1、船用儀器儀表一種船用波浪測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)組長(zhǎng)：董云鶴組員：馬守達(dá)、宋文濤、馬一山設(shè)計(jì)波浪測(cè)量?jī)x的目的和意義：在海洋工程建設(shè)、航海中，海浪是海洋觀測(cè)要素中最重要、最復(fù)雜的一種。目前波浪測(cè)量的方法除目測(cè)外，只要有航空測(cè)波法、儀器陣列法、波浪方向浮標(biāo)法、壓力式測(cè)波法、光學(xué)測(cè)波法、聲學(xué)測(cè)波法和雷達(dá)測(cè)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(cè)海浪是十分重要的。目前，航行中有很多是靠目測(cè)來確定海浪的，但目測(cè)誤差大，特別是在夜晚和惡劣天氣是根本不能觀測(cè)。如果在實(shí)際航行中，用現(xiàn)有的波浪測(cè)量?jī)x來預(yù)測(cè)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(cè)波

2、儀器主要是用于定點(diǎn)測(cè)量,很少用于船舶航行中實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)。這種測(cè)量系統(tǒng)是以船舶自身為測(cè)量?jī)x器,根據(jù)船的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)反演波浪。本文運(yùn)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(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。市場(chǎng)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(cè)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(shí)間為T，則有：L=1/2CT,測(cè)準(zhǔn)C和T就可得到準(zhǔn)確的L，由L隨時(shí)間變化的序

3、列值就可提取波浪參數(shù)。儀器價(jià)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(cè)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(jī)服務(wù)器兩大部分組成，傳感器包含一個(gè)雷達(dá)測(cè)波傳感器和運(yùn)動(dòng)傳感器，運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)補(bǔ)償船體本身運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)波的影響。主機(jī)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(bǔ)償。儀器價(jià)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(shí)時(shí)測(cè)量方向波普。儀器價(jià)格需面議，1萬至2萬元。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上的大多數(shù)波浪測(cè)量?jī)x造價(jià)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(cè)波儀大多數(shù)是用

4、于定點(diǎn)測(cè)量的產(chǎn)品，很少有產(chǎn)品用于船舶航行的實(shí)時(shí)測(cè)量。我們小組的項(xiàng)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(jì)性價(jià)比更高的測(cè)波儀。設(shè)計(jì)方案：根據(jù)海浪理論,隨機(jī)海浪被看成是均值為零的平穩(wěn)隨機(jī)過程,建立了隨機(jī)海浪模型。系統(tǒng)看作是線性系統(tǒng),船舶運(yùn)動(dòng)是在隨機(jī)海浪擾動(dòng)激勵(lì)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(jì)理論和高階累計(jì)量理論，運(yùn)用刀R模型對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)頻率響應(yīng)特性進(jìn)行了初始辨識(shí)。設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)時(shí),分別從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行了研究。硬件方面采用了高速運(yùn)算能力的DSP芯片，可以高效地對(duì)傳感器送來的信號(hào)進(jìn)行采樣和處理;軟件方面運(yùn)用了數(shù)字濾波和數(shù)字積分

5、對(duì)采集到的加速度信號(hào)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(shí),采用了FFT算法，提高了運(yùn)算速度，更好地保證了波浪的實(shí)時(shí)測(cè)量。這種測(cè)波系統(tǒng)可用于船舶航行時(shí),包括夜間,實(shí)時(shí)地觀測(cè)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(jì)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(shí)呈現(xiàn)出復(fù)雜的不規(guī)則的海面波動(dòng)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(zhǎng)較長(zhǎng),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(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，進(jìn)入DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；GPS及電子羅盤信號(hào)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(jī)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(jì)：系統(tǒng)硬件主要由3部分組成：中央處理器、傳感器、接收機(jī)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(cè)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(duì)加速度信號(hào)具有很好的檢測(cè)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(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)。該器件帶有低通濾波并已做零g補(bǔ)償，還提供休眠模式（3A）；它噪音低，提供精確的墜落、傾斜、移動(dòng)、震動(dòng)和搖擺感應(yīng)靈敏度；設(shè)計(jì)穩(wěn)定、防震能力強(qiáng)。為了得到船的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，本系統(tǒng)中采用電子羅盤來測(cè)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(cè)量航向、傾斜角和磁場(chǎng)強(qiáng)度，精度高、體積小、抗干擾能力強(qiáng)，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(yùn)動(dòng)推算波浪的過程中，會(huì)受到航速的影響。所以本系統(tǒng)加了GPS接收機(jī)，測(cè)航速以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。軟件設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)是將波浪作為激勵(lì)，船的運(yùn)動(dòng)作為響應(yīng)，根據(jù)船舶耐波性原理，將船舶運(yùn)動(dòng)看成是在波浪輸入激勵(lì)下船舶水動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的輸出。傳感器采集到的三軸加速度信號(hào)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(hào)，結(jié)合方位傳感器所測(cè)得的傾角，可以獲得船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。然后根據(jù)船的運(yùn)動(dòng)信號(hào)與波浪擾動(dòng)之間的關(guān)系，由船的運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)。波浪測(cè)量?jī)x的軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化和主循環(huán)兩部分。初始化

