聲波式剖面流速波浪實時測量傳輸系統(tǒng)設計(平臺式)

1、A W A C聲波式剖面流速波浪實時傳輸系統(tǒng)青島諾泰克測量有限公司N o r t e k(Q i n g d a oM e a s u r i n g E q u i p m e n t C o.,L T D.T E L:0532-*F A X:0532-*目錄一、序二、儀器選型三、系統(tǒng)框圖四、系統(tǒng)工作原理一、序AWAC聲波式剖面流速波浪實時傳輸系統(tǒng)旨在提供實時有效可靠水溫、流速、波浪、壓力、潮位、鹽度等數(shù)據(jù),并根據(jù)相關數(shù)據(jù)作科學預測。系統(tǒng)采用世界上最先進的升學多普勒法測量海流剖面流速,采用PUV和AST(聲表面跟蹤技術兩種方法測量波浪,使用GSM網(wǎng)絡無線數(shù)據(jù)傳輸完成實時系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?？?/p>

2、實現(xiàn)遠程現(xiàn)場數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)分析。二、儀器選型1、波浪流速儀 Acoustic Wave And Current(AWAC聲波式剖面流速波浪儀1MHz定置或實時傳輸式AWAC(上圖所示性能指標a.聲波探頭數(shù):4個探頭,其中之一為垂直正中,余為傾斜20°。b.系統(tǒng)運作模式:自記式及長期實時傳送監(jiān)控。c.最大布放深度:20-50公尺。d.量測流層距離:0.5、1.0、2.0公尺可選擇性。e.剖面流層數(shù):一般為2050個,最多128個。f.最大數(shù)據(jù)輸出頻率:1秒(以內(nèi)。g.儀器內(nèi)取樣頻率:46Hz。h.量測深度范圍:5m到50m。i.坐標系:東、北、上三方向。j.速度范圍:±10m

3、/s以內(nèi)。附帶傳感器A.溫度計:內(nèi)建于感應器頭之溫度計。操作環(huán)境:-4到40。精度/分辨率:-0.1/0.01。響應時間:10分鐘以內(nèi)。B.羅盤:液態(tài)Flux-gate。最大傾測:30°以內(nèi)。精度/分辨率:2°/0.1°以內(nèi)。傾斜儀:液態(tài)水平儀。精度/分辨率:0.2°/0.1°以內(nèi)。C.向上/下擺置:自動偵測。壓力計:壓力阻抗式(Poezoresistive。量測范圍:0200公尺。精度/分辨率:取樣值的0.25%/0.005%以內(nèi)。*1MHz實時傳輸式AWAC工作原理 如上圖所示聲波訊號沿著相同的波束被發(fā)送及接收,根據(jù)多普勒原理將水中的懸浮粒

4、子的流速流向計算出來量測的流速為該水層的平均流速。因其聲波束相當窄小所以沒有旁波效應(sidelobe即當聲波束接近不同介質接口時所產(chǎn)生的偏折現(xiàn)象 多普勒偏移及測量方式AWAC是利用知名的多普勒偏移之物理原理測量水流速度。如果視聲源相對于接收器而移動,則其相對的聲波傳輸頻率會有所偏移。在AWAC中,這現(xiàn)象系以下列公式表示:所以當我們得知FDoppler、FSource、C即可計算出v。V=F Doppler/F Source*(C/2其中FDoppler=所接收到頻率的變化量,即所謂的多普勒偏移FSource=AWAC所送出聲波的頻率V=水流速度C=音速(如在水中則為水中聲速在AWAC中,同一

5、聲波探頭系同時作為發(fā)聲器及接收器。傳出的音波會被水里的物體所反射,然后由同一聲波探頭所接收。此時探頭所接收到回傳的多普勒位移實際上為水中微細顆粒的兩倍移動速度(相對于聲波探頭所造成。這是因為AWAC上之聲波探頭既是發(fā)聲源也是接收器,而當水中顆粒接收由探頭傳來的入射聲波時因顆粒與探頭的相對速度V產(chǎn)生了第一次的多普勒偏移;然后當探頭接收到此移動顆粒反射回來的聲波時(此時的聲波頻率已經(jīng)有多普勒偏移又因為顆粒與探頭的相對速度V而產(chǎn)生了第二次的多普勒偏移。AWAC聲波探頭傳送出一個已知頻率的聲波脈沖,當此脈沖在水中行進時,會被水里的物體所反射。此種反射也就是散射,而此散射的強弱(即反射的強度,是一個水中

