基于多传感器融合的波浪谱数据获取与传输方法研究_NormalPdf.docxVIP

第54卷第3期

第54卷第3期2023年5月

Vol.54,No.3May,2023

OCEANOLOGIAETLIMNOLOGIASINICA

基于多传感器融合的波浪谱数据获取与传输方法研究*

张维星1党超群1,2①张锁平1王斌1,2孙东波1周莹1邢霄波1,2

(1.国家海洋技术中心天津300112;2.自然资源部海洋观测技术重点实验室天津300112)

摘要波浪谱分析是研究随机波浪、构建波浪模型、计算海浪要素的主要方法,也是海洋工程设计、波浪能应用研究等的重要依据。目前对于现场波浪数据的获取仅局限于波浪特征参数和部分频段数据,为了获取准确有效的波浪谱信息,提出微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS)和全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)测波传感器相结合的波浪谱数据获取方法以及利用北斗短报文数据传输的通信方式。综合考虑波浪谱数据特点和北斗短报文通信能力,波浪谱数据选用半精度数据类型编码并设计了相应的数据传输格式。现场海试结果表明该方法对于全波谱数据计算和传输较为准确,有效波高、峰值周期、平均波向和方向扩展的准确率相比于单独GPS传感器计算结果分别提升了12.5%(0.1m)、5%(0.2s)、8%(13°)和13%(8°),为海浪观测资料获取提供了新方法和新思路,可以进一步满足海洋多要素研究和对完整频谱分析的实际应用需求。

关键词测波传感器;波浪谱;波浪浮标;北斗短报文通信;数据传输

中图分类号P714doi:10.11693/hyhz20220900236

波浪谱是研究海浪的重要数据。理论上可由谱计算各种特征波高和周期(Houghtonetal,2021),利用这些特征量可推算海浪的构成以及描述海浪的内外结构(王倩等,2018)。此外,波浪谱还可用于海浪预报,波浪的绕射和折射,水工建筑物的作用力(Rodeetal,2016),船体、浮标和其他浮体对海浪的响应,以及泥沙运动等许多工程应用问题的研究(王艺之等,2022)。因此对于完整波浪谱数据的计算与实时获取具有重要的研究价值。

波浪浮标作为海浪观测的重要装备,其测波传感器主要分为两种,即全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)传感器和加速度传感器(王波等,2014)。GPS接收机通过载波频率的多普勒频移测量速度,可实现精确的海浪测量(党超群等,2016)。由于卫星信号需要视线,因此只能在180°半球视角下看到,这种基本几何结构在水平面上比在垂直面上提供了更

高的精度。Herbers等(2012)952研究表明,使用低价的GPS接收机无法准确解算垂直运动,尤其是在非常陡峭的波浪中变得不太可靠。微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS)传感器的开发使加速度计更小、更灵敏和更可靠(张泽凯等,2022)。但在低频涌浪部分,加速度计的波浪测量是有噪声的,信噪比受到小加速度和非线性浮标运动的污染,谱估计会产生一定的误差(Yurovskyetal,202)。此外,为实时快速获取波浪谱信息,目前海洋浮标的通信方式主要采用移动网络通信、无线电通信和卫星通信。前两种方式受传输距离限制,不适合用于远海通信。因此大多数浮标选择卫星通信的方式,尤以铱星和海事卫星为主,但综合考虑数据安全和数据传输质量以及费用等方面,两者均存在一定的不足(杨军平等,2019)。鉴于我国自主研发的北斗卫星导航系统不仅可以实现定位、导航等服务,其具备的短报文通

*自然资源部海洋观测技术重点实验室定向研究基金项目,2022klootB01号;国家海洋技术中心科技创新基金,K5200Z004号。张维星,硕士研究生,E-mail:1622921338@

①通信作者:党超群,工程师,Email:dangchaoqun06@163.com

收稿日期:2022-09-15,收修改稿日期:2022-10-17

646