（控制理论与控制工程专业论文）船舶走航式波浪测量系统研究.pdf

学位论文完成日期： 至翌! 翌：三：圭 指剥币繇塑堑丝 答辩委员会成员签字：垒兰叠 兰叁! 塾 丝垦主 ! 亟! 垫 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ! 逵；翅遗查墓丝益要挂别直明数：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：元苒 签字日期：口年j 月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意以下 事项： l 、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复e 附和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。 2 、学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权清华大学”中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社”用于出版和编入c n k i 中国知识资源总库， 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲元晦 签字日期：为一年j 月寥日 形 扣 岳 妨移哨 字 沙 辩 船舶走航式波i l 良i p l 1 j 量系统研究 摘要 海洋是一个新兴的具有战略意义的开发领域。海洋中蕴含无尽的资源，要开 发利用海洋就必须优先发展海洋观测技术。其中，波浪的观测对于海洋工程的建 设具有极其重要的作用。我国目前的测波仪器主要是用于定点测量，很少用于船 舶航行中实时测量的。为了能使远洋航行中的船舶实时地测量海浪，保证船舶的 安全航行，设计一种船舶走航式波浪测量系统是非常有必要的。 本课题致力于研制一种具有高技术和高可靠性的船舶走航式波浪测量系统。 这种测量系统是以船舶自身为测量仪器，根据船的运动姿态反演波浪。本文运用 了先进的d s p 技术，提出了基于d s p 的加速度式船舶走航式波浪测量系统的设计 方法。 本文比较详细地介绍了船舶走航式波浪测量系统的设计过程，给出了系统的 整体设计方案。根据海浪理论，随机海浪被看成是均值为零的平稳随机过程，建 立了随机海浪模型。系统看作是线性系统，船舶运动是在随机海浪扰动激励下的 这一线性系统的输出。并根据船舶耐波性，结合谱估计理论和高阶累计量理论， 运用a r 模型对船舶运动频率响应特性进行了初始辨识。设计d s p 系统时，分别 从硬件和软件两个方面进行了研究。硬件方面采用了高速运算能力的d s p 芯片， 可以高效地对传感器送来的信号进行采样和处理；软件方面运用了数字滤波和数 字积分对采集到的加速度信号进行滤波和积分处理，提高了系统的抗干扰能力， 减少了系统的硬件设备。在数据处理时，采用了f f r 算法，提高了运算速度，更 好地保证了波浪的实时测量。这种测波系统可用于船舶航行时，包括夜间，实时 地观测波浪，有助于船舶的安全航行，还可起到积累可靠的波浪统计资料的作用。 论文共分五部分。第一部分从课题的背景出发，论述了目前波浪测量方面的 国内外发展状况，提出了本课题采用的关键技术及其研究的意义。第二部分简单 介绍了船舶走航式波浪测量系统的研究方案。接着研究了海浪的特性及其模型的 建立，并根据船的耐波性分析了船舶运动姿态与波浪激励之间的关系。讲述了海 浪的特征值计算，根据船的运动规律，初步提出了船舶运动模型，对船舶运动频 率响应特性做了初始辨识。第四部分则详细设计了测波系统的硬件和软件。最后， 对本文的结果进行了分析，并对下一步的工作进行了展望。 关键词：加速度传感器；船舶运动；a r 模型；d s p ；数字积分 s t u d yo nw a v e m e a s u r e m e n ts y s t e mb ys h i pm o t i o ni n n a v i g a t i o n a b s t r a c t o c e a ni san e wd e v e l o p i n gf i e l dw h i c hh a sas t r a t e g i cs i g n i f i c a n c e t h e r ea r e e n d l e s sr e s o u r c e si nt h es e aa n dw em u s tg i v ep r i o r i t yt ot h ed e v e l o p m e n to ft h eo c e a n o b s e r v a t i o nt e c h n o l o g yb e f o r ed e v e l o p i n ga n du s i n gi t n l eo b s e r v a t i o no fw a v ep l a y s ac