo)客戶群是一些常年出海，預(yù)算有限，但有一定的購買力的人。我們致力于用較少的資金設(shè)計性價比更高的測波儀。設(shè)計方案：根據(jù)海浪理論,隨機海浪被看成是均值為零的平穩(wěn)隨機過程,建立了隨機海浪模型。系統(tǒng)看作是線性系統(tǒng),船舶運動是在隨機海浪擾動激勵下的線性系統(tǒng)的輸出。并根據(jù)船舶耐波性,結(jié)合譜估計理論和高階累計量理論，運用刀R模型對船舶運動頻率響應(yīng)特性進(jìn)行了初始辨識。設(shè)計DSP系統(tǒng)時,分別從硬件和軟件兩個方面進(jìn)行了研究。硬件方面采用了高速運算能力的DSP芯片，可以高效地對傳感器送來的信號進(jìn)行采樣和處理;軟件方面運用了數(shù)字濾波和數(shù)字積分

5、對采集到的加速度信號進(jìn)行濾波和積分處理,提高了系統(tǒng)的抗于擾能力,減少了系統(tǒng)的硬件設(shè)備。在數(shù)據(jù)處理時,采用了FFT算法，提高了運算速度，更好地保證了波浪的實時測量。這種測波系統(tǒng)可用于船舶航行時,包括夜間,實時地觀測波浪,有助于船舶的安全航行,還可起到積累可靠的波浪統(tǒng)計資料的作用。根據(jù)現(xiàn)代科學(xué)理論,海浪分為風(fēng)浪、涌浪和近岸浪三種。風(fēng)浪是指在風(fēng)的作用下海面形成的波浪,此時呈現(xiàn)出復(fù)雜的不規(guī)則的海面波動起伏狀況;涌浪是指在風(fēng)停止作用后,海面上所余下的波,或者是傳播到風(fēng)區(qū)以外的波以及風(fēng)向改變很大后所余下的波浪,其波長較長,波高較小,波形較規(guī)則;近岸浪則是由外海的風(fēng)浪或涌浪傳到海岸附近,因受地形影響而改變性

6、質(zhì)的海浪。7基本原理：三軸加速度傳感器輸出的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，進(jìn)入DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；GPS及電子羅盤信號通過串行口將數(shù)據(jù)送入DSP片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理后的特征值數(shù)據(jù)可在顯示器上顯示，并可通過通訊接口送到PC機上進(jìn)行波形顯示等后繼處理。如下圖：咆子狎星1血J11.i軸擁邃r-DSP若片硬件軟件設(shè)計：系統(tǒng)硬件主要由3部分組成：中央處理器、傳感器、接收機等。1中央處理器選擇DSP芯片作為中央處理器，選用美國TI公司的DSP芯片TMS320VC5402，具有高性能、低功耗、操作速度快的優(yōu)良特性。2.傳感器有三軸加速度傳感器和方位傳感器，三軸加速度傳感器是涉及本系統(tǒng)的核心器件。飛思

7、卡爾半導(dǎo)體公司制造的MMA7260QT型3軸加速度傳感器在三維加速度檢測方面十分出色，因小巧輕便，可直接焊接到電路板上，節(jié)約空間，對加速度信號具有很好的檢測功能，是一款低成本的微型電容式加速度傳感器。傳感器采用了信號調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補償技術(shù)。該器件帶有低通濾波并已做零g補償，還提供休眠模式（3A）；它噪音低，提供精確的墜落、傾斜、移動、震動和搖擺感應(yīng)靈敏度；設(shè)計穩(wěn)定、防震能力強。為了得到船的運動姿態(tài)，本系統(tǒng)中采用電子羅盤來測量船的航向，仰俯及翻滾角oTMC3系列是美國PNI公司的產(chǎn)品，它可用于測量航向、傾斜角和磁場強度，精度高、體積小、抗干擾能力強，最大采樣速率20次/s，輸出格式為

8、二進(jìn)制高性能協(xié)議，傾斜分辨率為0.01°。3船在航行期間，由船的運動推算波浪的過程中，會受到航速的影響。所以本系統(tǒng)加了GPS接收機，測航速以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行補償。軟件設(shè)計：本系統(tǒng)是將波浪作為激勵，船的運動作為響應(yīng)，根據(jù)船舶耐波性原理，將船舶運動看成是在波浪輸入激勵下船舶水動力學(xué)系統(tǒng)的輸出。傳感器采集到的三軸加速度信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)數(shù)字二次積分轉(zhuǎn)換為位移信號，結(jié)合方位傳感器所測得的傾角，可以獲得船的運動響應(yīng)信號。然后根據(jù)船的運動信號與波浪擾動之間的關(guān)系，由船的運動姿態(tài)來推算波浪，從而得出波高與波周期。這一系列算法將在DSP中實現(xiàn)。波浪測量儀的軟件設(shè)計主要包括初始化和主循環(huán)兩部分。初始化

