专利名称：近海波浪参数立体实时监测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于海洋监测系统装置，具体涉及海洋环境监测、波浪测量、信号与信息处 理、通信与信息系统、雷达技术、GPS技术。具体讲是近海波浪参数立体实时监测系统。
背景技术：
海洋开发是一个具有战略意义的领域。随着海洋技术的发展和人们对海洋资源的 不断开发，对海浪参数的监测就显得尤为重要。但我国海洋技术和海洋监测技术比较的落 后，许多海洋观测站提供的海浪数据还是基于观测员的目测与科技的快速发展不相适应。 而且由于海域的不同，采用进口设备在我国使用效果很不理想。在对近海岸海浪的监测多采用波浪浮标。波浪浮标可以无人值守、自动、定点、连 续地对有效波高、波向、波周期、波速等海洋参数进行遥测，可以说是对连续波浪测量的唯 一可靠来源。国外有荷兰的“波浪骑士”，还有加拿大的“Watchke印er”等波浪浮标但其测 量效果在国内使用精度不高。波浪浮标一般有两种，一种是以加速度计为传感器；一种是以 GPS为传感器。在不同的海域和海况下，两者的测量有所不同。由于波浪浮标无人值守，波浪 浮标由锚系系统固定于海底，所以波浪浮标一般不适用于深海和距离海岸太远的区域。波 浪数据的测量不仅可以提供实时的波浪数据，对海岸或海洋中相关的一些活动提供有利的 帮助，而且可以用来建立波浪数据库来预测未来海洋上发生的事件。而德国则利用X-波段 导航雷达初步实现了基于深海、充分成长的海浪条件下有效波高、波向、波周期、波速的预 测，以及海流表层流流速和流向的粗略预测，研制出WaMosII系统。由于我国海岸线较长， 海洋资源丰富，所以对我国近海波浪参数监测尤为重要。如何立体多方位、实时、准确的监 测，并通过采用各种测量方法扬长避短实现精确测量，这是实现此项发明的难点和重点所 在。

发明内容
为克服现有技术的不足，本发明目的在于提供一种近海波浪参数立体实时监测系 统，减少噪声的干扰，为监测近海波浪参数提供一种必要的手段和可靠的保障。为此，本发 明采用的技术方案是，近海波浪参数立体实时监测系统，由波浪浮标、导航雷达、岸上接收 系统、计算机、显示器组成，波浪浮标用于采集所在位置的海浪信息，将海浪信息通过射频发射出去，所述波 浪浮标包括GPS传感器测波单元和加速度传感器测波单元；岸上接收系统用于接收波浪浮标的海浪信息，并传送到计算机；计算机用于数据处理、数值分析，对导航雷达、波浪浮标的GPS传感器测波单元和 波浪浮标的加速度传感器测波单元采集的信息进行互补校正和统计处理，得到海浪的动态 参数并将其动态参数在显示器中显示出来。波浪浮标包括GPS接收机用于得到3个笛卡尔坐标(X，y，ζ) ；X、Y、Z三个方向的加速度传感器用于测出波浪浮标的三个方向的加速度al、a2、a3 ；横摇传感器、纵摇传感器、艏摇传感器用于采集出浮标体3个姿态角rl、r2、r3 ；高频发射系统用于将3个笛卡尔坐标(x，y，ζ)， 三个方向的加速度al、a2、a3，3个姿态角rl、r2、r3，以电磁波的形式发射到海岸上，由岸上 接收系统来接收，然后传送给计算机。计算机用于数据处理、数值分析，对导航雷达采集的信息I1、波浪浮标的GPS传 感器测波单元采集的信息I2和波浪浮标的加速度传感器测波单元采集的信息I3进行 互补校正和统计处理，由/ = AA+33/3可得到经过校正的海洋信息，并且满足 3,+82+83=\，根据海域和海况的不同A的最佳值由海域和海况而具体确定；计算机对于波浪浮标的加速度传感器测波单元，对竖直方向的重力加速度al进 行两次积分计算出波浪的有效波高H2，用FIR数字滤波器滤除干扰信号，进行中心化处理， 即分段取零线，每段数据做一次FFT变换，对于每段，计算出方差值，乘以cos2因子，再计算 方差值去掉平均值，利用FFT把每个区段的计算结果转换成频域的方差，计算每段区段的 核心值，可计算出功率谱，由功率谱可计算出海浪的谱矩，海浪的平均高度MH2和平均周期 