專利名稱：海洋觀測流速波浪儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
海洋觀測流速波浪儀技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及用于測量海流剖面流速、海面波浪數(shù)據(jù)、海水懸浮泥沙濃度的海洋觀測流速波浪儀。
背景技術(shù)：
[0002]海洋水體的運(yùn)動(dòng)及在海面發(fā)生的蒸汽交換是影響全球氣候變化和形成水旱等自然災(zāi)害的最重要因素，所以必須不斷監(jiān)測海流的變化，以便隨時(shí)掌握自然界的變化規(guī)律。油氣開發(fā)、建港、運(yùn)輸，海底礦產(chǎn)開發(fā)等海洋資源開發(fā)活動(dòng)也需要掌握海流的長期變化規(guī)律，以降低工程造價(jià)，保障海上作業(yè)安全。海流的實(shí)時(shí)測量和預(yù)報(bào)是獲得海上各項(xiàng)活動(dòng)重要資料的關(guān)鍵。[0003]海浪是一種重要的海洋波動(dòng)現(xiàn)象，是海洋動(dòng)力學(xué)重要組成部分之一，是海水運(yùn)動(dòng)、海氣混合和小尺度海氣相互作用等研究中的重要環(huán)節(jié)。海浪的研究有著廣泛的實(shí)際需求，從安全角度看，它和海上運(yùn)輸、海洋石油、海洋漁業(yè)、海洋工程和軍事活動(dòng)等一切海上活動(dòng)密切相關(guān)；從科學(xué)角度上看，它與海氣交換、碳循環(huán)等重大科學(xué)研究項(xiàng)目關(guān)系緊密。為了安全、經(jīng)濟(jì)地開展海上工程建設(shè)，如石油鉆井平臺(tái)，必須計(jì)算海浪對(duì)各種海上建筑物的作用力和分析深水結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。[0004]海洋開發(fā)活動(dòng)的增加，致使海洋污染加劇，同時(shí)由于森林的破壞,水土的流失,江河又帶來大量的泥沙和污染物。在港工、航道、水利及各類近岸海洋工程的建設(shè)中，水中泥沙遷移和淤積是一個(gè)關(guān)系到工程成敗的關(guān)鍵問題。正確掌握水中泥沙遷移和淤積的規(guī)律是有效開展綜合治理的前提。[0005]聲學(xué)方法是目前唯一能夠在不干擾流場的條件下連續(xù)、實(shí)時(shí)和長時(shí)間測量不同水層的三維流速和流向，測量海面波浪的波高、周期及方向，測量水中懸浮污染物的垂直分布及其隨時(shí)間的變化過程。目前，采用聲學(xué)方法對(duì)海流流速、海面波浪、海水懸浮物進(jìn)行測量的分別有多普勒聲學(xué)流速剖面儀(ADCP)、聲學(xué)波面跟蹤儀器或ADCP波浪固件、聲學(xué)后散射懸沙測量儀(ABS)，各儀器分別測量海水中的各物理量。由于聲學(xué)測量方法的需要，各儀器需要分開布置，相互之間需要隔開一定距離，所占用的體積就很大。另外，各儀器的外部通信接口也不完全一樣，數(shù)據(jù)記錄及傳輸需要有專門的設(shè)備進(jìn)行處理，增加了處理的難度及復(fù)雜度。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型解決的問題是需要多臺(tái)儀器組合測量海流剖面流速、海面波浪數(shù)據(jù)、海水懸浮泥沙濃度的問題。[0007]為解決上述問題，本實(shí)用新型公開一種海洋觀測流速波浪儀，該波浪儀包括發(fā)射機(jī)、一個(gè)第一換能器、至少三個(gè)第二換能器、接收機(jī)和信號(hào)處理器。所述發(fā)射機(jī)產(chǎn)生用于測量懸浮泥沙濃度的第一發(fā)射信號(hào)和用于測量海水流速的第二發(fā)射信號(hào)。所述第一換能器轉(zhuǎn)換所述第一發(fā)射信號(hào)為第一聲波信號(hào)，還接收各水層反射該第一聲波信號(hào)而產(chǎn)生的第一回波信號(hào)。