电子罗盘校准方法的设计与实现

电子罗盘在波浪浮标中用于实时提供波浪浮标所处的方位.为解决嵌入了Matlab的电子罗盘校准系统可移植性差、过程繁杂、运行速度慢的问题,设计了新的校准系统.将由14位串行A/D转换器Max194从波高数据采集系统中获得的模拟信号转换成的数字信号接入到微控制器中,微控制器负责控制方位数据的采样频率和A/D转换芯片,再利用串口转换芯片将输出的电平信号转换成RS232信号,由计算机对此进行处理.该系统采用了绘图功能完备、处理速度出众、可移植性好的ProEssentials结合VC++来处理多功能方位测试台采集到的方位数据,并绘制成采样数据比较图和误差图,来直观地展现电子罗盘的误差情况.实验测试表明,该电子罗盘校准系统具有可移植性好、功耗低、稳定性强、运行速度快的特点.该校准系统已经广泛应用于波浪浮标、3m浮标等的生产中.     

漂流式波浪浮标及其在西北太平洋的观测应用

波浪观测是海洋观测的主要内容之一,对海浪的现场观测和深入研究对准确预报海浪具有十分重要的意义。本文设计了一种新型漂流式波浪浮标,采用高精度惯性导航模块作为测量元件,同时高频获取三轴加速度、角加速度、欧拉角、地磁数据,通过内置ARM处理器对测量数据进行波浪参数的采集和解算。浮标具有整体体积小、成本低的特点,既可以漂流观测,也可以定点锚系观测,能够实现对海浪的长期、大范围、高精度观测应用。本文通过该漂流式波浪浮标在2019年西北太平洋航次的观测应用,对西北太平洋黑潮延伸体海区和日本海区域海浪的有效波高、周期等波浪要素的时空变化特征进行了详细分析,取得了良好的测量结果。     

基于MEMS加速度计空投浮标的波浪测量方法试验研究

针对基于MEMS加速度传感器的空投波浪浮标存在采样频率与测波精度低的问题，根据频域衰减积分算法，提出一种相应的波浪测量算法，为了验证该算法测波的准确性，开展了多功能水槽试验研究。该算法旨在将MEMS加速度传感器输出的加速度与姿态角转化为浮标运动的波形，首先将加速度与姿态角信号进行竖向处理获得竖直方向的加速度，再利用离散傅里叶变换将竖向加速度转化为频域内的加速度复数序列，然后引入控制函数减弱低频噪声，经过频域积分、离散傅里叶逆变换、时域积分获得竖直方向的位移，最后通过后处理得到最终的波形。多功能水槽试验采取10中不同波高和周期的工况，对比空投波浪测量浮标与波高仪的测量结果，试验结果表明，浮标的测量误差在10%以内，达到测波标准。     

摆式、液浮式和捷联式磁通门罗盘及其静动态使用精确度

本文首先以本公司按照美国军标要求(0.4°)研制的航空磁通阀为例说明摆式磁通门定向传感器的静态精度已经达到0·2°水平。进而通过原理分析和国内外各种结构线路对比,提出了研制达到或超过美国869型固态罗盘精度(校准后1°)的国产摆式二轴磁通门罗盘的综合措施,介绍了本公司为波浪轨迹浮标研制的 FQG—1型传感器的结构性能,接着探讨了美国136M 型海流计应用的液浮式磁通门罗盘的误差因素,并指出了保持其简易性和微型化而又加以精化的途径;最后从评述摆式和液浮式罗盘动态性能入手,阐明采用捷维式智能罗盘对提高海洋浮标等运动载体使用精度的的重要意义和这种先进技术至今不能应用到海洋仪器领域的原因,并介绍了本公司的海洋数据遥测浮标研制的 FQCX—1方位倾斜测量系统的原理、构成、性能、安装校正方法以及浮标装备效果。     