MT2可由零阶谱矩和二阶谱矩估计出来，由水平方向，包括X、Y方向，加速度可计算出水平 方向上的位移，通过估计浮标本身竖直位移和水平位移的两个分量三个序列的交叉谱来估 计海浪的方向谱S2;计算机对于波浪浮标的GPS传感器测波单元，计算出多普勒频偏fd，由此可得到 GPS接收器运动速度和运动位移，即可测出有效波高H3和海浪的功率谱，从而通过计算得 到平均高度MH3、平均周期MT3，根据3个姿态角rl、r2、r3可计算出东西向和南北向的斜率 从而计算出水平方向的交叉谱和二次谱，然后估计出海浪的方向谱S3，则可以确定波向；计算机再对估计出的海浪参数进行进一步的处理，对有效波高HI、有效波高H2、 有效波高H3、平均高度MHl、平均高度MH2、平均高度MH3、平均周期MTl、平均周期MT2、平均 周期MT3、方向谱Si、方向谱S2、方向谱S3进行互补校正和统计处理从而可以精确的反演近 海海浪的各个参数有效波高H、平均高度MH、平均周期MT、方向谱S。本发明可带来下列技术效果近海波浪参数立体实时监测系统可以比较准确的测 量出各种海浪参数。由于海洋上的波动是一个随机过程。波面可看作为无限多个不同振幅、 频率、相位及入射波向的余弦波的叠加。而且海洋信号的噪声比较大，容易受到海风、天气 的影响。由于用导航雷达处理图像，以GPS为传感器的波浪浮标和以加速度计为传感器的 波浪浮标均可以单独测量各种海浪参数，但三种方法单独监测时均有明显的缺陷。本发明 综合三种方法，发挥各自的优势，相互校正，从而减少了噪声的干扰。在国外使用两种波浪 浮标对比监测，而本发明巧妙地将GPS传感器和加速度传感器测波系统放入同一波浪浮标 之中。为监测近海波浪参数提供了一种必要的手段和可靠的保障，进一步保障了海上航行 安全和对海洋资源的开发探测。


附图1为近海波浪参数立体实时监测系统的结构框图。附图2为波浪浮标中的电路结构图。附图3为岸上接收系统的电路结构图。附图4为计算机内部处理海浪参数单元。
附图5为计算机内部处理雷达数据算法流程图。附图6为计算机内部处理波浪浮标的加速度传感器测波单元数据算法流程图。附图7为计算机内部处理波浪浮标的GPS传感器测波单元数据算法流程图。附图8为计算机内部处理数据总体框图。附图9为频率一功率谱一方向图。
具体实施例方式本发明的技术方案为，整个监测系统由波浪浮标1、导航雷达2、岸上接收系统3、 计算机4、显示器5组成。采集布放波浪浮标1所在位置的海浪信息，通过射频发射，岸上接 收系统3接收到波浪浮标1的信息与导航雷达采集的信息一起传送到计算机4中，经过计算机4的数据处理、数值分析可以得到海浪的动态参数(有效波高、波向、平均周期、平均波 高)，并将其动态参数在显示器5中显示出来。由于波浪浮标随着海浪而浮动，所以通过传 感器可以测出海浪的高度和方向等信息。在波浪浮标1中，GPS接收机1-1可以得到3个笛 卡尔坐标(X，y, ζ)，根据多普勒原理计算GPS信号的频率变量，获取浮标的高精度三维运动 参数，计算获得波浪信息。X、Y、Z三个方向的加速度传感器1-2可以测出波浪浮标在三个 方向的加速度，对竖直方向的重力加速度的两次积分则可以计算出波浪的高度。横摇传感 器1-3、纵摇传感器1-4、艏摇传感器1-5采集出浮标体3个姿态角的时间序列，可以计算出 波浪的方向。微控制器1-6对波浪浮标1中的各个传感器进行实时控制和定时采集，并将 数据通过高频发射系统1-7以电磁波的形式发射到海岸上，由岸上接收系统3来接收。在 岸上接收系统3中，由高频接收系统3-1接收到波浪浮标从海洋中发来的信息，由微控制器 3-2来控制高频接收系统3-1的接收时序，并把接收到的信息由232串行通信接口传输到计 算机4中。导航雷达的所采集的信号也传输到计算机4中。在计算机4中由232串行通信 单元4-1接收来自海洋中波浪浮标的信息。由导航雷达信号识别单元4-2接收来自海面回 波图像信号，通过数据存储及处理单元4-3对计算机4接收到的信号进行处理。