e n t r a lr o l ei nt h ec o n s t r u c t i o no fm a r i n ee n g i n e e r i n gw o r k s n o w a d a y s ，0 1 1 1 7 c o u n t r y sw a v em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t sa r em a i n l yu s e di naf i x e dp o i n tf i e l da n d a l m o s tn o n eo ft h e mc a l lb eu s e dt om e a s u r er e a l t i m ea st h es h i pi ss a i l i n g i ti s n e c e s s a r yt od e s i g nw a v em e a s u r e m e n ts y s t e mb ys h i pm o t i o ni nn a v i g a t i o ni no r d e r t oa l l o wr e a l t i m em e a s u r e m e n t so fw a v ef o ro c e a n g o i n gs h i pa sw e l la st oe u s u r e s a f en a v i g a t i o no ft h es h i p t h i sp a p e rh a m m e r sa to n el 【i n do f 址g h - t e c ha n dh i g hr e l i a b i l i t yw a v e m e a s u r e m e n ts y s t e mb ys h i pm o t i o ni nn a v i g a t i o n t h i sm e a s u r e m e n ts y s t e mu s e st h e s h i pi t s e l fa st h em e a s u r i n gi n s t r u m e n ta n di tm e a s u r e st h ew a v eb yp o s t u r eo ft h e s h i pm o t i o n o n ed e s i g no fw a v em e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do n t h ed s pa c c e l e r a t i o n i sp r o p o s e di nt h i sp a p e ra n di ta d o p t sa na d v a n c e dd s pt e c h n o l o g y t h i sp a p e rd e s c r i b e si nd e t a i ld e s i g np r o c e s so fw a v em e a s u r e m e n ts y s t e mb y s h i pm o t i o ni nn a v i g a t i o na n dg i v e st h es y s t e m so v e r a l ld e s i g n r a n d o mw a v e s a l e c o n s i d e r e da saz e r om e a ns t a t i o n a r yr a n d o mp r o c e s sa c c o r d i n gt ow a v et h e o r y , a n d t h e nt h em o d e lo far a n d o mw a v ei se s t a b l i s h e d s h i pm o v e m e n ti sv i e w e d 鹤t h e o u t p u to ft h el i n e a rs y s t e mu n d e rt h e d i s t u r b a n c ee x c i t e db yr a n d o mw a v e s c o m b i n e dt h es h i p ss e ak e e p i n gw i t hs p e c t r a le s t i m a t i o nt h e o r ya n dh i g h e r - o r d e r c u m u l a n t st h e o r y , t h ei n i t i a li d e n t i f i c a t i o no f 丘e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sf o r s h i pm o v e