球形波浪浮标结构参数对其升沉运动性能的影响

对球形波浪浮标进行了静力学分析,并结合球形波浪浮标吃水线的一般设计要求得出了球形波浪浮标的平均密度与海水密度的关系式。利用球形波浪浮标在受到波浪激励时的运动响应方程并结合球形波浪浮标的结构参数特点,得出了球形波浪浮标在波浪激励下的升沉运动振幅与激励波浪振幅相一致的理论条件和结构参数。以国家海洋技术中心最新研发的直径480 mm球形波浪测量浮标为研究对象,结合海洋表面波分类特征,研究了该球形浮标体在常规波浪激励下的升沉运动响应的相关性能,并给出了在测量不同周期的波浪时,该球形浮标体升沉运动的理论响应振幅系数。通过以上分析得出了直径480 mm球形波浪测量浮标在测量周期为1 s以上的波浪时具有非常优越的随波浪升沉运动的性能。文章的相关分析为球形波浪浮标的进一步研究提供了理论基础。     

海洋测深中的波浪效应改正技术

以GPS海洋测量手段为代表的现代海洋测量技术已经形成,海洋测量的测深、定位两大主题已得到较好的解决。但是,海洋水深测量数据的改正和归算理论与方法还需要进一步改进。本文对海洋测深中的波浪效应问题进行探讨,提出了波浪效应改正技术,为提高精密海底信息场测量与表征的精度,建立了海洋水深测量数据的改正和归算问题中由波浪效应引起的相关测深改正的数学模型。     

波浪动力滑翔机海洋环境监测系统

波浪动力滑翔机将海洋波浪起伏转化为前向推进运动,同时,利用太阳能系统为电气设备提供驱动电源,可以实现长时间、远距离的走航测量,具有定点虚拟锚泊和路径自动跟踪的功能。首先分析了波浪动力滑翔机在海洋环境监测中的必要性以及当前国外技术发展现状;随后,从波浪动力滑翔机工作过程解析入手,分析了其结构组成和运动机理,给出了成功设计的关键和要领,并近似确定了第三代波浪动力滑翔机的基本物理参数;最后,总结了第二代波浪动力滑翔机的性能指标,以及其在海洋环境监测中的广泛应用。     

多功能波浪浮标研制

多功能波浪浮标是一种可在海洋台站和近海进行波浪(含波向)、表层水温、表层海水盐度三项水文要素自动测量和信息处理的观测装置。该浮标的研制目的是解决水温和盐度传感器现场安装和连续长期使用所遇到的问题,把我国目前海浪观测技术提高到世界先进水平,并且替代至今赖以进口的同类仪器。目前,国际上较实用的波向浮标主要有两大类:表面波向测量浮标和水下波向测量浮标。前者有美国的956型(改进型为1156型)波浪跟踪浮标、荷兰的波浪骑士方向浮标,这两种浮标都是遥测型浮标,可获得实时测量信息,956型波浪跟踪浮标只能测量波浪要素。80年代,国…     

海洋粉质粘土在波浪荷载作用后的不排水抗剪强度衰化特性

通过对南海重塑粉质粘土土样的大量动三轴试验结果分析,得到此种土在波浪荷载作用后不捧水抗剪强度衰化同动载作用引起的动应变幅及平均累积孔压之间的相互关系和预估公式;并通过与超固结土样的静三轴剪切试验结果的比较,发现动、静三轴两种试验结果具有很好的吻合关系。建议可用超固结土样的静三轴剪切试验同时结合部分动三轴试验来预估土样在波浪荷载作用后不排水抗剪强度衰化与平均累积孔压之间的关系。     

利用DMC数字罗盘仪修正测深三维数据的探讨

在海域进行水深测量时,由于波浪、风力等因素的影响,测量船只或大或小的存在着上下、横纵摇摆运动。这种运动在测深点位和测深值两个方面影响着测深数据的稳定性、准确性,导致所描述的水下地形与实际的水下地形严重脱节,影响各项工程建设的需要。利用瑞士徕卡公司生产的DMC数字罗盘仪实时记录测深换能器的姿态,并实施换能器姿态纠正,可有效地削弱测深数据的误差,更好地满足各类工程建设对测深成果的需要。     

基于GPS的水下导航算法误差仿真研究

首先介绍了水下导航算法,采用GPS和水下参量测算相结合的方案,即当运行器在水下运行时,利用电子罗盘测量运行器的相对航向,水流传感器测算运行器的相对速度大小,利用学习阶段计算出海水流速,在水下运行器潜行时进行船位推算导航,用GPS精准的定位信号进行导航误差的校正。此算法精度的高低很大程度上取决于用来进行水下参量测算的传感器和用来方位校准的GPS。文中从各个传感器的误差着手,通过模拟仿真详细分析了电子罗盘、水流传感器和GPS的误差对导航精度的影响,对工程应用具有实际的指导意义。     

