声波式剖面流速波浪实时测量传输系统设计(平台式)

1、A W A C声波式剖面流速波浪实时传输系统青岛诺泰克测量有限公司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-*目录一、序二、仪器选型三、系统框图四、系统工作原理一、序AWAC声波式剖面流速波浪实时传输系统旨在提供实时有效可靠水温、流速、波浪、压力、潮位、盐度等数据,并根据相关数据作科学预测。系统采用世界上最先进的升学多普勒法测量海流剖面流速,采用PUV和AST(声表面跟踪技术两种方法测量波浪,使用GSM网络无线数据传输完成实时系统监控和数据传输。可

2、实现远程现场数据查看、数据分析。二、仪器选型1、波浪流速仪 Acoustic Wave And Current(AWAC声波式剖面流速波浪仪1MHz定置或实时传输式AWAC(上图所示性能指标a.声波探头数:4个探头,其中之一为垂直正中,余为倾斜20°。b.系统运作模式:自记式及长期实时传送监控。c.最大布放深度:20-50公尺。d.量测流层距离:0.5、1.0、2.0公尺可选择性。e.剖面流层数:一般为2050个,最多128个。f.最大数据输出频率:1秒(以内。g.仪器内取样频率:46Hz。h.量测深度范围:5m到50m。i.坐标系:东、北、上三方向。j.速度范围:±10m

3、/s以内。附带传感器A.温度计:内建于感应器头之温度计。操作环境:-4到40。精度/分辨率:-0.1/0.01。响应时间:10分钟以内。B.罗盘:液态Flux-gate。最大倾测:30°以内。精度/分辨率:2°/0.1°以内。倾斜仪:液态水平仪。精度/分辨率:0.2°/0.1°以内。C.向上/下摆置:自动侦测。压力计:压力阻抗式(Poezoresistive。量测范围:0200公尺。精度/分辨率:取样值的0.25%/0.005%以内。*1MHz实时传输式AWAC工作原理 如上图所示声波讯号沿着相同的波束被发送及接收,根据多普勒原理将水中的悬浮粒

4、子的流速流向计算出来量测的流速为该水层的平均流速。因其声波束相当窄小所以没有旁波效应(sidelobe即当声波束接近不同介质接口时所产生的偏折现象 多普勒偏移及测量方式AWAC是利用知名的多普勒偏移之物理原理测量水流速度。如果视声源相对于接收器而移动,则其相对的声波传输频率会有所偏移。在AWAC中,这现象系以下列公式表示:所以当我们得知FDoppler、FSource、C即可计算出v。V=F Doppler/F Source*(C/2其中FDoppler=所接收到频率的变化量,即所谓的多普勒偏移FSource=AWAC所送出声波的频率V=水流速度C=音速(如在水中则为水中声速在AWAC中,同一

5、声波探头系同时作为发声器及接收器。传出的音波会被水里的物体所反射,然后由同一声波探头所接收。此时探头所接收到回传的多普勒位移实际上为水中微细颗粒的两倍移动速度(相对于声波探头所造成。这是因为AWAC上之声波探头既是发声源也是接收器,而当水中颗粒接收由探头传来的入射声波时因颗粒与探头的相对速度V产生了第一次的多普勒偏移;然后当探头接收到此移动颗粒反射回来的声波时(此时的声波频率已经有多普勒偏移又因为颗粒与探头的相对速度V而产生了第二次的多普勒偏移。AWAC声波探头传送出一个已知频率的声波脉冲,当此脉冲在水中行进时,会被水里的物体所反射。此种反射也就是散射,而此散射的强弱(即反射的强度,是一个水中

6、颗粒数量及大小的函数即称为讯号强度(strength或讯号振幅(Amplitude。回传的讯号由声波探头所接收,AWAC经由计算频率的改变,来算出水中颗粒相对于探头的速度。AWAC声波探头会将大部分的声波能量集中在一条狭窄的波束中发送。水中颗粒经过各波束而测得的多普勒偏移,与颗粒本身的速度成一定的比例关系。而水流的速度可视为其所带动颗粒的速度;所有垂直于波束的颗粒移动都不会造成多普勒偏移。综合数个声波探头所得的速度,并且知道这些颗粒与探头的相对方向后,三度空间的速度即可算出。速度层(depth cells之位置: 在测量多普勒偏移时,AWAC会先送出一个脉冲。此脉冲沿着声波束传递,并在从AWA

7、C离开时产生回音。这个回音被接收后会先放大,再分割成小的段落,每一个段落都对应一个量测到的速度层。在决定速度层的确实位置时,有三项原则必须遵守:1.速度层的大小与位置,系由传输脉冲长度与所回收到的回音段落大小所决定。就数学而言,速度层是传输脉冲长度与回音段落的矩阵转换。2.速度层并非将该层内所有点都付予同样比重,而是以向中心点靠近者逐渐增加其比重。当传输脉冲与接收脉冲在AWAC中相符合时,比重函数会类似一个三角形(如右图所示。3.由于速度层所显示的速度是以该层向中心点靠近者逐渐增加比重,因此我们以速度层三角比重中心线的位置定义为该速度层的位置。因此如右图所示因不感区为30cm(54-14;而第

