聲學坐底式波浪儀的上位機設計

鄭威，惠力

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聲學坐底式波浪儀的上位機設計

鄭威，惠力

(山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術重點實驗室，山東青島266001)

聲學坐底式波浪儀包括水下測量系統(tǒng)和陸上處理主機，研究了陸上主機的上位機軟件設計方法，并重點研究波浪估計算法在上位機軟件的實現(xiàn)方法。波浪估計算法計算復雜，在上位機軟件開發(fā)環(huán)境delphi 7下實現(xiàn)困難，文章采用delphi7和matlab 7.0混合編程方法實現(xiàn)上位機中的波浪估計功能，該混合編程方法實現(xiàn)更為簡單，開發(fā)周期短。通過實測數(shù)據(jù)的驗證，上位機軟件與RD公司商用軟件WAVESMON的波浪估計結果是一致的，證明了上位機軟件的波浪估計結果是準確的，所設計上位機軟件可有效滿足波浪儀陸上處理系統(tǒng)的波浪處理需求。

聲學坐底式波浪儀；方向譜估計；上位機軟件；Delphi；Matlab；WAVESMON

0 引言

聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)是利用聲學多普勒原理測量海水流速剖面的一種海洋儀器，可測量不同深度上海流的流速和流向，不干擾流場且不存在機械慣性，測量精度高，能夠真實測量海洋流場情況，是國際上認可的先進海洋儀器。海浪學者近年來利用ADCP進行波浪估計的技術研究，ADCP波束方向上的每個測點相當于一個獨立的傳感器，空間上多個測點組成的陣列具有類似于傳感器陣列一樣的波向估計能力。Terray利用JANUS配置ADCP進行波浪測量，驗證了ADCP的波向測量能力[1]。美國RDI公司和Sontek公司、挪威Nortek公司都推出了新型的ADCP，在傳統(tǒng)測流功能上增加了波浪估計的功能[2-3]。多名海洋學者利用新型ADCP與波浪浮標進行估計對比，對比結果表明新型ADCP和浮標的波浪估計精度是一致的，ADCP波浪估計是精確的[4-6]。到目前為止國內使用的ADCP大多是國外的產品，國內的ADCP技術水平距離國外先進技術還有差距；中船重工集團公司第715研究所是國內提供商用ADCP的單位之一，其生產的相控陣ADCP產品已經在國內多家單位使用，但該產品只能測流并不具備波浪測量能力；國家海洋技術中心等多家院所進行過ADCP波浪估計技術的研究，但都沒有推出相關產品[7-8]；山東省科學院海洋儀器儀表研究所近年來一直從事ADCP技術研發(fā)，目前在換能器陣設計、水下測量系統(tǒng)的嵌入式研發(fā)、上位機軟件研發(fā)等方面已經取得了一定進展，本文重點闡述現(xiàn)有ADCP系統(tǒng)的上位機設計方案。

1 系統(tǒng)方案設計

新型坐底式ADCP可以測量波浪，可認作是一種新型的聲學坐底式波浪測量儀器，該聲學坐底式波浪儀由水下測量模塊和陸上分析處理模塊兩大部分組成，如圖1所示。水下測量模塊主要由各種傳感器(聲學多普勒換能器、壓力傳感器、電子羅盤、傾斜傳感器、溫度傳感器等)、數(shù)據(jù)采集處理器、固態(tài)存儲器、電池、水密機箱、水下鎧裝電纜和水密接頭等部分組成，圖2為四個聲學多普勒換能器按一定方位角安裝在一個殼體內組成的換能器陣，其中三個波束的傾角為30°，各波束在水平面投影的夾角為120°，在有效測量深度內每個波束都能測得水流速度，三波束可測得三個波束對應于各層的水流分速度，運用矢量合成原理得到各層的三維流場。另一個換能器垂直向上，用于測量波高和波浪周期。

(a) 水下測量系統(tǒng)

(b) 陸上處理系統(tǒng)

圖1 方案設計

Fig.1 Project design

水下測量系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集及測量數(shù)據(jù)的存儲，并計算各分層水流速度，最后將數(shù)據(jù)打包后傳輸?shù)疥懮咸幚硐到y(tǒng)。陸上處理系統(tǒng)主要由接收主機、上位機軟件組成，其任務是將收到信號進行數(shù)據(jù)處理及分析，實時顯示每分鐘的海流值，通過上位機軟件估計每小時波浪的各種特征值，包括有義波高(1/3平均波高)、峰值周期、峰值方向、主波向。同時上位機軟件具備了歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線顯示功能。水下測量系統(tǒng)和陸上接收機通過小型鎧裝電纜連接，可保證數(shù)據(jù)的正確傳輸及供電系統(tǒng)的正常運轉。