m e n ti sc a r r i e do u ti na r m o d e l b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a v eb e e n d e s c r i b e di nt h ed e s i g no fd s ps y s t e m s d s pc h i pw i t hah i g h s p e e dc o m p u t i n g p o w e r i sa d o p t e dt os a m p l ea n dp r o c e s st h es e n s o rs i g n a le f f e c t i v e l y ；t h ed i g i t a lf i l t e r a n dd i g i t a li n t e g r a t i o ni su s e di nt h es o f t w a r et of i l t e ra n dp r o c e s st h ea c c e l e r a t i o n s i g n a l ，w h i c hc a ni m p r o v ea n t i d i s t u r b i n gc a p a b i l i t ya n d r e d u c eh a r d w a r ec o m p o n e n t s f f t a l g o r i t h mi si n t r o d u c e di nd a t ap r o c e s s i n gt og u a r a n t e ec o m p u t a t i o ns p e e da n dt o b e t t e re n s u r et h er e a l t i m em e a s u r e m e n to fw a v e t h ei n s t r u m e n tc a nb eu s e di nt h e n a v i g a t i o no ft h es h i p ，i n c l u d i n go nt h en i g h t i tf a c i l i t a t e st h es a f en a v i g a t i o no fs h i p a n dt h ea c c u m u l a t i o no ft h er e l i a b l es t a t i s t i c so nw a v e t h et h e s i sc a nb ed i v i d e di n t of i v ep a r t s t l l ef i r s tp a r td i s c u s s e st h ed o m e s t i c a n di n t e m a t i o n a ld e v e l o p m e n to fw a v em e a s u r e m e n t sa c c o r d i n gt ot h eb a c k g r o u n do f t h ep r o g r a m ，a n dp r e s e n t st h ek e yt e c h n o l o g i e su s e di nt h i ss u b j e c ta n di t sr e s e a r c h s i g n i f i c a n c e t h e s e c o n d p a r t d e s c r i b e s s i m p l y r e s e a r c h p r o g r a m o nw a v e m e a s u r e m e n ts y s t e mb ys h i pm o t i o ni nn a v i g a t i o n 1 1 1 et h i r dp a r ti n t r o d u c e st h e i i i w a v e sc h a r a c t e ra n dr a n d o mw a v e sm o d e lc o n c i s e l y i ta n a l y z e st h ef u n d a m e n t a l r e l a t i o nb e t w e e nt h eg e s t u r eo ft h es h i pm o t i o na n dt h ew a v ei n s p i r eo nt h eb a s i so f s h i p ss e ak e e p i n g t h et h i r dp a r tf i r s tt e l l sa b o u tt h e c a l c u l a t i o n so ft h ew a v e se i g e n - v a l u ea n