6、顆粒數(shù)量及大小的函數(shù)即稱為訊號強度(strength或訊號振幅(Amplitude?；貍鞯挠嵦栍陕暡ㄌ筋^所接收,AWAC經(jīng)由計算頻率的改變,來算出水中顆粒相對于探頭的速度。AWAC聲波探頭會將大部分的聲波能量集中在一條狹窄的波束中發(fā)送。水中顆粒經(jīng)過各波束而測得的多普勒偏移,與顆粒本身的速度成一定的比例關系。而水流的速度可視為其所帶動顆粒的速度;所有垂直于波束的顆粒移動都不會造成多普勒偏移。綜合數(shù)個聲波探頭所得的速度,并且知道這些顆粒與探頭的相對方向后,三度空間的速度即可算出。速度層(depth cells之位置: 在測量多普勒偏移時,AWAC會先送出一個脈沖。此脈沖沿著聲波束傳遞,并在從AWA

7、C離開時產(chǎn)生回音。這個回音被接收后會先放大,再分割成小的段落,每一個段落都對應一個量測到的速度層。在決定速度層的確實位置時,有三項原則必須遵守:1.速度層的大小與位置,系由傳輸脈沖長度與所回收到的回音段落大小所決定。就數(shù)學而言,速度層是傳輸脈沖長度與回音段落的矩陣轉換。2.速度層并非將該層內(nèi)所有點都付予同樣比重,而是以向中心點靠近者逐漸增加其比重。當傳輸脈沖與接收脈沖在AWAC中相符合時,比重函數(shù)會類似一個三角形(如右圖所示。3.由于速度層所顯示的速度是以該層向中心點靠近者逐漸增加比重,因此我們以速度層三角比重中心線的位置定義為該速度層的位置。因此如右圖所示因不感區(qū)為30cm(54-14;而第

8、一個速度層的位置為第一個三角比重中心線的位置(104CM。AWAC測量波浪流速的優(yōu)勢優(yōu)于傳統(tǒng)的流速量測科技:a只要一個AWAC即能量測整個剖面水層b不需要考慮水層中的障礙物對儀器本身所造成的干擾c沒有需替換的零件(如螺旋槳等d不需作定期校正e不會因有附著物而產(chǎn)生量測誤差優(yōu)于普通聲學波浪流速測量技術:a測量并記錄由水底至水面整個水流剖面的各個層面流速流向b波高數(shù)據(jù)有壓力傳感器(PUV法和垂直聲學波束(AST表面聲跟蹤法同時提供,即可更好的測量場周期波,亦可測量短周期波(由當?shù)仫L產(chǎn)生的波浪。(傳統(tǒng)PUV法測量對長周期敏感,對短周期波無法感知。2.鹽度計技術參數(shù)如下:探頭尺寸400mm(長×

9、;64mm(直徑溫度深度740米(塑料3000米(鈦合金范圍-5至+35重量(塑料1259克(空氣中,389克(水中精度±0.002電源3V CR123A鋰電池分辨率小于0.00005存儲器4MB固態(tài)存儲器時間常數(shù)小于3秒;小于95毫秒(另選通訊RS-232漂移小于0.002/年下載速度19.2-57.6Kbaud電導時鐘精度±30秒/年范圍0-70mS/cm(海洋型軟件Windows95/98/NT/2000/XP精度±0.003mS/cm校準NIST標準分辨率小于0.0001mS/cm時間常數(shù)小于10毫秒3.GSM數(shù)據(jù)終端及電源模塊A W A C與GSM數(shù)據(jù)終

