[发明专利]一种倒置式多波束回声仪及海面波浪测量方法

说明书

本发明公开了一种倒置式多波束回声仪及海面波浪测量方法。该方法包括以下步骤：将倒置式多波束回声仪固定于水底或安装于水下潜标，通过发射换能器阵向水面发射波束，通过接收换能器阵接收回波信号；倒置式多波束回声仪根据接收到的回波信号获得回波的到达角和到达时间；结合实时声速剖面信息、声线跟踪算法、换能器表面声速、姿态仪以及多波束数据，获得回声仪上方特定区域内海面波动信息；将海面高度波动数据与压力传感器数据自行存储，或通过水密线缆或无线方式传输到船上或岸边基站，从而实现对海面波浪变化信息的采集。进一步，对所采集的数据进行统计处理，得出波浪的波高、周期等相关参数。本发明能够长期、方便地采集海面波浪相关信息并记录海面的起伏变化。

技术领域

本发明属于水声测量和信号信息处理技术领域，尤其涉及一种倒置式多波束回声仪及海面波浪测量方法。

背景技术

海洋系统复杂多变，水体动态交换频繁，存在着形式多样的动力过程。对海洋系统的研究离不开对风、浪、流、潮等物理要素变化规律的掌握和预测。海面波浪测量技术是海洋探勘的重要研究内容之一，也是海洋科学研究和工程应用中一个显著的关注点。海洋波浪的研究一直是海洋工程领域内重要的研究内容，准确实时的海洋波浪的测量是船舶导航、海洋工程、海洋预报、防灾减灾、和航海安全的重要需求。

波浪测量方法可以分为：直接测量法和遥感方法。直接测量法一般将测量仪器直接放置在测量水域内，直接测量波浪；遥感方法表示仪器远程通过为微波、电磁波、光信号进行波浪信息的测量。

例如感测量方法中的微波雷达遥感测试法通过微波雷达采集一定时间顺序下的雷达图像序列，获得海浪波数谱，进而估算出海浪波高数据。该方法计算得到的有效波高与海床结构等因素有关，一次定标的参数仅适用于一片固定的海面，无法应用于未知海域的波高估计。直接测量方法中的传统坐底式波浪测量仪通过将坐底式声学测波仪安装在水下或是海底，避免了海面大风浪及过往行驶船舶对观测系统的破坏，但是声学换能器数目较少，可以通过使用多波束回声仪增加多个角度的回波信息提升测量的精度。以上方法都存在对应的应用不足。

因此，寻找一种可长期值守、快速方便获得海面波浪相关信息并记录海面起伏变化的方法成为目前研究的重点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种倒置式多波束回声仪及海面波浪测量方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种倒置式多波束回声仪，包括多波束声纳探头、耐压舱体、表面声速头、压力传感器和显控与后处理平台，分为水上部分和水下部分。显控与后处理平台为水上部分；水下部分包括多波束声纳探头、耐压舱体、表面声速头和压力传感器。压力传感器用于测定水下部分的压力。工作时水下部分固定于水底或水下潜标，其中多波束声纳探头以倒置的方式安装。

多波束声纳探头包括发射换能器阵、接收换能器阵和电路模块；发射换能器阵用于根据电信号向水面发射波束，接收换能器阵用于接收回波信号转换成电信号；电路模块用于发射、接收换能器的电信号并计算回波的到达角和到达时间。

表面声速头用于测定换能器表面的声速。

耐压舱体内包括姿态传感器和数据转发存储模块；数据转发存储模块包含串口服务器、串口分配器、交换机和调制解调模块。其中，姿态传感器用于测定水下部分的姿态。

串口分配器和交换机分别与多波束声纳探头连接，串口服务器连接表面声速头。

姿态传感器通过串口分配器将姿态数据传输给多波束声纳探头及四串口服务器；四串口服务器接收经串口分配器转发的姿态数据以及来自压力传感器、表面声速头的数据，并转发给交换机；交换机接收四串口服务器转发的数据及多波束声纳探头数据，并转发给调制解调模块；调制解调模块将所有数据上传到显控与后处理平台。

显控与后处理平台根据接收的数据计算得到海面波高、周期信息。