可使用铁壳船的流向测量方法技术

本发明专利技术公开一种可使用铁壳船的流向测量方法，它是利用数学模型和物理手段，以差分磁场的方法排除铁壳船对磁罗盘的干扰，在光电水准回路指令下，实时测量，显示和记录水流向相对于地磁场的方向。本发明专利技术可应用于不同型号的铁壳船或铁浮体及长期改变了泊向的同一条铁壳船。标定和实测均自动进行。对于必须使用铁壳船或铁浮体作载体的水文流向测量领域有实用价值。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水文测量领域，更进一步涉及一种应用数学和物理方法排除铁磁干扰，从而可使用铁壳船载运仪器，以地磁场为固定坐标，测量河流或海流断面流向分布的方法。目前，用于水流流向测量的仪器种类较多，较新式的可分为应用陀螺仪和应用磁罗盘两大类，如宝成电子公司生产的陀螺罗盘仪和长江水利委员会、重庆水文仪器厂、天津海洋研究所、珠江水利委员会等单位研制和生产的各型磁罗盘仪。陀螺罗盘仪结构复杂、价格昂贵，维护不便。磁罗盘仪则因为铁磁干扰，不能用铁壳船载运使用。本专利技术的目的在于提供一种利用数学模型和物理手段，以差分磁场的方法实时测量、显示、记录水流向相对于地磁场方向的。本专利技术是利用数学模型和物理手段，以差分磁场的方法排除铁壳船对磁罗盘的干扰，在光电水准回路指令下，实时测量、显示和记录水流向相对于地磁场的方向。首先，用物理标定学习、数学模型验证的方法找出在不同船向时，测点合成磁场相对于地磁场的方向。其次，以测点合成磁场相对于地磁场的方向为动坐标，用磁罗盘测量测点水流方向，并通过计算机将此方向换算为相对于地磁方向的真实流向。本专利技术标定和测量过程均由仪器中的单片机控制自动进行。铁壳船沿固定方向(例如沿河岸)长期淀泊(数月至数年)时受到地球磁场磁化形成磁偶极矩。铁壳船运动时，磁偶极矩随之运动。同时，铁壳船随其运动状态不同还被地磁场磁化形成动态的磁偶极矩。这两个偶极矩产生的附加磁场就是对地磁场的干扰，它们在测(流向)点与地磁场合成真实磁场。真实磁场的方向与大小都是船与地磁场相对方向及船的摇摆和起伏状态的函数。用一个光电水准回路确定船的“水平”状态。用一个安装在高桅(船楼之上3-4米)顶端的电阻式或磁通门式磁罗盘确定船与地磁场的方向。在测点相于船固定一个磁通门罗盘，该罗盘确定以船向为参照系的真实磁场的方向。这个方向角与船向角之和或差就是真实磁场相对于地磁场的方向。操纵船“原地”转向，转向的起始方向和终了方向是船在“测流”航行时船向的两个极端方向。“原地”转向过程中，以光电水准信号为指令，用单片机连续同时读取桅顶和测点罗盘的读数，并经自动简单运算后贮存在单片机内作为真实磁场方向-船向-船状态标定表。用数学有限元方法解拉氏方程，可以从理论上求出铁壳船在水平状态不同指向时在测点产生的合成真实磁场的方向。选取一些深度测点用大型电子计算机计算出结果，可与标定学习中得到的结果相互印证。测量流向时，光电水准指令单片机同时读取桅顶罗盘读数和置于测点处指示水流方向的“铅鱼”内随“铅鱼”转动的罗盘读数。单片机根据桅顶罗盘读数查出真实磁场方向。“铅鱼”内罗盘读数表示以真实磁场方向为参照的水流方向。单片机自动处理这些数据求出测点水流方向与地磁场方向夹角，得到固定坐标中的流向，并进行显示和存贮。对不同船型的铁壳船，只需重新进行一次标定学习，就可测量流向。下面结合附图对本专利技术作进一步的描述。附图说明图1为本专利技术标定学习示意图。图2为本专利技术流向实测示意图。本专利技术的物理标定学习、数学模型验证的方法，将罗盘2安装在高桅8顶端，其零位线平行于铁壳船1纵轴线O，罗盘3安装于测点处与船固结的水密铜管10内，其零位线平行于O，当装于罗盘2下方的光电水准回路9，在铁壳船1处于水平状态时发出指令，使单片机5读取罗盘指示的船向相对地磁场方向角β和测点处合成磁场相对于船向角α，单片机计算测点合成磁场Hr相对地磁场He方向角α＝α-β，操纵铁壳船1自β＝β1至β＝β2“原地旋转”单片机5根据光电水准回路9的指令多次计算和存贮α(β)，得到α～β关系表。β1和β2是1在实测航行时由于水流和波浪冲击等因素而偏航的两个极端方向，由具体测船和具体测试环境确定。根据需要操纵铁壳船1多次“原地旋转”，以得到足够清细的α～β关系表。