专利名称：一种基阵式波浪监测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种波浪监测装置，特别是关于一种基阵式波浪监测装置。
背景技术：
波高、波向、波周期、波长、波速等波浪参数的测量，对海洋工程建设、海洋渔业生 产、海洋运输、海洋环境保护、海洋科研乃至海洋国防有着极其重要的意义和应用价值。现有波浪测量方法有加速度测量法、压力法、波面测量法、波面粗糙度反演法等， 其中除波面测量法之外其它均为间接测量。基于加速度测量和水压测量的设备均需布放在 水中，布放难度大、易丢失、维护成本高。波面测量法是利用测量波面高度变化的方法来测 量波浪参数的，即利用固定高度的探头测量探头至水面的距离变化来实现波浪测量，多数 采用非接触式(遥测)如激光、微波或超声等测量方式；波面测量设备可以安装在水面以上 的海洋构筑物如海洋石油平台上，在水位测量的基础上，通过加速采样来实现对波面高度 变化的跟踪，因此具有安全性好，维护简便的特点。但现有的应用于波面测量法的设备只能 实现波高和波周期的测量，而不能测量波向、波长和波速等重要波浪参数，从而限制了这些 仪器的应用。
发明内容针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种基于波面测量技术的基阵式波浪监 测装置。为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案一种基阵式波浪监测装置，其特 征在于它包括一固定设置的水平支架，在水平支架上至少设置三个成三角形分布的水位 计，所述三个水位计处于同一水平高度上；三个水位计均通过传输线及信号转换设备连接 到计算机处理终端。所述水位计为激光高度计、微波高度计、声学高度计之一。当所述水位计为模拟信号输出的水位计时，所述水位计的测量结果经由数据采集 器和串口转换器接入到所述计算机处理终端。当所述水位计为数字信号输出的水位计时，在所述计算机处理终端上接入一串口 扩展设备，所述水位计的测量结果经串口协议输入所述串口扩展设备。所述串口扩展设备可采用串口扩展板。本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本实用新型采用遥测方 式进行波浪测量，设备不需要入水，便于安装、不易丢失，具有安全性好，维护简便的特点。 2、本实用新型将三个水位计设置为三角形基阵式，除了具有常规波面法测波设备所具备的 波高、波周期、波谱测量功能外，还可以通过波浪的传播特性，利用基阵式波浪监测装置中 水位计之间的空间距离和夹角以及测得的波浪传播时延，测得波向、波长、波速。本实用新 型装置布局简单，测波方法也简单，是一具有实用价值的可应用的设计。
图1是本实用新型装置一实施例的示意图图2是本实用新型装置另一实施例的示意图图3是波高、波周期测量示意图图4是波在两点间传播的示意图图5是利用本实用新型装置测量波向、波速的原理图
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型的进行详细的描述。如图1所示，本实用新型利用至少三个水位计排成空间基阵，组成基阵式波浪监 测装置，装置包括如下组件一固定设置的水平支架1，在水平支架1上至少设置三个高精 度水位计2、3、4。三个水位计2、3、4在水平支架1上成三角形分布，并且因为有水平支架1 这一共同的安装基础，所以保证了三个水位计2、3、4处于同一水平高度上。三个水位计2、3、4均通过电缆5及必要的信号转换设备连接到远程的计算机处理 终端6。水位计采集到波信号，经采集处理后送入到计算机处理终端，进行计算处理，最终给 出波高、波向、波周期、波速、波长等波浪参数。根据水位计输出信号形式的不同，可以采用的信号转换有两种不同的具体方式1)对于利用串口直接输出数字信号的水位计，可在计算机处理终端6上接入串口 扩展设备7(可采用Moxa PC104串口扩展板)，如图1所示，三个水位计的测量结果直接经 由水位计上的RS232接口(传输距离较远时，可选择RS422或RS485)通过电缆接入串口扩 展设备7的三个输入端，再由串口扩展设备7将数据输入到计算机终端6作进一步处理。对 于以其他接口形式输出水位测量数据的水位计，可以按其接口要求，接入计算机等终端设 备，在此不做赘述。2)对于模拟信号输出的水位计，可将水位计输出信号直接由电缆5输入数据采集 器8 (可采用CR1000)，如图2所示，数据采集器8将其转换为数字信号，再由数据采集器上 的RS232接口(传输距离较远时，可选择RS422或RS485)或网口通过电缆接入计算机处理 终端6作进一步处理。上述水位计可以为激光高度计，或微波高度计，或声学高度计等商业化产品。