9、部分包括對(duì)DSP的初始化、外設(shè)初始化等。對(duì)DSP進(jìn)行初始化時(shí)，要對(duì)MCBSP進(jìn)行初始化OMS320VC5402采用兩個(gè)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(duì)子區(qū)中哪個(gè)寄存器進(jìn)行的，串行口子數(shù)據(jù)寄存器（SPSD）用來對(duì)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(jī)進(jìn)行顯示。整個(gè)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(jì)的波浪測(cè)量?jī)x與市場(chǎng)上其他相比：測(cè)量波浪的儀器有很多,比如波浪浮標(biāo),超聲波波

10、浪測(cè)量?jī)x等,這些都是用于定點(diǎn)測(cè)量的。如果想測(cè)定船在航行中海域的實(shí)時(shí)海浪信息,用定點(diǎn)測(cè)量的儀器不太方便。比如在測(cè)量波浪時(shí),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(cè)量?jī)x器本身有浪級(jí)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(shí)時(shí)測(cè)量海浪信息的測(cè)波系統(tǒng)是非常有必要的。本文研制的這種測(cè)波系統(tǒng)是不同于衛(wèi)星的大面積海洋觀測(cè),也不同于海面上的一點(diǎn)或幾點(diǎn)的觀測(cè)。大面積海洋觀測(cè)可提供海區(qū)的宏觀預(yù)報(bào),而定點(diǎn)觀測(cè)可作出局部預(yù)報(bào),這兩種測(cè)量方法都不能提供船舶在航行過程中海域的實(shí)時(shí)波浪信息。而船舶走航式波浪測(cè)量系統(tǒng)是在船舶航行中通過船的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)實(shí)

11、時(shí)測(cè)量波浪的,能夠提供船舶航行中的實(shí)時(shí)海浪信息。最初的波浪觀測(cè)技術(shù)是通過目測(cè)實(shí)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(cè)資料還幾乎全部采用人工或借助于岸用測(cè)波儀的目測(cè)方法。經(jīng)過良好訓(xùn)練的專業(yè)人員通過目測(cè)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(cè)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(shí)不能通過目測(cè)來觀測(cè)海浪,大浪卻往往在這時(shí)產(chǎn)生,因此在水運(yùn)工程中已不建議用目測(cè)方法。目前波浪測(cè)量的方法除目測(cè)外,主要有航空測(cè)波法、儀器陣列法、波浪方向浮標(biāo)法、壓力式測(cè)波法、光學(xué)測(cè)波法、聲學(xué)測(cè)波法和雷達(dá)測(cè)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(cè)技術(shù)。至于三維波浪的測(cè)量,廣義上講有兩種方法:一是在同一點(diǎn)上測(cè)量多個(gè)參數(shù),比如表面浮筒的橫搖、縱搖、升沉或者壓力和兩個(gè)方向的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度,這種布置有時(shí)也叫做三參量傳感器;一是多個(gè)傳感器組成的空間網(wǎng),即每一個(gè)傳感器往往只測(cè)一個(gè)波動(dòng)參量,如波浪表面高度等。近三十年來,波浪觀測(cè)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(cè)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(cè)量?jī)x器,包括安裝在固定平臺(tái)上或者水下浮體上的流速儀和壓力儀。重力式測(cè)波儀一般用于海面上,用來測(cè)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(cè)波儀器。利用固定平臺(tái),測(cè)波桿、雷達(dá)或激光等也都可被用來跟蹤

13、海表面的運(yùn)動(dòng)。國外測(cè)量波浪的儀器主要有荷蘭datawen公司生產(chǎn)的波浪騎士測(cè)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(gè)單軸加速度傳感器、一個(gè)電磁羅盤和一個(gè)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(cè)量浮標(biāo)體的六個(gè)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(cè)量表面波引起的壓力波動(dòng)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(cè)量波浪的基本原理是:首先獲得浮筒自身運(yùn)動(dòng)的垂直加速度信號(hào),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(shí)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(jì)成本：DSP芯片選用TMS320VC5402價(jià)格：450飛思卡爾半導(dǎo)體公司制造的MMA7260QT型三軸加速度傳