可让单片机5显示造表结果来判定是否达到了足够的精细度。图2为流向测量原理。罗盘3改置于与铁壳船1之间用钢丝绳柔性连结的可指示水流方向的“铅鱼”6内随6转动。罗盘3的零位线与铅鱼纵轴线O平行。将6降到规定深度测点。单片机5得到光电水准回路9的指令时，同时从罗盘2和3读取β和水流Vf与Hr的夹角γ。单片机5从α～β关系表查得这时的Hr与He的夹角α，计算γ＝γ+α得出Vf与He间的夹角，并对γ角加以数字显示和存贮记录。只使用一只“铅鱼”时，可以在航行中定深度连续测出沿航线水流流向，也可以在一个船位测出不同深度水流流向后再移至另一船位再行测量。使用沿不同深度分布多只“铅鱼”时，可以在航行中连续测得沿航线剖面不同深度和位置水流流向分布。罗盘2，3的电压讯号均经过放大并数字化之后再传输至单片机5。光电水准回路9由不透明液体气泡水准，半导体发光管、硅光电二极管和放大、整形电路构成。罗盘2和光电水准回路9分别封装在防雨通风防晒的外壳中。9离开2较远，以免干扰2。罗盘3应用水密技术封装在10或6之中。本专利技术应用于一条30米长，吃水70厘米的铁壳测船，流向测量误差为±3°～±4°，完成一次测量时间为2秒，可给出10秒-180秒内不同时段的流向角平均值，对所有数据自动固态记录，也可根据人工指令进行测量和记录数据，系统可在-19℃～+80℃环境温度中工作。本专利技术可应用于不同型号的铁壳船或铁浮体及长期改变了泊向的同一条铁壳船，标定和实测均自动进行。对于必须使用铁壳船或铁浮体作载体的水文流向测量领域有重要实用价值。权利要求1.，其特征在于利用数学模型和物理手段，以差分磁场的方法排除铁壳船对磁罗盘的干扰，在光电水准回路指令下，实时测量、显示和记录水流向相对于地磁场的方向，其具体步骤为首先，用物理标定学习、数学模型验证的方法找出在不同船向时，测点合成磁场相对于地磁场的方向；其次，以测点合成磁场相对于地磁场的方向为动坐标，用磁罗盘测量测点水流方向，并通过计算机将此方向换算为相对于地磁场方向的真实流向。2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于所述的物理标定学习、数学模型验证的方法，将罗盘2安装在高桅8顶端，其零位线平行于铁壳船1纵轴线O，罗盘3安装于测点处与船固结的水密铜管10内，其零位线平行于铁船纵轴O，当装于罗盘2下方的光电水位准回路9，在铁壳船1处于水平状态时出指令，使单片机5读取罗盘指示的船向相对地磁场方向角β和测点处合成磁场相对于船向角α，单片机计算测点合成磁场相对地磁场方向角α＝α-β，操船改变β角，单片机读取并记录α～β表备用，选取两至参个测点，用有限元方法计算出该点在一定β角之下，合成磁场相对于地磁场方向角α，与单片机记录数据相互验证。3.如权利要求1所述的流向测量方法，其特征在于将罗盘3改置于铅鱼6内，其零位线平行于铅鱼纵向O，将铅鱼用钢丝绳吊放于一定深度的测点处，铅鱼指示水流方向，罗盘3指示水流相对于测点合成磁场的方向角γ，当光电水准回路9发出指令时，单片机5读取罗盘指示的β角和γ角，并计算出水流方向相时于地磁方向的夹角γ＝γ+α(β)，然后显示记录，完成测点水流向的实时测量。全文摘要本专利技术公开一种，它是利用数学模型和物理手段，以差分磁场的方法排除铁壳船对磁罗盘的干扰，在光电水准回路指令下，实时测量，显示和记录水流向相对于地磁场的方向。本专利技术可应用于不同型号的铁壳船或铁浮体及长期改变了泊向的同一条铁壳船。标定和实测均自动进行。对于必须使用铁壳船或铁浮体作载体本文档来自技高网...

【技术保护点】
可使用铁壳船的流向测量方法，其特征在于：利用数学模型和物理手段，以差分磁场的方法排除铁壳船对磁罗盘的干扰，在光电水准回路指令下，实时测量、显示和记录水流向相对于地磁场的方向，其具体步骤为：首先，用物理标定学习、数学模型验证的方法找出在不同船向时，测点合成磁场相对于地磁场的方向；其次，以测点合成磁场相对于地磁场的方向为动坐标，用磁罗盘测量测点水流方向，并通过计算机将此方向换算为相对于地磁场方向的真实流向。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：袁绥华，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]