10、端及電源模塊圖產(chǎn)品特性采用GPRS分時復用的Class8的標準支持數(shù)字、語音、短消息和傳真經(jīng)過R&TTE的認證三、系統(tǒng)集成圖 四、系統(tǒng)工作原理 1系統(tǒng)組成 a.AWAC 波浪流速儀組件 包括：AWAC 波浪流速儀、鹽度計、流速儀電池倉、流速儀海底安裝架及水密電纜 b.數(shù)據(jù)傳輸終端組件 包括：海底水密通訊電纜、GSM 數(shù)據(jù)終端、太陽能電池板、警示燈、蓄電池 c.客戶終端控制組件控制組件 包括：客戶終端控制計算機、調制解調器 2組件連接和系統(tǒng)工作流程 a.組件連接： AWAC 與 GSM 數(shù)據(jù)傳輸終端之間為水密電纜直接連接， 數(shù)據(jù)傳輸終端與客戶終端中控機之 GSM 間通過 GSM 網(wǎng)絡連接

11、。 b.組件功能： l AWAC 波浪流速儀采集波浪和流速數(shù)據(jù) 其有兩個分離的波高量測模式：一個是使用壓力傳感器，另一種是使用垂向聲束(AST。對 平靜的波浪時，當資料由傳統(tǒng)式的壓力感應器量測時將會因儀器布放的深度而受很大的影 響。此時，表面高度必須用一個聲波式的高度感應器(垂直式的探頭量測波高。(1波高范 圍 資料量測模式：壓力及沿每一個波束選取一個流速層。 量測流層距離：0.5、1.0、2.0 米可選擇性。 最大數(shù)據(jù)輸出頻率：2Hz(以內(nèi)含。 儀器內(nèi)取樣頻率：46Hz。 取樣期間之取樣數(shù)：512，1024 或 2048 次可選擇性。 所有的原始數(shù)據(jù)都會被儲存于水中 AWAC 內(nèi)存中及通過

12、GSM 調制解調器傳送回客戶終端主 機內(nèi)。 (2波向量測范圍： 波向的量測從海面下 3 米以上的流向資料與波高資料計算轉換而得。 對攪動的海況來說；用 于轉換波向的該層深度應該自動被調整為平均水位 也就是 Hmax/2。 量測的參數(shù)為：平均波向及波向分布，波向單位為度。 所有的原始數(shù)據(jù)都會被儲存于水中 AWAC 內(nèi)存中及通過 GSM 調制解調器傳送回客戶終端主 機內(nèi)。 l GSM 數(shù)據(jù)傳輸終端用于完成 AWAC 與控制機（控制計算機）之間的無線連接，實現(xiàn)控制 機對 AWAC 的實時在線控制。 l 控制機用于實時接收、實時控制、數(shù)據(jù)顯視、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理。 控制機通過 GSM 調制解調器經(jīng) G

13、SM 網(wǎng)絡接受 AWAC 采集的所有資料，對每個波及水流整體 的量測(2Hz，1024 秒來說，當資料搜集的行程完成后儀器會搜集將的資料數(shù)據(jù)存儲至器內(nèi) 存中。當控制中心呼叫時，自動將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)會存儲于波浪、流速儀中直到接收到 呼叫的訊號為止。假如主動的傳輸失敗了，波浪、流速儀應該自動回到量測狀態(tài)。 （1） 客戶終端主機圖像顯示界面 顯示界面由目錄列(Menu Bar、工具列(Tool Bar、狀態(tài)列(Status Bar以及各別分開的統(tǒng) 計數(shù)據(jù)畫面所組成。 包括以下畫面顯示： 1）通訊狀態(tài)(活動式卷簾，聯(lián)機訊息等。 2）最近一筆取得的數(shù)據(jù)(表列式 raw data 。 3）最后的統(tǒng)計參數(shù)數(shù)據(jù)，包括 Hs、Hmo、Tp、Ve/Vn 等 4）過往數(shù)據(jù)的圖表(以時間為序列的 Hs、Hmo、Tp、Ve/Vn 等。 5）流速流向及波高波向數(shù)據(jù)的逐時變化圖。 6）波高波向、流速流向、周期及水位變化時間序列顯示；顯示期間長短可由使用者自定 7）波浪頻譜分析圖、波壓及波速數(shù)據(jù)時間序列剖面圖、水溫變化、壓力(水位變化、水中 儀器目前位置變化數(shù)據(jù)（heading、pitch、roll 等） 。 (2遠程數(shù)據(jù)傳輸 由于使用