所述至少三個(gè)第二換能器繞第一換能器均勻分布，每一個(gè)第二換能器偏離所述第一換能器10° 30°，轉(zhuǎn)換所述第二發(fā)射信號(hào)為第二聲波信號(hào)，還接收各水層反射該第二聲波信號(hào)而產(chǎn)生的第二回波信號(hào)。所述接收機(jī)放大所述第一回波信號(hào)或者第二回波信號(hào)。所述信號(hào)處理器處理放大的第一回波信號(hào)而獲得懸浮泥沙的濃度，處理放大的第二回波信號(hào)而獲得海水的流速和海浪數(shù)據(jù)。[0008]可選地，所述第一換能器朝豎直方向發(fā)射該第一聲波信號(hào)，所述第二換能器的數(shù)量是三個(gè)且繞所述第一換能器均勻分布而與第一換能器呈120°。[0009]可選地，所述第一換能器朝豎直方向發(fā)射該第一聲波信號(hào)，所述第二換能器的數(shù)量是四個(gè)且繞所述第一換能器均勻分布而構(gòu)成Janus配置。[0010]可選地，所述海洋觀測流速波浪儀還包括屏蔽板，該屏蔽板設(shè)置在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間。[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn):[0012]1、本實(shí)用新型包括第一換能器、至少三個(gè)第二換能器、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和信號(hào)處理器，通過第一換能器和第二換能器分別發(fā)射第一聲波信號(hào)和第二聲波信號(hào)，還接收第一聲波信號(hào)的第一回波信號(hào)以及第二聲波信號(hào)的第二回波信號(hào)，并由接收機(jī)放大所述第一回波信號(hào)和第二回波信號(hào)后由信號(hào)處理器處理放大的第一回波信號(hào)而獲得懸浮泥沙的濃度，處理放大的第二回波信號(hào)而獲得海面波浪的波高、周期及方向和水流流速，集成了多普勒聲學(xué)流速剖面儀(ADCP )、聲學(xué)后散射懸沙測量儀(ABS )、波浪計(jì)(Wave Gauge )等儀器的功能，不需要由多臺(tái)設(shè)備分別測量這些參數(shù)，進(jìn)而，避免了多個(gè)儀器同時(shí)工作所占用體積大，接口數(shù)據(jù)處理的繁瑣的問題。[0013]2、由于設(shè)置有屏蔽板，這樣，確保發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間不存在干擾，保證測量精度。


[0014]圖1是第一實(shí)施方式的海洋觀測流速波浪儀的正視圖；[0015]圖2是圖1所示的海洋觀測流速波浪儀的俯視圖；[0016]圖3是第二實(shí)施方式的海洋觀測流速波浪儀的俯視圖。
具體實(shí)施方式
[0017]為詳細(xì)說明本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所達(dá)成目的及功效，下面將結(jié)合實(shí)施例并配合附圖予以詳細(xì)說明。[0018]請(qǐng)參閱圖1和圖2，第一`實(shí)施方式的海洋觀測流速波浪儀包括發(fā)射機(jī)1、一個(gè)第一換能器2、四個(gè)第二換能器3、接收機(jī)4和信號(hào)處理器5。所述發(fā)射機(jī)I安裝于不銹鋼殼體6上，產(chǎn)生用于測量懸浮泥沙濃度的第一發(fā)射信號(hào)和用于測量海水流速的第二發(fā)射信號(hào)。所述第一發(fā)射信號(hào)和第二發(fā)射信號(hào)在本實(shí)施方式中是電壓信號(hào)。所述第一換能器2安裝于位于所述不銹鋼殼體6上的換能器頭7上，(不銹鋼殼體6和換能器頭7構(gòu)成框架結(jié)構(gòu))轉(zhuǎn)換所述第一發(fā)射信號(hào)為第一聲波信號(hào)，并朝豎直方向發(fā)射該第一聲波信號(hào)。在本實(shí)施方式中，該第一聲波信號(hào)是500kHz的正弦脈沖信號(hào)。由于第一換能器2發(fā)射的第一聲波信號(hào)在豎直方向傳播，所以，本實(shí)用新型的流速波浪儀在豎直方向上不能有物體的遮擋，當(dāng)所述第一聲波信號(hào)豎直向上發(fā)射時(shí)，豎直方向上不能有物體遮擋。