dt h e nb r i n g su pt h es h i p sm o t i o nm o d e ii nt e r m so ft h es h i p sm o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i c sp r e l i m i n a r i l y a c c o r d i n gt ot h es h i p sm o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e c a l c u l a t i o no fw a v ee i g e n v a l u ei si n t r o d u c e da n dt h em o v e m e n tm o d e l o fs h i pi s p r o p o s e d ，a n di sa l s om a k e sp r e l i m i n a r yi d e n t i f i c a t i o no f t h es h i p sm o t i o nf r e q u e n c y r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s t h ef o u r t hp a r td i s c u s s e st h ew a v em e a s u r i n gi n s t r u m e n t s h a r d w a r ed e s i g na sw e l la ss o f t w a r ed e s i g n f i n a l l y , t h er e s u l t so ft h i sp a p e ra r e a n a l y z e d ，a n dt h en e x ts t e po fw o r k i se x p e c t e d k e yw o r d s ：a c c e l e r a t i o ns e n s o r ；s h i pm o v e m e n t ；a rm o d e l ；d s p ；d i g i t a l i n t e g r a t i o n 目录 1 引言一l 1 1 课题提出的背景一1 一 1 2 国内外发展状况2 1 3 课题的研究内容及其关键技术一4 一 1 3 1 本课题研究的主要内容一4 1 3 2 本课题采用的关键技术一4 一 1 4 选题研究的意义一6 2 船舶走航式波浪测量系统的研究方案一7 2 1 船舶走航式波浪测量技术的概述一7 2 2 系统方案的设计原则一7 2 3 系统方案的实现一7 2 3 1h i b e r t 变换及a r 建模一7 2 3 2d s p 技术方案的设计一8 2 3 2 1d s p 芯片的选取一8 2 3 2 2d s p 数据处理技术一9 2 4 本章小结一9 3 随机海浪的扰动及船舶运动一1 1 3 1 随机海浪模型的建立一1 1 3 1 1 常用海浪谱一1 1 3 1 2 长峰波海浪一1 2 3 2 船舶在海浪中的运动一1 3 3 2 1 规则波中船舶运动的微分方程一1 3 3 2 2 不规则波中船舶运动一1 4 3 3 本章小结一1 7 4 船舶频率响应特性的初始辨识一1 8 4 1 海浪的特征参数一1 8 4 1 1 波浪特征参数的定义一1 8 4 1 2 波浪特征参数的计算一1 8 4 2 船舶运动频率响应特性的辨识一2 0 4 2 1h il b e r t 变换一2 0 4 2 2 船舶运动频率响应初始辨识一2 l 一 4 2 2 1 船舶运动的高阶累积量一2 l 一 4 2 2 2a r 模型的建立一2 2 4 2 2 3a r 模型参数估计及阶次估计一2 3 4 3 本章小结一2 5 5 硬件系统的设计一2 6 5 1 总体设计一2 6 5 2 器件选型一2 6 一 v 5 2 1 三轴加速度传感器一2 6 5 2 2 方位传感器一2 9 5 3 数据采集电路一3 1 5 4d s p 与外界设备的接口一3 2 5 4 1d s p 与a d 转换器的接口设计一3 2 5 4 2d s p 与t c m 3 、g p s 和p c 机通讯的接口设计一3 3 5 4 3d s p 与外扩存储器的接口设计一3 5 5 5 本章小结一3 6 6 软件设计一3 7 6 1 软件的总体设计一3 7 6 2 加速度信号及方位信号采集的程序设计一3 8 6 2 1m c b s p 口的初始化一3 8 6 2 2 串口转换芯片的初始化一3 9 6 2 3 数据采集一4 0 一 6 3 本章小结一4 0 7 数据处理一4 l 一 7 1f f i - d d i 的基本思想一4 l 一 7 2 数字积分的软件设计一4 2 7 3 数据处理的程序设计一4 3 7 3 1 去直流分量一4 3 7 3 2f f t 滤波一4 4 7 3 3 数字积分一4 5 7 4 试验数据分析一4 8 7 5 本章小结一5 0 8 成果及展望一5 1 8 1 成果一5 l 一 8 2 展望一5 1 一 参考文献一5 2 一 致谢一5 4 一 个人简历一5 5 一 发表的学术论文一5 5 船舶走航式波浪测量系统研究 1 引言 海洋是一个新兴的具有战略意义的开发领域。