8、一个速度层的位置为第一个三角比重中心线的位置(104CM。AWAC测量波浪流速的优势优于传统的流速量测科技:a只要一个AWAC即能量测整个剖面水层b不需要考虑水层中的障碍物对仪器本身所造成的干扰c没有需替换的零件(如螺旋桨等d不需作定期校正e不会因有附着物而产生量测误差优于普通声学波浪流速测量技术:a测量并记录由水底至水面整个水流剖面的各个层面流速流向b波高数据有压力传感器(PUV法和垂直声学波束(AST表面声跟踪法同时提供,即可更好的测量场周期波,亦可测量短周期波(由当地风产生的波浪。(传统PUV法测量对长周期敏感,对短周期波无法感知。2.盐度计技术参数如下:探头尺寸400mm(长×

9、;64mm(直径温度深度740米(塑料3000米(钛合金范围-5至+35重量(塑料1259克(空气中,389克(水中精度±0.002电源3V CR123A锂电池分辨率小于0.00005存储器4MB固态存储器时间常数小于3秒;小于95毫秒(另选通讯RS-232漂移小于0.002/年下载速度19.2-57.6Kbaud电导时钟精度±30秒/年范围0-70mS/cm(海洋型软件Windows95/98/NT/2000/XP精度±0.003mS/cm校准NIST标准分辨率小于0.0001mS/cm时间常数小于10毫秒3.GSM数据终端及电源模块A W A C与GSM数据终

10、端及电源模块图产品特性采用GPRS分时复用的Class8的标准支持数字、语音、短消息和传真经过R&TTE的认证三、系统集成图 四、系统工作原理 1系统组成 a.AWAC 波浪流速仪组件 包括：AWAC 波浪流速仪、盐度计、流速仪电池仓、流速仪海底安装架及水密电缆 b.数据传输终端组件 包括：海底水密通讯电缆、GSM 数据终端、太阳能电池板、警示灯、蓄电池 c.客户终端控制组件控制组件 包括：客户终端控制计算机、调制解调器 2组件连接和系统工作流程 a.组件连接： AWAC 与 GSM 数据传输终端之间为水密电缆直接连接， 数据传输终端与客户终端中控机之 GSM 间通过 GSM 网络连接

11、。 b.组件功能： l AWAC 波浪流速仪采集波浪和流速数据 其有两个分离的波高量测模式：一个是使用压力传感器，另一种是使用垂向声束(AST。对 平静的波浪时，当资料由传统式的压力感应器量测时将会因仪器布放的深度而受很大的影 响。此时，表面高度必须用一个声波式的高度感应器(垂直式的探头量测波高。(1波高范 围 资料量测模式：压力及沿每一个波束选取一个流速层。 量测流层距离：0.5、1.0、2.0 米可选择性。 最大数据输出频率：2Hz(以内含。 仪器内取样频率：46Hz。 取样期间之取样数：512，1024 或 2048 次可选择性。 所有的原始数据都会被储存于水中 AWAC 内存中及通过

12、GSM 调制解调器传送回客户终端主 机内。 (2波向量测范围： 波向的量测从海面下 3 米以上的流向资料与波高资料计算转换而得。 对搅动的海况来说；用 于转换波向的该层深度应该自动被调整为平均水位 也就是 Hmax/2。 量测的参数为：平均波向及波向分布，波向单位为度。 所有的原始数据都会被储存于水中 AWAC 内存中及通过 GSM 调制解调器传送回客户终端主 机内。 l GSM 数据传输终端用于完成 AWAC 与控制机（控制计算机）之间的无线连接，实现控制 机对 AWAC 的实时在线控制。 l 控制机用于实时接收、实时控制、数据显视、数据分析、数据处理。 控制机通过 GSM 调制解调器经 G

13、SM 网络接受 AWAC 采集的所有资料，对每个波及水流整体 的量测(2Hz，1024 秒来说，当资料搜集的行程完成后仪器会搜集将的资料数据存储至器内 存中。当控制中心呼叫时，自动将数据发送出去。数据会存储于波浪、流速仪中直到接收到 呼叫的讯号为止。假如主动的传输失败了，波浪、流速仪应该自动回到量测状态。 （1） 客户终端主机图像显示界面 显示界面由目录列(Menu Bar、工具列(Tool Bar、状态列(Status Bar以及各别分开的统 计数据画面所组成。 包括以下画面显示： 1）通讯状态(活动式卷帘，联机讯息等。 2）最近一笔取得的数据(表列式 raw data 。 3）最后的统计参数数据，包括 Hs、Hmo、Tp、Ve/Vn 等 4）过往数据的图表(以时间为序列的 Hs、Hmo、Tp、Ve/Vn 等。 5）流速流向及波高波向数据的逐时变化图。 6）波高波向、流速流向、周期及水位变化时间序列显示；显示期间长短可由使用者自定 7）波浪频谱分析图、波压及波速数据时间序列剖面图、水温变化、压力(水位变化、水中 仪器目前位置变化数据（heading、pitch、roll 等） 。 (2远程数据传输 由于使用