所述第一聲波信號(hào)用于測量懸浮泥沙的濃度，而懸浮泥沙濃度不僅與回波強(qiáng)度有關(guān)，也與現(xiàn)場泥沙直徑的大小有關(guān)，所以要獲取懸浮泥沙濃度，必須進(jìn)行現(xiàn)場泥沙直徑的標(biāo)定。在發(fā)射所述第一聲波信號(hào)結(jié)束后，第一換能器2接收各水層反射該第一聲波信號(hào)而產(chǎn)生的第一回波信號(hào)。所述接收機(jī)4放大第一回波信號(hào)。所述信號(hào)處理器5處理放大的第一回波信號(hào)而獲得懸浮泥沙的濃度，信號(hào)處理器5處理放大的第一回波信號(hào)可以采用現(xiàn)有技術(shù)，這樣的現(xiàn)有技術(shù)可以是:先對(duì)放大的第一回波信號(hào)進(jìn)行采樣，然后，由回波強(qiáng)度與懸浮泥沙濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再通過現(xiàn)場標(biāo)定，就能獲取各水層懸浮泥沙濃度。[0019]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖1和圖2，所述第二換能器3繞第一換能器2均勻分布而構(gòu)成Janus配置，這樣，四個(gè)第二換能器3的第二聲波信號(hào)在水平面內(nèi)的投影互成90°。每一個(gè)第二換能器3偏離所述第一換能器2的角度a是10° 30°，比如10°、11°、13°、15°、16°、18°、20°、22°、24°、25。、27°、29°或者30°，每一個(gè)第二換能器3轉(zhuǎn)換所述第二發(fā)射信號(hào)為第二聲波信號(hào)，并向海面發(fā)射第二聲波信號(hào)，在本實(shí)施方式中，是發(fā)射300kHz由偽隨機(jī)碼調(diào)制的正弦脈沖信號(hào)，發(fā)射結(jié)束后，再接收由不同水層散射的第二回波信號(hào)。所述接收機(jī)4放大該第二回波信號(hào)。所述信號(hào)處理器5對(duì)該放大的第二回波信號(hào)進(jìn)行復(fù)協(xié)方差運(yùn)算，獲取不同水層的多普勒頻偏，得到不同水層的水流流速；接著，通過四個(gè)第二換能器3的四個(gè)波束的回波時(shí)間或各層水流的流速，由表面跟蹤法或流速單元矩陣法就可以獲取海浪數(shù)據(jù)，海浪數(shù)據(jù)包括海面波浪的波高、周期及方向。[0020]綜上所述，本實(shí)用新型通過一臺(tái)設(shè)備即可獲得海面波浪的波高、周期及方向、水流流速和懸浮泥沙濃度，所以，該海洋觀測流速波浪儀集成了多普勒聲學(xué)流速剖面儀(ADCP)、聲學(xué)后散射懸沙測量儀(ABS)、波浪計(jì)(Wave Gauge)等儀器的功能，不需要由多臺(tái)設(shè)備分別測量這些參數(shù)，進(jìn)而，避免了多個(gè)儀器同時(shí)工作所占用體積大，接口數(shù)據(jù)處理的繁瑣的問題。[0021]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖1，本實(shí)用新型的海洋觀測流速波浪儀還包括屏蔽板8、電池包9和電源處理器10，該屏蔽板8設(shè)置在發(fā)射機(jī)I和接收機(jī)4之間而將發(fā)射機(jī)I和接收機(jī)4隔開，這樣，由于屏蔽板8的屏蔽作用，發(fā)射機(jī)I與接收機(jī)4之間不存在干擾而確保測量的精度。所述電池包9為本實(shí)用新型海浪儀的電源。所述電源處理器10可以調(diào)整電池包9的輸出電壓，進(jìn)而，發(fā)射機(jī)I可以產(chǎn)生不同幅 度的第一發(fā)射信號(hào)和第二發(fā)射信號(hào)。[0022]請(qǐng)參閱圖3，本實(shí)用新型還公開另一種海洋觀測流速波浪儀，該波浪儀與第一實(shí)施方式的波浪儀相比:第二換能器3的數(shù)量是三個(gè)，繞所述第一換能器2均勻分布而與第一換能器2呈120°，該種方式的海浪儀也具有第一實(shí)施方式的海浪儀的優(yōu)點(diǎn)，唯一的區(qū)別在于精度低于第一實(shí)施方式的海浪儀器。