專利名稱：利用激光測距原理探測波浪和船舶隨浪運動規律的方法
技術領域：
本發明屬于海洋動力環境和船舶安全技術領域，具體地說涉及一種利用激光測距原理探測波浪和船舶隨浪運動規律的方法。
背景技術：
測量波浪、船舶隨浪運動規律的技術和儀器對于船舶設計業、制造業、航海業和海洋動力環境監測、海洋預報等都具有很大的意義。波浪對航海、港口、海岸、海洋工程、海洋預報以及海岸帶災害防治等具有十分重要的意義，是這些行業工程設計中必須掌握的重要資料之一。波浪的測量可以與國家的波浪信息系統進行數據交互、交流，建立和完善波浪統計資料。船舶隨浪運動規律的研究對船舶在波浪中的航行安全有著重要的意義。掌握船舶在波浪中的運動規律，解決船舶設計中的“穩性儲備”問題，能夠為船舶設計和制造、船舶檢驗提供更好的理論依據。目前使用紅外激光的飛機搭載的測量波浪的儀器已經商品化，它已經常規地用于飛行在海面上空幾百米的飛機上。但用于船舶搭載的，現場、實時測量波浪和船舶隨波浪運動規律的技術還未見報道。
雖然，某些船舶上配有專門用于測量船舶俯仰、傾斜角的儀器，但該儀器只能單獨測量船舶俯仰、傾斜角度，所測角度不能適時與波浪運動規律相結合，反應的數據單一，因而應用范圍受局限。而船舶設計、貨載配備等方面迫切需要兩者結合的實際數據，以指導設計等實際需要。
如何解決上述不足，則是本發明所面臨的設計課題。
發明內容
本發明提出了一種利用激光測距原理探測波浪和船舶隨浪運動規律的方法，它可以解決不能現場、實時測量波浪和船舶隨波浪運動相結合的問題。
為了達到解決上述技術問題的目的，本發明的技術方案是，一種利用激光測距原理探測波浪和船舶隨浪運動規律的方法，其特征在于，探測波浪按下述步驟方法進行①.在船舶上配備激光測距儀和數據處理儀，由激光發射器豎直向水面發射一束激光，激光遇到水面反射回來，激光測距裝置測量得到探頭到水面的距離，獲得波峰點距離最近Lmin，波谷點距離最遠Lmax，相鄰兩個極值的差Lmax-Lmin即為波高，相鄰兩個極值之間的時間差即為波的周期，經過數據處理儀處理，將連續探測到的數值連接起來，從而得出波浪與船舶升沉的總體信號曲線；②.通過數據處理儀的軟件程序，將總體信號曲線分解為船舶升沉信號曲線和波浪曲線；探測船舶俯仰、傾斜按下述步驟方法進行③船舶前后兩個激光測距儀A和B，兩點距離為L，H1和H2為兩個激光測距探頭在同一個時間內測出的不同的實測距離，由于探測點分別處在波浪的不同高低位置，根據對波浪的處理結果確定探測點瞬時處于波形的位置，減去瞬時波高，確定假想水平面，探測的距假想水平面平均高度分別為h1和h2，則計算出當時船舶的俯仰角度α為α＝arcsin((h1-h2)/L)；同樣，在船舶左右舷的D、E兩點分別設置激光測距儀，兩點的距離為L1，H3和H4為兩個激光測距探頭在同一個時間內測出的不同的實測距離，根據對波浪的處理結果確定探測點瞬時處于波形的位置，減去瞬時波高，確定假想的水平面的位置，計算出探測點相對假想水平面的距離h3和h4，在直角三角形 中，L1、h3和h4為已知，計算出瞬時傾斜角度β，β＝arcsin[(h3-h4)/L1]。
單點激光測距儀探測波浪的數據處理程序方法為，開始；初始化個數0；記錄實測值；是否極值，否，刪除，是；減上一個極值，取差的絕對值；記錄極值的絕對值；
記錄極值對應的時間差；個數＝個數+1；個數是否＞設定值N，否，回到記錄實測值，是；波高＝前N個極值差的平均值；周期＝前N個時間差×2；繪制波浪曲線；計算每一個探測點的瞬時波高；升沉幅度＝探測值-瞬時波高；記錄幅度、周期并繪制升沉曲線；結束，否，回到記錄實測值，是，結束。