早在2 0 世纪7 0 年代，世界就 开始向海洋进军。海洋占地球表面积的7 1 ，蕴藏着无尽的资源，如何打开这一 资源宝库并利用这一深邃的空间，是当前世界各国密切关注的重大问题。2 1 世 纪是海洋的世纪。随着微电子技术、传感器技术以及信号处理技术等技术的快速 发展，海洋观测技术有了很大的发展。 我国是发展中国家中的海洋大国，同发达国家一样，海洋也必将成为决定我 国经济实力和政治地位的一个及其重要的因素。海洋水产业、油气工业及盐化工 业等已成为国民经济的支柱性产业。然而我国处于西北太平洋，是狂浪、风暴潮 及海冰等海洋灾害多发的区域，所以极易遭受海洋灾害的袭击。在海洋工程建设 和航海中，海浪相比其他海洋要素，是最重要也是最复杂的一种。海浪能够造成 船舶的摇摆，影响船舶航行的速度，造成船舶偏移航向，甚至还有可能造成沉船 事故；其次，海浪还能影响其它海上作业，比如危害捕捞，破坏海岸防护，港口 码头及波堤等。海浪对自然、人类也有有利的一面，它能促使海水上下层混合， 使混合后的水层富含氧气，从而满足海洋生物的需要；波浪的巨大能量还能用来 发电，是人类未来的巨大能源之一。 由此可见，波浪作用是海岸工程、海洋工程和船舶上的主要载荷。在开发海 洋资源、发展海洋经济时，对海浪的观测是必不可少的。 1 1 课题提出的背景 随着科学文化的发展，人类对资源的需求越来越多。特别在当今世界，人们 正面临着人口、资源、环境三大方面的问题，其中尤为重要的就是资源问题。海 洋是孕育生命的摇篮，蕴藏着非常丰富的资源。如何开发利用这一资源，是世界 各国密切关注的重大问题。海洋要开发，海洋观测技术的发展必须先行。 在海洋观测要素中，海浪是极其重要的一种。海浪的形成原因很多，可能是 风和日月的吸引力，也可能是地震以及船舶运动等。根据现代科学理论，海浪分 为风浪、涌浪和近岸浪三种。风浪是指在风的作用下海面形成的波浪，此时呈现 出复杂的不规则的海面波动起伏状况；涌浪是指在风停止作用后，海面上所余下 的波，或者是传播到风区以外的波以及风向改变很大后所余下的波浪，其波长较 长，波高较小，波形较规则；近岸浪则是由外海的风浪或涌浪传到海岸附近，因 受地形影响而改变性质的海浪。 船舶走航式波浪测量系统研究 船舶在远洋航行中遭遇的海况非常恶劣，并且不可避免。目前，船在远洋航 行中，确定航行海域的海浪主要靠目测。但目测误差大，而且不同的人其观测误 差也不一样。除此之外，船舶设计的成功与否，最终要以实船在海上航行的性能 来检验，而海上经常有风浪，所以需要提供可靠的海浪资料馏1 。与此同时，在船 舶结构强度试验和船舶减摇装置试验中也要求测定海浪谱。测量迎船海浪对水翼 艇的航行控制也很有用，可根据波浪的大小来控制水翼角，从而使水翼艇保持适 当的高度。另外，随船实时测量海浪还可以成为船舶操作者的得力助手，减轻人 们目测海浪的负担，并且增强了可靠性。获得航行海域实时的波浪信息在船舶耐 波性相关试验、优化船舶操纵和控制品质中也起到很关键的作用。总之，在船航 行中实时报告波浪信息，不但可以积累航行中海域波浪资料，还可以为众多的海 洋船舶设计、试验、控制、操纵相关项目等提供基础条件。 测量波浪的仪器有很多，比如波浪浮标，超声波波浪测量仪等，这些都是用 于定点测量的。如果想测定船在航行中海域的实时海浪信息，用定点测量的仪器 不太方便。比如在测量波浪时，需要两次停航来进行投放和回收，收放比较困难， 再加上这些波浪测量仪器本身有浪级上的限制问题，在稍高的波浪中进行此类作 业是非常艰巨的。所以，研制一种不需要停航投放、能在船舶航行中实时测量海 浪信息的测波系统是非常有必要的。 本文研制的这种测波系统是不同于卫星的大面积海洋观测，也不同于海面上 的一点或几点的观测。大面积海洋观测可提供海区的宏观预报，而定点观测可作 出局部预报，这两种测量方法都不能提供船舶在航行过程中海域的实时波浪信 息。而船舶走航式波浪测量系统是在船舶航行中通过船的运动姿态实时测量波浪 的，能够提供船舶航行中的实时海浪信息。 1 2 国内外发展状况 最初的波浪观测技术是通过目测实现的，直到2 0 世纪9 0 年代末期，我国获 得的海洋沿海波浪观测资料还几乎全部采用人工或借助于岸用测波仪的目测方 法。经过良好训练的专业人员通过目测方法所得到的波高还是有比较好的可信度 的，却不适合于测量波周期和波浪的不规则性。除此之外，在夜晚和恶劣天气时 不能通过目测来观测海浪，大浪却往往在这时产生，因此在水运工程中已不建议 用目测方法。 目前波浪测量的方法除目测外，主要有航空测波法、仪器阵列法、波浪方向 浮标法、压力式测波法、光学测波法、声学测波法和雷达测波法等。