[0023]在上述第一實(shí)施方式和第二實(shí)施方式中，第一換能器2在豎直方向上發(fā)射第一聲波信號(hào)，所以，第一實(shí)施方式和第二實(shí)施方式的海洋觀測流速波浪儀的布放應(yīng)該與水平面垂直，如果不垂直，后處理數(shù)據(jù)必須利用姿態(tài)傳感器進(jìn)行校正，以保證分層回波信號(hào)與水層的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
權(quán)利要求1.海洋觀測流速波浪儀，其特征是:該波浪儀包括發(fā)射機(jī)、一個(gè)第一換能器、至少三個(gè)第二換能器、接收機(jī)和信號(hào)處理器，其中， 所述發(fā)射機(jī)產(chǎn)生用于測量懸浮泥沙濃度的第一發(fā)射信號(hào)和用于測量海水流速的第二發(fā)射信號(hào)； 所述第一換能器轉(zhuǎn)換所述第一發(fā)射信號(hào)為第一聲波信號(hào)，還接收各水層反射該第一聲波信號(hào)而產(chǎn)生的第一回波信號(hào)； 所述至少三個(gè)第二換能器繞第一換能器均勻分布，每一個(gè)第二換能器偏離所述第一換能器10° 30°，轉(zhuǎn)換所述第二發(fā)射信號(hào)為第二聲波信號(hào)，還接收各水層反射該第二聲波信號(hào)而產(chǎn)生的第二回波信號(hào)； 所述接收機(jī)放大所述第一回波信號(hào)或者第二回波信號(hào)； 所述信號(hào)處理器處理放大的第一回波信號(hào)而獲得懸浮泥沙的濃度，處理放大的第二回波信號(hào)而獲得海水的流速和海浪數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋觀測流速波浪儀，其特征是:所述第一換能器朝豎直方向發(fā)射該第一聲波信號(hào)，所述第二 換能器的數(shù)量是三個(gè)且繞所述第一換能器均勻分布而與第一換能器呈120°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋觀測流速波浪儀，其特征是:所述第一換能器朝豎直方向發(fā)射該第一聲波信號(hào)，所述第二換能器的數(shù)量是四個(gè)且繞所述第一換能器均勻分布而構(gòu)成Janus配置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的海洋觀測流速波浪儀，其特征是:所述海洋觀測流速波浪儀還包括屏蔽板，該屏蔽板設(shè)置在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種海洋觀測流速波浪儀。該波浪儀包括第一換能器、至少三個(gè)第二換能器、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和信號(hào)處理器。通過第一換能器和第二換能器分別發(fā)射第一聲波信號(hào)和第二聲波信號(hào)，還接收第一聲波信號(hào)的第一回波信號(hào)和第二聲波信號(hào)的第二回波信號(hào)，然后，由接收機(jī)放大第一回波信號(hào)和第二回波信號(hào)，信號(hào)處理器處理第一回波信號(hào)而獲得懸浮泥沙濃度以及處理第二回波信號(hào)而獲得海面波浪的波高、周期及方向以及水流流速，集成了多普勒聲學(xué)流速剖面儀(ADCP)、聲學(xué)后散射懸沙測量儀(ABS)、波浪計(jì)(Wave Gauge)等儀器的功能，進(jìn)而，避免了多個(gè)儀器同時(shí)工作所占用體積大，接口數(shù)據(jù)處理的繁瑣的問題。
文檔編號(hào)G01C13/00GK203116736SQ20132008842
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月27日
發(fā)明者彭東立, 許偉杰, 王建中, 翁國忠 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站