2 上位機軟件設計

本文主要研究上位機軟件設計方法。選擇delphi 7作為上位機軟件開發(fā)平臺。上位機軟件主要具備如下三種功能：(1) 水下測量系統(tǒng)定時每分鐘通過串口向陸上上位機發(fā)送數(shù)據(jù)包，如圖3所示。數(shù)據(jù)包包含了水下測量采集得到的壓力數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、羅經數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)及水下測量系統(tǒng)計算得到的海流數(shù)據(jù)。如圖4所示，陸上處理系統(tǒng)進行實時串口接收，并對比數(shù)據(jù)包進行解析，得到每分鐘的海流及各種傳感器數(shù)據(jù)。(2) 上位機軟件每小時計算波浪一次，在每小時的第50分鐘開始計算波浪的特征值，利用每小時的0分鐘到49分鐘的海流數(shù)據(jù)及其他各種傳感器數(shù)據(jù)進行計算，即到每小時的第50分鐘，將海流及傳感器數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫讀取到內存中，利用內存中數(shù)據(jù)完成波浪特征值的計算(有義波高、峰值周期、峰值方向、主浪向)。計算完成后實時顯示波浪的特征值，并將波浪計算值進行存儲。(3) 歷史數(shù)據(jù)查詢及歷史曲線顯示，主要完成海流及波浪數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)查詢及曲線顯示，即根據(jù)用戶需要，可在指定時間及指定數(shù)據(jù)類型的條件下進行數(shù)據(jù)顯示，此時需要對于數(shù)據(jù)庫進行讀出操作。

2.1 實時數(shù)據(jù)接收及歷史數(shù)據(jù)顯示實現(xiàn)

在delphi 7實現(xiàn)串口接收過程中，(1) 需要讀取上位機的注冊表，從注冊表中可以知道上位機的串口信息；(2) 配置串口信息，找到與水下測量系統(tǒng)相連的串口號，根據(jù)事先指定的通訊協(xié)議設定串口的波特率；(3) 打開串口，打開串口后定時讀取串口接收的二進制數(shù)據(jù)，首先進行數(shù)據(jù)校驗，一般都選取異或校驗的方式，當校驗位滿足要求后，認定串口接收數(shù)據(jù)為正確數(shù)據(jù)，后續(xù)進行數(shù)據(jù)包的解析，而后進行數(shù)據(jù)的實時顯示及儲存，如圖5所示。

歷史數(shù)據(jù)查詢及歷史曲線顯示的功能實現(xiàn)方法是類似的，(1) 需要指定查詢的數(shù)據(jù)時間及數(shù)據(jù)類型(海流或波浪)，根據(jù)上述條件找到所對應的數(shù)據(jù)庫儲存文件；(2) 打開數(shù)據(jù)庫存儲文件，從中讀出所需要的數(shù)據(jù)放入內存中；(3) 將內存中數(shù)據(jù)顯示在指定delphi stringgrid數(shù)據(jù)表格中即完成歷史數(shù)據(jù)查詢功能，而將內存中數(shù)據(jù)在delphi dbchart圖表中進行繪制即完成了歷史曲線顯示功能，如圖6所示。

圖6 歷史數(shù)據(jù)查詢及歷史曲線顯示

2.2 波浪估計功能實現(xiàn)

假定波浪振幅很小且由大量振幅不同、相位不同的波浪迭加而成，可推導出任意兩個波浪特性間的互譜等于相應波浪特性與波面的傳遞函數(shù)的乘積的傅里葉變換[8]，即

其中：代表海浪頻率；代表波數(shù)；代表第個測點上和第個測點波浪特性之間的互譜；是測點對應的傳遞函數(shù)；代表海浪方向譜；、分別代表和測點之間的距離在和軸向上的投影距離。常用的方向譜估計算法有，最大似然算法、貝葉斯算法、最大熵算法、傅里葉算法等，其中最常用的是最大似然算法(Maximum Likelihood Method，MLM)，MLM算法的方向譜估計值為

(2)

式(2)中，上標H代表共軛轉置。

本文的上位機是在delphi 7平臺上進行研發(fā)的，delphi 7軟件具備良好的人機交互界面，但不具備進行大量科學計算的能力，直接在delphi 7軟件平臺上完成波浪估計功能是非常困難的。本文利用delphi 7和maltab 7.0混合編程的方法來實現(xiàn)波浪估計。Matlab 7.0是一種高效率的科學計算語言，它集成了矩陣運算、數(shù)值計算、數(shù)字信號處理、系統(tǒng)識別、自動控制、神經網絡等大量功能強大的工具箱和函數(shù)庫，是用來實現(xiàn)波浪估計算法的最佳選擇。具體方法：(1) 在matlab 7.0下編寫波浪估計的函數(shù)；(2) 通過matlab 7.0下的comtool工具將上述函數(shù)轉化成dll組件；(3) delphi 7可對于上述dll組件進行注冊；(4) 在delphi 7即可以調用該dll組件，通過調用上述dll組件可在delphi 7軟件中實現(xiàn)波浪估計[9-10]。