按仪器布设 的空间位置来分，可分为水下、水面、水上和太空( 如卫星遥感) 四种观测技术。 至于三维波浪的测量，广义上讲有两种方法：一是在同一点上测量多个参数，比 船舶走航式波浪测量系统研究 如表面浮筒的横摇、纵摇、升沉或者压力和两个方向的水质点运动速度，这种布 置有时也叫做三参量传感器；一是多个传感器组成的空间网，即每一个传感器往 往只测一个波动参量，如波浪表面高度等口1 。近三十年来，波浪观测技术在国际 上突飞猛进地发展，发达国家的海浪观测技术已从水下、水体表面、水上发展到 利用卫星水下波浪测量仪器，包括安装在固定平台上或者水下浮体上的流速仪和 压力仪。重力式测波仪一般用于海面上，用来测量浮筒升沉高度、斜度或水平位 移，是目前最通用也是我国使用最多的一种测波仪器。利用固定平台、测波杆、 雷达或激光等也都可被用来跟踪海表面的运动h 1 。 国外测量波浪的仪器主要有荷兰d a t a w e l l 公司生产的波浪骑士测波浮筒式 浮标、挪威f u g r oo c e a n o r 的w a v e s c a n 浮标和美国e n d e c o y s i 公司的11 5 6 波 浪方向轨迹浮标等。这些浮标基本上配有一个单轴加速度传感器、一个电磁罗盘 和一个双轴倾角传感器。加拿大的a x y s 公司生产的t r i a x y s 波浪方向浮标是通 过测量浮标体的六个自由度的状态，来获取海浪的资料。美国i n t e r o c e a n 公司 生产的s 4 a d w 压力式波浪仪是通过利用高分辨率传感器来测量表面波引起的压 力波动获取海浪资料。 一 国内的波浪浮标主要有山东省科学院海洋仪器仪表研究所生产的l o m 直径 的大浮筒和中国海洋大学生产的小浮筒等。浮筒测量波浪的基本原理是：首先获 得浮筒自身运动的垂直加速度信号，然后经过两次积分得出浮筒的升沉位移，进 而利用浮筒在不同频率波浪作用下的响应函数，得出相应的波浪频谱和相应的时 间序列。压力式波浪仪主要有中科院南海所生产的s z s 3 - 1 型自容式压力波潮、 厦门海天高新技术研究所生产的s b y l 一l 型直读式压力波浪仪与自容式压力波浪 仪等。 船载测波技术在国内应用甚少。p i e r s o n 和m o s k o w i t z 曾利用安装在天气船 中的船载波浪测量系统( s b w r ) 发展了著名的p - m 谱。这种s b w r 被安装在天气 船和灯船上，由此获得了北海开发早期的波浪资料。它主要是将两个传感器对称 地安装在船的两侧，每个传感器上都有一个垂直加速度计和压力计，压力计通过 船边侧上的孔与海水相通，它要时刻保持在水中。但这种测波方法测量数据不太 准确，还需要在船上留有小孔，对船的安全不利。目前随船测量的仪器有来自日 本的实验报道，其主要原理是用船用雷达测波嵋1 。最近几年，国内的任福安等人 首次在国内使用船载雷达对海面的波浪进行测量，海浪雷达回波的视频信号经过 一系列处理后，可以得出雷达海浪数值图和二维波谱等嵋1 。但从海上获得的有效 波高比较差。 不同的现场波浪观测仪器，是依据不同的原理制作的，从而都有其自身的适 用性和局限性，规划和设计者应根据不同的要求，采用不同的仪器，以适用于特 定的海况；同时我国海洋工程越来越向深海发展，港口船舶大型化要求码头向深 水延伸，波浪的影响也将越来越显著，但我们对这些水域的动力条件了解得恰恰 船舶走航式波浪测量系统研究 甚少。因此了解海洋工程及其相近行业现场波浪观测技术研究的发展过程和当前 海况以及今后的发展趋势对提高该领域的技术水平是重要的，对保证结构安全可 靠和降低工程造价是十分有益的。 1 3 课题的研究内容及其关键技术 船舶走航式波浪测量系统是一种以船体自身为测量仪器，根据其自身的运动 姿态来反演波浪，主要用来对船舶航行中的海域进行实时地观测，以统计航行中 海域波浪资料。海浪要素主要有波高、波周期和波向等。这些参数是由传感器测 得的信号经过采集处理后得出的。获得的航行海域实时波浪信息可应用于船舶设 计相关试验、优化船舶操纵和控制品质中。 1 3 1 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 根据海浪理论，建立了随机海浪的模型，并研究了船的运动与波浪之间 的联系。 ( 2 ) 根据船的耐波性，把船的运动看作是波浪激励作用下水动力系统的输出。 根据谱估计理论，结合高阶累积量的理论，对船舶运动频率响应特性进行了初始 辨识。 ( 3 ) 以d s p 技术为核心，对本测波系统的硬件部分和软件部分进行设计。硬 件采用了高速的d s p 芯片，在软件部分，采用先进的f f t - d d i 方法对加速度信号 进行处理。并对数据结果进行了分析。 1 3 2 本课题采用的关键技术 本文研究的测波系统不同于以前的测波系统，它是以船体自身为测量仪器， 通过船的运动姿态来反演波浪的。设计时采用了先进的d s p 技术，提出了基于 d s p 的加速度式船用测波的设计方法。处理采集的数据时，运用了f f t d d i 方法， 加快了运算速度和精度。 ( 1 ) 船体测波技术 船体走航式测波系统是以船体自身为测量仪器，通过船体的运动姿态来反演 波浪的。 测量波浪的方法有很多，如波浪浮标法，压力测波法，声学测波法和雷达测 波法等。船在航行过程中，要想实时地测量航行中的海浪信息，如果用前面几种 方法，需要停航来投放进行测量，测量完后再回收。本文中研究的船体走航式测 波系统在船舶航行中就可以测量海浪，不需要停航来测量波浪。 船体测波技术是以船体为主体的，不需要采集波浪的输入信息，只需要采集 船舶运动时间响应序列，根据船舶运动响应与波浪激励之间的关系即船舶运动频 4 船舶走航式波浪测量系统研究 率响应特性，来反演海浪谱。由于输入信息跟传递函数都不知道，只根据输出信 息来反演波浪，属于一种盲辨识，需要通过自适应迭代优化的方法实时估计船舶 的运动频率响应特性。本系统在对船舶运动频率响应进行初始辨识时，运用了现 代谱估计方法。现代谱估计可以解决经典谱估计的分辨率低和方差大等问题，它 是一种模型参数的谱估计方法。基本思想是先对随机信号建立参数模型，再由参 数模型计算功率谱。 本系统中采用了彳斤模型。, 4 r 模型( 自回归模型) 是一种线性信号模型。在 求输出解析信号时，采用了h i b e r t 变换。运用谐波恢复的高阶累积量的特性， 对彳眉模型参数进行了估计，并运用了奇异值分解法对彳月模型阶数进行了估计。 ( 2 ) d s p 技术 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 即数字信号处理，是利用计算机或专用 的处理设备，用数字形式对信号进行采集处理，以得出合乎需要的信号形式。图 1 - i 所示为典型的数字信号处理框图。 图卜l 数字信号处理的系统框图 d s p 处理器是专门设计用来进行高速数字信号处理的微处理器。与通用的 c p u 和微控制器( m c u ) 相比，d s p 处理器在结构上采用了许多专门的技术和措施 来提高处理速度，其处理速度比最快的c p u 还快1 0 倍以上。相对于其它处理器， d s p 芯片具有以下特点h 1 ： 改进的哈佛结构。即程序代码和数据的存储空间分开，各有自己的地址总 线与数据总线。这样可同时取指令和取操作数，并行地进行指令和数据的处理， 从而可以大大提高运算的速度。改进的哈佛结构，可使得程序代码和数据存储空 间间也可以进行数据的传送。 多总线结构。可保证在一个机器周期内可以多次访问程序存储空间和数据 空间，大大提高了d s p 的运行速度。 流水线技术。将指令的各个步骤重叠起来执行，而不是一条指令执行完成 之后，才开始执行下一条指令。提高了运算速度。 多处理单元。可适应于大量乘加操作的矩阵运算、滤波、f f t 等。 特殊的d s p 指令。为了更好的满足数字信号处理应用的需要，d s p 指令系 统中，设计了一些特殊的d s p 指令。 指令周期短。如t m s 3 2 0 v c 5 4 x ，其运行速度可达i o o m i p s 。 快速的中断处理和硬件i o 接口运算精度高，功耗低等。 基于d s p 芯片的数字信号处理系统相对于模拟信号处理系统来说，具有很多 优点：精度高，抗干扰能力强，稳定性好；编程方便，灵活性大，容易实现一些 船舶走航式波浪测量系统研究 复杂算法，比如自适应滤波，能够进行有效地处理；具有可控性，当系统的功能 或性能发生变化时，只需要修改相应的程序，而不需要修改硬件电路等。 本系统在由船的运动姿态反推波浪过程中，需要大量复杂的算法，为了提高 运算速度和精度，选择d s p 芯片作为中央处理器，可非常有效地对加速度信号进 行采样和后继处理。 ( 3 ) f f t d d i 技术 f f t - d d i ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r md i r e c td i g i t a li n t e g r a t i o n ) 即基于傅 里叶快速变换的直接数字积分随一，是一种主要针对频率比较低的加速度信号进 行处理的新型算法，也可以用于一般频率。它的处理过程可分为f f t 软件滤波与 数字积分两部分。滤波处理是在频域范围内进行的，具有较好的频率选择性和灵 活性。 f f t - d d i 方法的研究在国外有所研究，但在国内却很少使用它。本论文运用 它来实现对船舶运动的加速度信号的数字积分，并以d s p 为平台，使其处理速度 满足实时性的要求。 1 4 选题研究的意义 波浪的测量方法很多，基本上都是定点测量。船在远洋航行中，遭遇的海况 极为恶劣，定点测量的浮标不能随着船的航行实时地测量波浪。如果靠目测，必 须具有专业性的人员才有可能得到比较可靠地数据。但在夜晚，目测无法得到波 浪的资料。为了船舶的安全航行，研制一种船舶走航方式测波系统是必要的。 本系统设计的波浪测量系统是一种应用于船舶航行中实时测量波浪的场合。 它是以船舶自身为测量仪器，由船舶起伏预测波浪。