先对来自 波浪浮标的信号进行滤波，因为在海洋上由于受到各种因素的干扰所以信号中有很多的噪 声，用数字滤波器进行滤波去掉噪声的干扰。采用FFT算法获取海浪功率谱，通过估计浮标 本身竖直位移和水平位移的两个分量三个序列的交叉谱从而估计方向谱。海浪的平均高度 和平均周期可由零阶谱矩和二阶谱矩估计出来。导航雷达2将采样得到的雷达图像时间序 列进行坐标系变换，转换为直角坐标下的图像时间序列，然后对所得图像时间序列进行三 维傅里叶变换，得到三维图像谱。所得三维图像谱通过进一步积分可得到二维图像谱。所 得二维图像谱通过传递函数调制之后可得到二维的海浪谱。所得二维海浪谱可进一步求得 海浪方向谱。所得二维海浪方向谱可以计算出海浪频谱。所得海浪频谱可以反演得到海浪 的特征参数(如波周期、主波向等)。由于用导航雷达处理图像，以GPS为传感器的波浪浮 标和以加速度计为传感器的波浪浮标均可以单独测量各种海浪参数，但三个系统均存在一 些缺陷和不足。所以综合三种测量和估计结果进行算法处理来达到各种海浪参数的逼近和 统计上的最佳。将估计的海浪数据由海浪参数反演单元4-4进行反演，来描述和反映所观 测的海洋状况。以下通过实施例对本发明内容做进一步的解释。为了监测近海的海浪参数，可通 过随着波浪浮动的波浪浮标和岸上的导航雷达分别来采集数据。波浪浮标1中GPS接收机1-1可以得到3个笛卡尔坐标(X，y，ζ)，X、Y、Z三个方向的加速度计1_2可以测出波浪浮 标的三个方向的加速度al、a2、a3。横摇传感器1_3、纵摇传感器1_4、艏摇传感器1_5采集 出浮标体3个姿态角rl、r2、r3。这9个信号变量通过高频发射系统1_7以电磁波的形式 发射到海岸上，由岸上接收系统3来接收，然后传送给计算机4。导航雷达2发送电磁波，电 磁波通过海面的散射和反射，采集雷达扫描一周的数字图像阵列信号为矩阵A，并将其数字 图像阵列信号传送给计算机4。在计算机4中对雷达信号进行处理，原始的雷达扫描半径为 8-10公里，我们主要利用3-4公里近海的数字图像信息。计算机4通过软件算法将数字图 像阵列信号矩阵A进行坐标的转化，将极坐标下的图像信号转化为直角坐标系下的图像信 号矩阵B，再通过数字滤波滤除不要的信息和海上的噪声可得到雷达图像时间序列矩阵C。 将雷达图像时间序列矩阵C进行三维傅里叶变换，得到三维图像谱。根据重力波的频散关 系(考虑了多普勒频移之后修正的频散关系)，进行表层流反演，经过带通数字滤波得到新 的三维图像谱。所得三维图像谱通过进一步积分可得到二维图像谱。所得二维图像谱通过 传递函数调制之后可得到二维的海浪谱。所得二维海浪谱可进一步求得海浪方向谱Si。所 得二维海浪方向谱可以计算出海浪频谱。所得海浪频谱可以反演得到海浪的特征参数(如 平均波高MH1、平均周期MTl等)。利用三维图像谱、二维图像谱以及二维海浪谱计算得到海 浪的信噪比，根据海浪有效波高与信噪比的线性关系可得海浪的有效波高HI。同时计算机 4通过软件算法处理波浪浮标采集的数据，对于波浪浮标的加速度传感器测波单元，对竖直 方向的重力加速度al的两次积分则可以计算出波浪的有效波高H2，用FIR数字滤波器滤除 干扰信号，进行中心化处理，即分段取零线。每100秒分一段，20分钟分24个区段，相邻两 段的重叠为50秒。每段数据做一次FFT变换。对于每段，计算出方差值，乘以cos2因子， 再计算方差值去掉平均值。利用FFT把每个区段的计算结果转换成频域的方差，计算每段 区段的核心值，可计算出功率谱。由功率谱可计算出海浪的谱矩，海浪的平均高度MH2和平 均周期MT2可由零阶谱矩和二阶谱矩估计出来。由水平方向(X、Y方向)加速度可计算出 水平方向上的位移，通过估计浮标本身竖直位移和水平位移的两个分量三个序列的交叉谱 来估计海浪的方向谱S2。