实际中，水平支架1可以设置在海洋石油平台或其他海洋构筑物上，水位计安装 于其上。常规水位计上都带有传感器，对于单纯测量波高和波周期来讲，理论上利用任何 一个水位计，通过测量波峰和波谷之间的高度差，以及相邻两波峰或波谷到达的时间差，都 可以单独测量出波高和波周期。因此对于波高和波周期测量，只需要一个水位计即可，其余 两个水位计测量结果作为冗余，可以用作质量控制。但是如果还要测量波向、波速等参数， 则至少需要三个水位计才能测量。利用基阵式波浪监测装置测量波参数的方法如下1、波高、波周期的测量。利用任一个水位计，对水面高度进行连续测量，根据水面高度随时间的变化曲线， 如图3所示，波峰和波谷之间的高差即为波高H，相邻波峰或波谷之间的时间差即为波浪周期T0。2、波向、波速、波长的测量。1)根据互相关测量信号传播延时的原理，计算出波由水位计1到达水位计2的时 间，以及由水位计2到达水位计3的时间。工程界常常利用互相关法测量信号时延。互相关函数反映了两个信号的相似程 度。如图4所示，当一列波由A点传播至B点时，A点测得的波形和B点测得的波形是完全 相似的，也即两者的相关性很高，两者只是相差一个延时Tab而已。利用上式对两个信号求 相关，求得的相关函数为时差τ的函数，当τ等于τ ΑΒ时，相关函数值为最大。也即相关 函数取值最大时对应的时差τ等于波从A点传播至B点的时延τ,求解关系式为
(1)假设一列波浪沿图5所示波向由A点过B点再传至C点，其时差分别为Tab和τΑ。， 可以分别根据三个水位计测得的信号作互相关处理得到
(2)
(3)其中，T为信号测量时间。通过上述(2)、(3)式计算得到τ 和τ Ac。2)根据Tab和τ AC，计算波向、波速、波长。如图5所示，设水位计2、3、4在同一水平面上组成三角形阵列，位置点分别为A、 B、C，A、B两点距离为Lab，可测量；A、C两点距离为Lac，可测量；AB与AC之间的夹角为α， 可测量；波浪传播方向与Y轴夹角为θ，即波向；波浪传播速度为c ；周期为TcX因为Ttl已 由单个传感器测得，在以下的推导中为已知量)；波长为λ。贝IJ:c X Tab = LabX sin θ(4)cX τ Ac = LACXcos(90° - θ - α ) = LacX (sin θ X cos α+cos θ X sin α ) (5)由上述两方程联立求解，得到
(7)波长λ=CXT0(9)为方便起见，可以将三角形Δ ABC设计成内角为60°边长为L的等边三角形，则 上述实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有 所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本 实用新型的保护范围之外。
权利要求一种基阵式波浪监测装置，其特征在于它包括一固定设置的水平支架，在水平支架上至少设置三个成三角形分布的水位计，所述三个水位计处于同一水平高度上；三个水位计均通过传输线及信号转换设备连接到计算机处理终端。
2.如权利要求1所述的一种基阵式波浪监测装置，其特征在于所述水位计为激光高 度计、微波高度计、声学高度计之一。
3.如权利要求1或2所述的一种基阵式波浪监测装置，其特征在于当所述水位计为 模拟信号输出的水位计时，所述水位计的测量结果经由数据采集器和串口转换器接入到所 述计算机处理终端。
4.如权利要求1或2所述的一种基阵式波浪监测装置，其特征在于当所述水位计为 数字信号输出的水位计时，在所述计算机处理终端上接入一串口扩展设备，所述水位计的 测量结果经串口协议输入所述串口扩展设备。
5.如权利要求4所述的一种基阵式波浪监测装置，其特征在于所述串口扩展设备采 用串口扩展板。
专利摘要本实用新型涉及一种基阵式波浪监测装置，它包括一固定设置的水平支架，在水平支架上至少设置三个成三角形分布的水位计，三个水位计均通过传输线及信号转换设备连接到计算机处理终端。水位计可以为激光高度计或微波高度计或声学高度计。当水位计为模拟信号输出时，测量结果经由数据采集器和串口转换器输入到计算机处理终端。当水位计为数字信号输出时，在计算机处理终端上接入一串口扩展设备，水位计的测量结果经串口协议输入串口扩展设备。本实用新型将三个水位计设置为三角形基阵式，除了具有常规波面法测波设备所具备的波高、波周期、波谱测量功能外，还可利用水位计之间的空间距离和夹角以及测得的波浪传播时延，测得波向、波长、波速。
文档编号G01C13/00GK201653413SQ20102017146
公开日2010年11月24日 申请日期2010年4月23日 优先权日2010年4月23日
发明者兰志刚, 兰滢 申请人:中国海洋石油总公司;中海油能源发展股份有限公司