基于MPI的LAGFD-WAM海浪数值模式并行算法研究

在LAGFD-WAM海浪串行数值模式基础上,利用MPI信息传递机制实现其并行化。通过对模拟区域合理划分,对数据采取分块加载,实现了各个节点的负载平衡;通过对算法的改进实现了粗粒度计算,大幅度减少了通信量,从而提高了程序的执行效率。对串行计算和并行计算的效率比较表明,本文建立的方法能够得到较高的加速比。对全球海浪模式,加速比和CPU数目大致呈线性关系。对高分辨率的区域海浪模式,在128 CPU条件下加速比可以达到91.9。     

A study on kinematics characteristics of freak wave

Based on the 3rd-order Stokes wave theory, the speed of freak waves is formulated in terms of the period and the wave height. Finite modified wave steepness gives rise to a significant enhancement of the nonlinear contributions to the freak wave speed in comparison with the 3rd-order Stokes wave theory. For a fix modified wave steepness, the estimated amplification of the nonlinear contributions due to the deviation from the 3rd-order Stokes wave theory is 0.22～0.99. In addition, the velocity and acceleration fields are also documented in detail. In the present simulation, the horizontal velocities are smaller than the wave speed, and the freak wave exhibits a maximal horizontal velocity up to 37% of the wave speed and a maximal vertical acceleration up to about 20% of the gravitational acceleration.     

磁通门罗盘的原理

磁通门罗盘是一种新型罗盘。此罗盘的关键部件是探头,探头主要是由高导磁的软磁材料做成的磁环和线圈组成。当在初级线圈加上交变的激励信号时,即可得到与次级线圈在地磁场中相对应的磁方位角。本文介绍其原理,并对其进行了理论分析。     

Comparison of experimental irregular water wave elevation and kinematic data with new hybrid wave model predictions

Surface water wave elevations and kinematics from four unidirectional irregular wave trains, with a Pierson and Moskowitz or JONSWAP random wave spectrum, were measured in the laboratory using resistance wave probes and a laser Doppler anemometer. The wave elevation data, velocity time series, extreme (largest) wave horizontal velocity profiles and extreme wave acceleration fields are compared with the predictions of a new wave kinematics model, named the hybrid wave model. Irregular waves are commonly viewed as the summation of many linear wave components of different frequencies, but more accurate predictions of downstream surface elevations (wave evolution) and wave kinematics are attained by considering the non-linear interactions among wave components. The hybrid wave model incorporates these non-linear wave component interactions, and its wave evolution predictions and kinematics estimates are compared with laboratory measurements in this study. Linear random wave theory, Wheeler stretching and linear extrapolation wave kinematic prediction techniques are also compared. Comparisons between measurements and hybrid wave model estimates demonstrate its improved capability to predict velocity and acceleration fields and wave evolution in two-dimensional irregular waves.     

近海测波多传感器优化配置模拟与设计研究

研究了测波浮标中GPS传感器和加速度传感器共同作用下对近海测波的影响。介绍了测波浮标数据采集系统的基本框架和硬件设计;为提高测波浮标系统的测量精度,对多传感器进行了优化配置和信息的融合处理,并通过仿真验证了该设计性能的优越性。     

On local and convective accelerations in steep wave events

The local and convective accelerations of steep irregular wave events have been investigated. These properties are measured by a two-camera PIV technique. Furthermore, the experiments are compared with two different theories including a fully nonlinear and a simplified analytical model. An important result is that the convective term is of the same order of magnitude and of opposite sign as the local acceleration. The convective acceleration term can therefore not be neglected in acceleration and force estimates.     

Probability distribution of random wave forces in weakly nonlinear random waves

Based on the second-order random wave theory, the joint statistical distribution of the horizontal velocity and acceleration is derived using the characteristic function expansion method. From the joint distribution and the Morison equation, the theoretical distributions of drag forces, inertia forces and total random wave forces are determined. The distribution of inertia forces is Gaussian as that derived using the linear wave model, whereas the distributions of drag forces and total random forces deviate slightly from those derived utilizing the linear wave model. It is found that the distribution of wave forces depends solely on the frequency spectrum of sea waves associated with the first order approximation and the second order wave–wave interaction.