对于波浪浮标的GPS传感器测波单元，由于GPS接收器与卫星信 号发射器二者同时相对运动，而使接收器接收到的频率与发射器(波源)发出的频率不同， 产生多普勒效应，可计算出多普勒频偏fd，由此可得到GPS接收器运动速度和运动位移，即 可测出有效波高H3和海浪的功率谱，从而通过计算得到平均高度MH3、平均周期MT3。浮标 体3个姿态角rl、r2、r3可计算出东西向和南北向的斜率从而计算出水平方向的交叉谱和 二次谱，然后估计出海浪的方向谱S3，则可以确定波向。再对估计出的海浪参数进行进一步 的处理，对有效波高HI、有效波高H2、有效波高H3、平均高度MH1、平均高度MH2、平均高度 MH3、平均周期MTl、平均周期MT2、平均周期MT3、方向谱Si、方向谱S2、方向谱S3进行互补 校正和统计处理从而可以精确的反演近海海浪的各个参数(有效波高H、平均高度MH、平均 周期MT、方向谱S)，。
计算机用于数据处理、数值分析，对导航雷达采集的信息I1、波浪浮标的GPS传 感器测波单元采集的信息I2和波浪浮标的加速度传感器测波单元采集的信息I3进行 互补校正和统计处理，由/ = AA+33/3可得到经过校正的海洋信息，并且满足 Q+民+4=1，由统计学可知，I1, I2,込若相互独立则A=民=δ3 =1/3时I取最佳。但由 于海域和海况的不同，A的最佳值由海域和海况而具体确定。例如当海况正常时(有海浪但海浪不大时)&=民=53=1/3时，I最佳；当海浪很大时，海浪的周期小于10秒，则 ^1=S3= 1/2，d2 = 0时，I最佳；当海面上非常平静，几乎没有海浪时，海浪的周期大于100秒。 则S1=S2= 1/2 A=O时 I 最佳。下面是一个具体的实例。由波浪浮标采集的数据，艏摇角为-15. 249°，X方向加速度为0. 19875m/s2, Y方 向加速度为-0. 18125m/s2, Z方向加速度为_1. 01500m/s2。由系统经过计算机的软件算法 监测结果为平均波高为242. 000cm，平均周期为5. 882s，方向谱方向为35. 156°，所得到的 功率谱如图9所示。
参考文献Dankert H, Horstmann J, Rosenthal W. Ocean surface winds retrieved from marineradar-image sequences[J]. Geoscience and Remote Sensing Symposium. 2004,3 1903-1906。Young I R, Rosenthal W, Ziemer F. A three-dimensional analysis of marine radar images forthe determination of ocean wave directionally and surface currents [J]. Journal of GeophysicalResearch,1985,90(Cl) : 1049-1060。Raney R K, Vachon P W. Synthetic aperture radar imaging of ocean waves from an airborneplatform-Focus and tracking issues[J]. Journal of Geophysical Research,1988,93 :12475-12486。Alpers W R, Ross D B. , Rufenach C L. On the detectability of ocean surface waves by real andsynthetic aperture radar[J]. Journal of Geophysical Research. 1981,86(C7) :6481_6498。俞聿修.随机波浪及其工程应用[Μ].大连大连理工大学出版社，2000. 1-301。文圣常，余宙文.海浪理论与计算原理[Μ].北京科学出版社，1984. 1-662.