这种波浪测量方法不需要采 集波浪的输入信息，仅采集船舶的运动姿态信号，根据其运动姿态反推出波浪， 即把船的运动响应看作是波浪输入激励作用下水动力系统的输出。这种方法可用 于船舶航行中，包括夜晚，实时地测量海浪，有助于船舶的安全航行，还可以起 到积累可靠的波浪统计资料的作用。 除此之外，由于这种测波系统是安装在船上，降低了由于外部环境变化对仪 器的损坏性。它可在深海暴风雨等恶劣天气下使用，记录波浪，获得离岸水深较 大处的波浪资料。同时，对于船舶的设计也起了很关键的作用。 船舶走航式波浪测量系统研究 2 船舶走航式波浪测量系统的研究方案 2 1 船舶走航式波浪测量技术的概述 本系统研究的船舶走航式波浪测量系统是以船舶自身为测量仪器，根据船的 运动姿态反推出波浪的波高和波周期。从而可对船舶航行中的海域进行实时地观 测，以统计航行中海域波浪资料，保证船舶的安全航行。 2 2 系统方案的设计原则 船舶走航式波浪测量系统在设计时应遵循一定的原则： ( 1 ) 经济实用性。这是首先要考虑的问题，设计的系统应具有经济实用性。 ( 2 ) 稳定可靠性。本系统在设计时充分考虑了这两个因素，在方案设计和 器件选型时都考虑了稳定可靠的技术原则，测量系统抗干扰能力强。 ( 3 ) 实时性。本系统是为了获得海浪的实时资料，并且有大量的算法，所 以应选择运算速度快的处理器，以满足实时性的要求。 ( 4 ) 可维护性和适用性。系统的结构设计要合理，在系统功能有所改变时， 应能方便地对其进行修改。 ( 5 ) 体积小、功耗低。本系统是应用于船上，需要占用一定的空间，所以 在设计时应尽量小型化；在系统供电方面，选用了低功耗的芯片，可以延长仪器 的工作时间。 2 3 系统方案的实现 2 3 1h i b e r t 变换及a r 建模 本系统设计时，根据海浪理论，把随机不规则的海浪扰动看作是由不同幅值、 不同相位和不同频率的规则子波叠加而成。提出了海浪建模的主要方法，并采用 线性叠加法对长峰波海浪建立模型。把随机波浪和船舶的运动看作是均值为零的 窄带平稳、正态随机过程，假设船体对波浪的响应是线性的。同时，根据船的耐 波性，把船的运动看作是波浪激励作用下水动力系统的输出。根据谱估计理论， 结合高阶累积量的理论，对船舶运动频率响应特性进行了初始辨识。 h i l b e r t 变换是一种线性变换，它所代表的系统是一种线性系统。在研究波 群中，h il b e r t 变换得到了广泛应用。在1 9 8 9 年t a y f u n 通过包络谱与波谱的关 系研究波群与波浪的关系。在2 0 0 3 年，郑桂珍等也曾用h il b e r t 变换方法研究 了三维海浪波包跨水平特征量。本系统中利用h i l b e r t 变换可以得到解析信号。 船舶走航式波浪测量系统研究 a r 建模是一种现代谱估计方法。在时间序列分析中，a r ( 自回归) 、朋( 滑 动和) 与a r m a ( 自回归滑动和) 被看作是平稳过程的三种标准线性模型。现代谱 估计的一种重要的方法是将被观测过程表示为个a r 过程，朋谱估计的基本思 想是：用一个适当阶次的彳斤模型拟合过程的观测数据，即利用观测数据为过程 建立一个具有适当阶次和参数的a r 模型。然后由其模型参数计算其功率谱密度。 在平稳过程理论中经常将平稳过程用一般线性表示。所谓一般线性表示，就是将 一个具有连续谱密度的平稳序列展开为一个由不相关随机变量的无限和n 叫。 本系统利用z l r 模型对船舶频率响应特性进行了初始辨识。结合高阶累积量 对a r 模型参数进行了估计，并运用奇异值的方法对a r 模型阶次进行了估计。 2 3 2d s p 技术方案的设计 微计算机的芯片选取应根据系统的功能特点和其适应的外部环境等因素而 定。虽然目前的单片机种类很多，并且功能也比较多，但通用的单片机在处理大 量复杂算法( 如自适应滤波、f f t 、数字滤波等) 时，运算时间长，降低系统的 工作速度，从而不能满足系统的实时性处理的要求。而d s p 芯片是一款专门用来 处理复杂数字信号运算的微处理器，它采用哈弗结构和流水线结构，具有高速、 高精度的运算能力，能够满足系统的需求。所以本系统中选用d s p 芯片作为处理 器。d s p 技术方案设计过程流程图如图2 1 所示。 根据设计需求确定设计 上 i 算法石开究和系统模拟确定系统技术指标目标 上 上i 选择。s p 芯片l i 上 硬件设计软件编程 il 硬件调试软件调试 l l ，彳绽：后音匕恃年丌泪、丰 i r i 系缆果础利删讽1 1 图2 - 1d s p 系统设计流程图 2 3 2 1d s p 芯片的选取 设计d s p 应用系统时，d s p 芯片的选取是个非常重要的环节。只有选定了 合适的d s p 芯片才能进一步设计其外围电路及系统的其它电路。总的来说，d s p 芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。主要考虑如下因素：d s p 芯片的 船舶走航式波浪测量系统研究 运算速度和精度、片内硬件资源、d s p 芯片的功