9、部分包括對DSP的初始化、外設(shè)初始化等。對DSP進(jìn)行初始化時，要對MCBSP進(jìn)行初始化OMS320VC5402采用兩個內(nèi)存映射寄存器來管理MCBSP的控制寄存器，分別為SPSA0和SPSDOo串行口子地址寄存器（SPSAO）用來指定當(dāng)前的操作是對子區(qū)中哪個寄存器進(jìn)行的，串行口子數(shù)據(jù)寄存器（SPSD）用來對當(dāng)前所選擇的寄存器進(jìn)行讀/寫操作。主循環(huán)部分包括數(shù)據(jù)的采集、處理及將處理的結(jié)果發(fā)送給PC機進(jìn)行顯示。整個DSP軟件系統(tǒng)的流程圖如下圖所示。否采宜空域乍st球?qū)毘?輸已克hE倚勺允陽丸弟J&.1佶些址理I我們所設(shè)計的波浪測量儀與市場上其他相比：測量波浪的儀器有很多,比如波浪浮標(biāo),超聲波波

10、浪測量儀等,這些都是用于定點測量的。如果想測定船在航行中海域的實時海浪信息,用定點測量的儀器不太方便。比如在測量波浪時,需要兩次停航來進(jìn)行投放和回收,收放比較困難,再加上這些波浪測量儀器本身有浪級上的限制問題,在稍高的波浪中進(jìn)行此類作業(yè)是非常艱巨的。所以,研制一種不需要停航投放、能在船舶航行中實時測量海浪信息的測波系統(tǒng)是非常有必要的。本文研制的這種測波系統(tǒng)是不同于衛(wèi)星的大面積海洋觀測,也不同于海面上的一點或幾點的觀測。大面積海洋觀測可提供海區(qū)的宏觀預(yù)報,而定點觀測可作出局部預(yù)報,這兩種測量方法都不能提供船舶在航行過程中海域的實時波浪信息。而船舶走航式波浪測量系統(tǒng)是在船舶航行中通過船的運動姿態(tài)實

11、時測量波浪的,能夠提供船舶航行中的實時海浪信息。最初的波浪觀測技術(shù)是通過目測實現(xiàn)的,直到20世紀(jì)90年代末期,我國獲得的海洋沿海波浪觀測資料還幾乎全部采用人工或借助于岸用測波儀的目測方法。經(jīng)過良好訓(xùn)練的專業(yè)人員通過目測方法所得到的波高還是有比較好的可信度的,卻不適合于測量波周期和波浪的不規(guī)則性。除此之外,在夜晚和惡劣天氣時不能通過目測來觀測海浪,大浪卻往往在這時產(chǎn)生,因此在水運工程中已不建議用目測方法。目前波浪測量的方法除目測外,主要有航空測波法、儀器陣列法、波浪方向浮標(biāo)法、壓力式測波法、光學(xué)測波法、聲學(xué)測波法和雷達(dá)測波法等。按儀器布設(shè)的空間位置來分,可分為水下、水面、水上和太空（如衛(wèi)星遙感）

12、四種觀測技術(shù)。至于三維波浪的測量,廣義上講有兩種方法:一是在同一點上測量多個參數(shù),比如表面浮筒的橫搖、縱搖、升沉或者壓力和兩個方向的水質(zhì)點運動速度,這種布置有時也叫做三參量傳感器;一是多個傳感器組成的空間網(wǎng),即每一個傳感器往往只測一個波動參量,如波浪表面高度等。近三十年來,波浪觀測技術(shù)在國際上突飛猛進(jìn)地發(fā)展,發(fā)達(dá)國家的海浪觀測技術(shù)己從水下、水體表面、水上發(fā)展到利用衛(wèi)星水下波浪測量儀器,包括安裝在固定平臺上或者水下浮體上的流速儀和壓力儀。重力式測波儀一般用于海面上,用來測量浮筒升沉高度、斜度或水平位移,是目前最通用也是我國使用最多的一種測波儀器。利用固定平臺,測波桿、雷達(dá)或激光等也都可被用來跟蹤

13、海表面的運動。國外測量波浪的儀器主要有荷蘭datawen公司生產(chǎn)的波浪騎士測波浮筒式浮標(biāo)、挪威Fugrooeeanor的wavescan浮標(biāo)和美國ENDECO/YSI公司的1156波浪方向軌跡浮標(biāo)等。這些浮標(biāo)基本上配有一個單軸加速度傳感器、一個電磁羅盤和一個雙軸傾角傳感器。加拿大的AXYS公司生產(chǎn)的TRIAXYS波浪方向浮標(biāo)是通過測量浮標(biāo)體的六個自由度的狀態(tài)，來獲取海浪的資料。美國Interocean公司生產(chǎn)的S4Adw壓力式波浪儀是通過利用高分辨率傳感器來測量表面波引起的壓力波動獲取海浪資料。國內(nèi)的波浪浮標(biāo)主要有山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所生產(chǎn)的10m直徑的大浮筒和中國海洋大學(xué)生產(chǎn)的小浮筒等。浮筒測量波浪的基本原理是:首先獲得浮筒自身運動的垂直加速度信號,然后經(jīng)過兩次積分得出浮筒的升沉位移,進(jìn)而利用浮筒在不同頻率波浪作用下的響應(yīng)函數(shù),得出相應(yīng)的波浪頻譜和相應(yīng)的時間序列。壓力式波浪儀主要有中科院南海所生產(chǎn)的5253幾型自容式壓力波潮、一廈門海天高新技術(shù)研究所生產(chǎn)的SBYI一l型直讀式壓力波浪儀與自容式壓力波浪儀等。預(yù)計成本：DSP芯片選用TMS320VC5402價格：450飛思卡爾半導(dǎo)體公司制造的MMA7260QT型三軸加速度傳