权利要求
一种近海波浪参数立体实时监测系统，其特征是，由波浪浮标、导航雷达、岸上接收系统、计算机、显示器组成，波浪浮标用于采集所在位置的海浪信息，将海浪信息通过射频发射出去，所述波浪浮标包括GPS传感器测波单元和加速度传感器测波单元；岸上接收系统用于接收波浪浮标的海浪信息，并传送到计算机；计算机用于数据处理、数值分析，对导航雷达、波浪浮标的GPS传感器测波单元和波浪浮标的加速度传感器测波单元采集的信息进行互补校正和统计处理，得到海浪的动态参数并将其动态参数在显示器中显示出来。
2.根据权利要求1所述的一种近海波浪参数立体实时监测系统，其特征是，波浪浮标 包括GPS接收机用于得到3个笛卡尔坐标(X，y，ζ) ；X、Y、Z三个方向的加速度传感器用于 测出波浪浮标的三个方向的加速度al、a2、a3 ；横摇传感器、纵摇传感器、艏摇传感器用于 采集出浮标体3个姿态角rl、r2、r3 ；高频发射系统用于将3个笛卡尔坐标(x，y，ζ)，三个 方向的加速度al、a2、a3，3个姿态角rl、r2、r3，以电磁波的形式发射到海岸上，由岸上接收 系统来接收，然后传送给计算机。
3.根据权利要求1和2所述的一种近海波浪参数立体实时监测系统，其特征是，计算机 用于数据处理、数值分析，对导航雷达采集的信息I1、波浪浮标的GPS传感器测波单元采集 的信息I2和波浪浮标的加速度传感器测波单元采集的信息I3进行互补校正和统计处理，由 / = S1A +52/2 +53/3可得到经过校正的海洋信息，并且满足A +民+δ3 =1，根据海域和海 况的不同，A的最佳值由海域和海况而具体确定；计算机对于波浪浮标的加速度传感器测波单元，对竖直方向的重力加速度al进行两 次积分计算出波浪的有效波高H2，用FIR数字滤波器滤除干扰信号，进行中心化处理，即分 段取零线，每段数据做一次FFT变换，对于每段，计算出方差值，乘以cos2因子，再计算方差 值去掉平均值，利用FFT把每个区段的计算结果转换成频域的方差，计算每段区段的核心 值，可计算出功率谱，由功率谱可计算出海浪的谱矩，海浪的平均高度MH2和平均周期MT2 可由零阶谱矩和二阶谱矩估计出来，由水平方向，包括X、Y方向，加速度可计算出水平方向 上的位移，通过估计浮标本身竖直位移和水平位移的两个分量三个序列的交叉谱来估计海 浪的方向谱S2;计算机对于波浪浮标的GPS传感器测波单元，计算出多普勒频偏f d，由此可得到GPS接 收器运动速度和运动位移，即可测出有效波高H3和海浪的功率谱，从而通过计算得到平均 高度MH3、平均周期MT3，根据3个姿态角rl、r2、r3可计算出东西向和南北向的斜率从而计 算出水平方向的交叉谱和二次谱，然后估计出海浪的方向谱S3，则可以确定波向；计算机再对估计出的海浪参数进行进一步的处理，对有效波高HI、有效波高H2、有效 波高H3、平均高度MHl、平均高度MH2、平均高度MH3、平均周期MT1、平均周期MT2、平均周期 MT3、方向谱Si、方向谱S2、方向谱S3进行互补校正和统计处理从而可以精确的反演近海海 浪的各个参数有效波高H、平均高度MH、平均周期MT、方向谱S。
全文摘要
本发明属于海洋监测系统装置，具体涉及海洋环境监测、波浪测量、信号与信息处理、通信与信息系统、雷达技术、GPS技术。具体讲是近海波浪参数立体实时监测系统。为减少噪声的干扰，为监测近海波浪参数提供一种必要的手段和可靠的保障，本发明采用的技术方案是，近海波浪参数立体实时监测系统，由波浪浮标、导航雷达、岸上接收系统、计算机、显示器组成，波浪浮标用于采集所在位置的海浪信息，将海浪信息通过射频发射出去，所述波浪浮标包括GPS传感器测波单元和加速度传感器测波单元；岸上接收系统用于接收波浪浮标的海浪信息，并传送到计算机；计算机用于数据处理、数值分析。本发明主要应用于海洋监测。
文档编号G01S13/89GK101813476SQ201010128328
公开日2010年8月25日 申请日期2010年3月19日 优先权日2010年3月19日
发明者何改云, 刘国栋, 宋占杰, 陈壮杰 申请人:天津大学