探測俯仰、升沉的數據處理程序方法為開始；計算探測點1對應的瞬時波高；距離h1＝探測值1-瞬時波高1；計算探測點2對應的瞬時波高；距離h2＝探測值2-瞬時波高2；計算探測點3對應的瞬時波高；距離h3＝探測值3-瞬時波高3；計算探測點4對應的瞬時波高；距離h4＝探測值4-瞬時波高4；俯仰角α＝arcsin((h1-h2)/L)；傾斜角β＝arcsin[(h3-h4)/L1]；升沉值＝(h1+h2+h3+h4)/4；記錄俯仰角；記錄傾斜角；記錄升沉值；結束，否，回到距離h1＝探測值1-瞬時波高1，是，結束。
所述的激光測距儀應大于100赫茲的采樣頻率進行測量；激光波長的選擇使用1.06微米的紅外激光。
當把儀器安裝在航行中的船舶上時，船舶運動對測量產生影響。船運動速度對測量的影響，可以通過引入GPS衛星定位系統信息，利用數據處理軟件進行合成解決；船舶升沉對測量的影響，和分解潮汐信號一樣的方法，根據信號曲線的周期和大小的差別，分解出波浪信息和船舶升沉信息，如圖2。船舶傾斜對測量的影響，通過采取穩像技術穩定探頭或增加激光光束發散角等措施，把傾斜影響降低到允許的范圍之內。在船舶的前后左右安裝多個測距傳感器進行多點測量，得到多點的距離信息，通過系統數據處理可以得出船舶的俯仰、傾斜和升沉數據。如果單純探測船舶的俯仰、傾斜和升沉，則可以把波浪信息作為系統的噪音進行處理。
公式描述波浪波高和時間的關系可以用一個函數關系來描述y1＝f(x1)；x1表示時間，y1表示波浪波高；有代表性的關系式如簡諧波公式ξ＝acos(kx-ωt)；船舶升沉的幅度和時間的關系用一個函數來表示y2＝f(x2)；x2表示時間，y2表示升沉的幅度。
激光測距所測出的距離是船舶靜止時的高度a和以上兩者的代數和。即h＝a-y1-y2船舶前后設有兩個探測點A和B，兩點距離為L，探測的平均高度分別為h1和h2，則可以計算出當時船舶的俯仰角度α為α＝arcsin[(h1-h2)/L]連續探測多個數據可以描述出俯仰的變化規律。同樣在左右設置探測點可以描述船舶的傾斜變化，綜合分析可以得出船舶的升沉變化。
激光測距的選擇采用固體激光器的脈沖激光測距，其測距精度可達10-15mm。
本發明與現技術相比具有以下優點和積極效果通過本發明的方法，可有效地將船舶在航行中的波浪、俯仰和升沉等數據綜合測出，從中可以獲得波浪與船舶俯仰、傾斜和升沉的關系，對于船舶設計、航行中的貨倉配載等方面具有指導作用。
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細地描述。
圖1是激光測距儀測量波浪的原理圖；1.船舶；2.激光測距儀；H.假想水平面；圖2是探測信號分解示意圖；圖3是俯仰探測的原理圖；圖4是傾斜探測的原理圖；H.假想水平面；圖5是單點激光測距儀探測波浪數據處理原理流程圖；圖6是探測俯仰和升沉的數據流程圖。
具體實施例方式
參見圖1，對激光測距儀2，有以下幾方面的特點和要求1)作用距離短；2)目標反射性好；3)要以大于100Hz的采樣頻率進行測量；4)激光波長的選擇使用1.06微米的紅外激光。
如圖1所示基本測量系統包括激光測距儀2、船舶載體1、數據處理儀等部分組成。激光測距探頭2以100Hz的頻率發射激光光束并測量探頭到水面的距離，把探測到的距離數據利用數據處理系統進行分析處理，在以時間為橫坐標的坐標系里連接起來，即可得出如圖2所示的測量出來的波形曲線。
如圖2所示上部曲線為探測到的總體信號曲線。取曲線上相近的極值，最大值Lmax和最小值Lmin作比較，記錄兩者相減后所得差值，由于船舶升沉和探測頻率的影響，單個差值不能代表波浪的高度。多個差值進行平均，可得出波浪的波高；兩個極值之間的時間是波浪周期的一半，多個時間值進行平均并乘于2，即可得出波浪的周期，圖2的下部曲線。把波高和周期代入波浪的簡諧波公式，得出用公式描述的波浪信號。從總體信號曲線中對應的瞬時數據減去波浪信號瞬時數據，得出船舶測量點的升沉數據，多個數據連接起來得出測量點的升沉曲線。用上述的方法進行處理，可得出船舶升沉的幅度和周期等信息，圖2中間的曲線。