3 上位機軟件結果驗證

本文選取一段數(shù)據(jù)驗證上位機軟件估計效果，ADCP數(shù)據(jù)選自美國NCCOOS(North Carolina Coastal Ocean Observing System)項目的lsrb試驗點數(shù)據(jù)，從2005年9月14日15時至2005年9月17日23時，每個小時計算一組波浪特征值，共計算81組波浪特征值數(shù)據(jù)。本文選用的對比參數(shù)如下：

有義波高：1/3平均波高；

峰值周期：一維高度譜中最大值點對應的波浪周期；

主浪向：在二維方向譜中所有最大值對應的方向；

峰值浪向：在一維高度譜最大值點對應的波浪方向。

選取了2005年9月17日23時50分的一組數(shù)據(jù)，將該組數(shù)據(jù)制作成滿足通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)包，并通過串口向上位機進行發(fā)送。圖7是上位機軟件實時接收界面，界面主要包含了海流部分和波浪部分，海流部分只顯示了深度為6.58 m的流速和流向。波浪部分包含了有義波高、峰值周期、峰值方向和主浪向，上位機軟件分別采用了迭代最大似然算法(Iterative Maximum Likelihood MethodI，MLM)和水面、兩軸速度方法(Surface，Velocity U and V，SUV)進行波浪估計，其中IMLM利用接近水面位置處的四個測點組成陣列，通過IMLM估計波浪；SUV利用水深和水平速度、，通過傅里葉級數(shù)展開算法估計波浪。兩種算法的有義波高、峰值周期、主浪向、峰值方向的估計結果是一致的。

圖8將本文中上位機軟件處理結果和RDI公司商用波浪處理軟件WAVESMON處理結果進行對比，對比結果表明本文上位機軟件處理得到的有義波高、峰值周期、峰值方向和主波向曲線與商用WAVESMON軟件的結果是吻合的，證明了本文上位機軟件計算結果是正確的。

圖8 上位機軟件和WAVESMON計算結果對比

Fig.8 Calculation comparison between upper-computer software and WAVESMON

4 結論

根據(jù)近海新型聲學坐底式波浪儀的研發(fā)要求，本文設計了新型聲學坐底式波浪儀波浪估計的技術方案，其中水下主機主要完成各種傳感器的數(shù)據(jù)采集和存儲，并根據(jù)換能器回波信號進行海流估計，最后將各種傳感器數(shù)據(jù)及海流數(shù)據(jù)包發(fā)送到陸上主機中；而陸上主機的上位機軟件進行數(shù)據(jù)接收及解析，具備了實時顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示和歷史曲線顯示功能，本文給出了上位機軟件中的波浪估計實現(xiàn)方法，是基于delphi 7和matlab 7.0混合編程實現(xiàn)的，將本文上位機與RD公司商用軟件WAVESMON進行對比分析，驗證了軟件的準確性。本文設計的上位機軟件可有效滿足新型聲學坐底式波浪儀波浪估計技術的需求。

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Upper computer software realization of upward-looking acoustic wave measurement equipment

ZHENG Wei, HUI Li

(The Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences,Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental Monitoring Technology, Qingdao 266001, Shandong, China)

Acoustic Doppler upward-looking wave measurement equipment (ADCP) includes underwater measurement system and onshore processing system, the paper works on design technique of the onshore upper-computer software，mainly the wave estimation algorithm realization of the upper-computer software. Considering that the wave estimation algorithm is complicated and that the algorithm realization under the software development environment of delphi7 is difficult, this paper adopts mixed programming method based on delphi7 and matlab7.0 to realize wave estimation function, the mixed programming method is simple, the development cycle of this method is short. Through comparison between the upper-computer software in this paper and the commercial software WAVESMON of RD Company, both the wave estimation results are consistent, which shows that the wave estimation result of the upper-computer software in this paper is correct, can meet the need of onshore processing system.

acoustic Doppler upward-looking wave measurement equipment;wave directional spectrum estimation; upper-computer software; Delphi; Matlab;WAVESMON

P716

A

1000-3630(2016)-03-0260-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.015

2015-06-15;

2015-10-20

海洋公益性行業(yè)科研專項(201205039-3, 201505007-3)、山東省自主創(chuàng)新專項(2013CX80101)、青島市市南區(qū)發(fā)展基金(2013-12-001-XX)、山東省科學院青年基金(2014QN037)、山東省自然科學基金(ZR2015YL022)資助。

鄭威(1983―), 男, 遼寧遼陽人, 副研究員, 研究方向為ADCP波流觀測技術。

鄭威, E-mail: honestzheng123@163.com