圖3是多點探測后計算船舶俯仰的原理示意圖。船舶1為縱向方向，在船舶1前后的A、B兩點分別設置激光測距探頭2，兩點的距離為L。H1和H2為兩個激光測距探頭2在同一個時間內測出的不同的實測距離，由于探測點分別處在波浪的不同高低位置，所以還不具備可比性，需要根據對波浪的處理結果確定探測點瞬時處于波形的位置，減去瞬時波高，得出相對假想的水平面H的位置，計算出探測點相對假想水平面的距離h1和h2。在直角三角形ABC中，L、h1和h2為已知，可以求出瞬時俯仰角度α。
根據正弦定理可得出α＝arcsin[(h1-h2)/L]，把各瞬時點的俯仰角度連接起來，得出船舶俯仰角度變化規律的曲線。
圖4是多點探測后計算船舶傾斜的原理示意圖。船舶1為橫向方向，在船舶1左右的D、E兩點分別設置激光測距探頭2，兩點的距離為L1。H3和H4為兩個激光測距探頭在同一個時間內測出的不同的實測距離，由于探測點分別處在波浪的不同高低位置，所以還不具備可比性，需要根據對波浪的處理結果確定探測點瞬時處于波形的位置，減去瞬時波高，得出相對假想的水平面H的位置，計算出探測點相對假想水平面的距離h3和h4。在直角三角形DEF中，L1、h3和h4為已知，可以求出瞬時傾斜角度β。
根據正弦定理可得出β＝arcsin[(h3-h4)/L1]把各瞬時點的傾斜角度連接起來，得出船舶傾斜角度變化規律的曲線。
圖5是單點探測波浪的數據處理原理流程圖，其過程如敘述如下開始探測，首先初始化計數的各數為0，記錄實測數值，判斷數值是否極值。如果是極值則用新探測到的極值減去上一個極值，第一個極值不減，記錄所得差的絕對值和兩個極值之間的時間差。統計極值的個數，如果個數小于100，則返回繼續記錄實測值，如果個數不小于100，則把前100個極值差進行平均，得出波浪的平均波高數值，把前100個時間差進行平均，得出波浪的周期數值。把波高和周期數值代入模型公式，得出波浪公式和曲線。
根據公式曲線可以計算出每一個探測點的瞬時波高，用探測值減去瞬時波高即可得出探測點的升沉幅度數據。把各點的升沉幅度數據連接起來，可得出升沉規律曲線，通過曲線分析升沉的幅度和周期等信息。判斷是否結束，如果不結束，則繼續記錄實測值，如果結束則完成探測過程。
圖6是探測俯仰(傾斜)和升沉的數據流程圖。在船舶的前、后、左、右分別設置探測點1、2、3、4，在圖5的過程中已經可以得出各點的瞬時波高。開始后，分別利用各點的探測值H1、H2、H3、H4減去對應點的瞬時波高，得出探測點到假想水平面H的距離h1、h2、h3、h4，比較前后兩點的數據，利用公式α＝arcsin[(h1-h2)/L]得出俯仰角α，利用公式β＝arcsin[(h3-h4)/L1]得出傾斜角β。把h1、h2、h3、h4這4個點的數據進行平均，減去固定的吃水線距離值，可以得出探測瞬時的平均升沉值，把連續探測到的升沉值連接起來，可以描述出船舶升沉規律，如幅度、周期等信息。把各點的俯仰角和傾斜角連續描述出來，可得出船舶俯仰規律和傾斜規律曲線。結合當時的波浪信息，可得出在不同波浪作用下的船舶運行規律的綜合信息。
當然，本發明并不局限于上述實例，在本發明方法構思實質范圍內，本發明還會有許多變化，改型，添加或者替換，也都屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種利用激光測距原理探測波浪和船舶隨浪運動規律的方法，其特征在于，探測波浪按下述步驟方法進行①.在船舶上配備激光測距儀和數據處理儀，由激光發射器豎直向水面發射一束激光，激光遇到水面反射回來，激光測距裝置測量得到探頭到水面的距離，獲得波峰點距離最近Lmin，波谷點距離最遠Lmax，相鄰兩個極值的差Lmax-Lmin即為波高，相鄰兩個極值之間的時間差即為波的周期，經過數據處理儀處理，將連續探測到的數值連接起來，從而得出波浪與船舶升沉的總體信號曲線；②.通過數據處理儀的軟件程序，將總體信號曲線分解為船舶升沉信號曲線和波浪曲線；探測船舶俯仰、傾斜按下述步驟方法進行③船舶前后兩個激光測距儀A和B，兩點距離為L，H1和H2為兩個激光測距探頭在同一個時間內測出的不同的實測距離，由于探測點分別處在波浪的不同高低位置，根據對波浪的處理結果確定探測點瞬時處于波形的位置，減去瞬時波高，確定假想水平面，探測的距假想水平面平均高度分別為h1和h2，則計算出當時船舶的俯仰角度α為α＝arcsin((h1-h2)/L)；同樣，在船舶左右舷的D、E兩點分別設置激光測距儀，兩點的距離為L1，H3和H4為兩個激光測距探頭在同一個時間內測出的不同的實測距離，根據對波浪的處理結果確定探測點瞬時處于波形的位置，減去瞬時波高，確定假想的水平面的位置，計算出探測點相對假想水平面的距離h3和h4，在直角三角形 中，L1、h3和h4為已知，計算出瞬時傾斜角度β，β＝arcsin[(h3-h4)/L1]。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于單點激光測距儀探測波浪的數據處理程序方法為，開始；初始化個數0；記錄實測值；是否極值，否，刪除，是；減上一個極值，取差的絕對值；記錄極值的絕對值；記錄極值對應的時間差；個數＝個數+1；個數是否＞設定值N，否，回到記錄實測值，是；波高＝前N個極值差的平均值；周期＝前N個時間差×2；繪制波浪曲線；計算每一個探測點的瞬時波高；升沉幅度＝探測值-瞬時波高；記錄幅度、周期并繪制升沉曲線；結束，否，回到記錄實測值，是，結束。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于探測俯仰、升沉的數據處理程序方法為開始；計算探測點1對應的瞬時波高；距離h1＝探測值1-瞬時波高1；計算探測點2對應的瞬時波高；距離h2＝探測值2-瞬時波高2；計算探測點3對應的瞬時波高；距離h3＝探測值3-瞬時波高3；計算探測點4對應的瞬時波高；距離h4＝探測值4-瞬時波高4；俯仰角α＝arcsin((h1-h2)/L)；傾斜角β＝arcsin[(h3-h4)/L1]；升沉值＝(h1+h2+h3+h4)/4；記錄俯仰角；記錄傾斜角；記錄升沉值；結束，否，回到距離h1＝探測值1-瞬時波高1，是，結束。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述的激光測距儀應大于100Hz的采樣頻率進行測量；激光波長的選擇使用1.06微米的紅外激光。
全文摘要
本發明提供了一種利用激光測距原理探測波浪和船舶隨浪運動規律的方法，在船舶的前后左右安裝多個激光測距傳感器進行多點測量，得到多點的距離信息，通過系統數據處理可以得出波浪、船舶的俯仰、傾斜和升沉數據，從而獲得在不同波浪作用下的船舶運行規律的綜合信息。
文檔編號G01M10/00GK1793809SQ20051010466
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月24日 優先權日2005年12月24日
發明者侯廣利, 王軍成, 杜立彬, 劉巖, 高楊, 孫繼昌, 程巖, 徐珊珊, 尤小華 申請人:山東省科學院海洋儀器儀表研究所