利用激光测距原理探测波浪和船舶随浪运动规律的方法技术

本发明专利技术提供了一种利用激光测距原理探测波浪和船舶随浪运动规律的方法，在船舶的前后左右安装多个激光测距传感器进行多点测量，得到多点的距离信息，通过系统数据处理可以得出波浪、船舶的俯仰、倾斜和升沉数据，从而获得在不同波浪作用下的船舶运行规律的综合信息。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于海洋动力环境和船舶安全
，具体地说涉及一种。
技术介绍
测量波浪、船舶随浪运动规律的技术和仪器对于船舶设计业、制造业、航海业和海洋动力环境监测、海洋预报等都具有很大的意义。波浪对航海、港口、海岸、海洋工程、海洋预报以及海岸带灾害防治等具有十分重要的意义，是这些行业工程设计中必须掌握的重要资料之一。波浪的测量可以与国家的波浪信息系统进行数据交互、交流，建立和完善波浪统计资料。船舶随浪运动规律的研究对船舶在波浪中的航行安全有着重要的意义。掌握船舶在波浪中的运动规律，解决船舶设计中的“稳性储备”问题，能够为船舶设计和制造、船舶检验提供更好的理论依据。目前使用红外激光的飞机搭载的测量波浪的仪器已经商品化，它已经常规地用于飞行在海面上空几百米的飞机上。但用于船舶搭载的，现场、实时测量波浪和船舶随波浪运动规律的技术还未见报道。虽然，某些船舶上配有专门用于测量船舶俯仰、倾斜角的仪器，但该仪器只能单独测量船舶俯仰、倾斜角度，所测角度不能适时与波浪运动规律相结合，反应的数据单一，因而应用范围受局限。而船舶设计、货载配备等方面迫切需要两者结合的实际数据，以指导设计等实际需要。如何解决上述不足，则是本专利技术所面临的设计课题。
技术实现思路
本专利技术提出了一种，它可以解决不能现场、实时测量波浪和船舶随波浪运动相结合的问题。为了达到解决上述技术问题的目的，本专利技术的技术方案是，一种，其特征在于，探测波浪按下述步骤方法进行①.在船舶上配备激光测距仪和数据处理仪，由激光发射器竖直向水面发射一束激光，激光遇到水面反射回来，激光测距装置测量得到探头到水面的距离，获得波峰点距离最近Lmin，波谷点距离最远Lmax，相邻两个极值的差Lmax-Lmin即为波高，相邻两个极值之间的时间差即为波的周期，经过数据处理仪处理，将连续探测到的数值连接起来，从而得出波浪与船舶升沉的总体信号曲线；②.通过数据处理仪的软件程序，将总体信号曲线分解为船舶升沉信号曲线和波浪曲线；探测船舶俯仰、倾斜按下述步骤方法进行③船舶前后两个激光测距仪A和B，两点距离为L，H1和H2为两个激光测距探头在同一个时间内测出的不同的实测距离，由于探测点分别处在波浪的不同高低位置，根据对波浪的处理结果确定探测点瞬时处于波形的位置，减去瞬时波高，确定假想水平面，探测的距假想水平面平均高度分别为h1和h2，则计算出当时船舶的俯仰角度α为α＝arcsin((h1-h2)/L)；同样，在船舶左右舷的D、E两点分别设置激光测距仪，两点的距离为L1，H3和H4为两个激光测距探头在同一个时间内测出的不同的实测距离，根据对波浪的处理结果确定探测点瞬时处于波形的位置，减去瞬时波高，确定假想的水平面的位置，计算出探测点相对假想水平面的距离h3和h4，在直角三角形 中，L1、h3和h4为已知，计算出瞬时倾斜角度β，β＝arcsin。单点激光测距仪探测波浪的数据处理程序方法为，开始；初始化个数0；记录实测值；是否极值，否，删除，是；减上一个极值，取差的绝对值；记录极值的绝对值； 记录极值对应的时间差；个数＝个数+1；个数是否＞设定值N，否，回到记录实测值，是；波高＝前N个极值差的平均值；周期＝前N个时间差×2；绘制波浪曲线；计算每一个探测点的瞬时波高；升沉幅度＝探测值-瞬时波高；记录幅度、周期并绘制升沉曲线；结束，否，回到记录实测值，是，结束。探测俯仰、升沉的数据处理程序方法为开始；计算探测点1对应的瞬时波高；距离h1＝探测值1-瞬时波高1；计算探测点2对应的瞬时波高；距离h2＝探测值2-瞬时波高2；计算探测点3对应的瞬时波高；距离h3＝探测值3-瞬时波高3；计算探测点4对应的瞬时波高；距离h4＝探测值4-瞬时波高4；俯仰角α＝arcsin((h1-h2)/L)；倾斜角β＝arcsin；升沉值＝(h1+h2+h3+h4)/4；记录俯仰角；记录倾斜角；记录升沉值；结束，否，回到距离h1＝探测值1-瞬时波高1，是，结束。所述的激光测距仪应大于100赫兹的采样频率进行测量；激光波长的选择使用1.06微米的红外激光。当把仪器安装在航行中的船舶上时，船舶运动对测量产生影响。船运动速度对测量的影响，可以通过引入GPS卫星定位系统信息，利用数据处理软件进行合成解决；船舶升沉对测量的影响，和分解潮汐信号一样的方法，根据信号曲线的周期和大小的差别，分解出波浪信息和船舶升沉信息，如图2。船舶倾斜对测量的影响，通过采取稳像技术稳定探头或增加激光光束发散角等措施，把倾斜影响降低到允许的范围之内。在船舶的前后左右安装多个测距传感器进行多点测量，得到多点的距离信息，通过系统数据处理可以得出船舶的俯仰、倾斜和升沉数据。如果单纯探测船舶的俯仰、倾斜和升沉，则可以把波浪信息作为系统的噪音进行处理。公式描述波浪波高和时间的关系可以用一个函数关系来描述y1＝f(x1)；x1表示时间，y1表示波浪波高；有代表性的关系式如简谐波公式ξ＝acos(kx-ωt)；船舶升沉的幅度和时间的关系用一个函数来表示y2＝f(x2)；x2表示时间，y2表示升沉的幅度。激光测距所测出的距离是船舶静止时的高度a和以上两者的代数和。即h＝a-y1-y2船舶前后设有两个探测点A和B，两点距离为L，探测的平均高度分别为h1和h2，则可以计算出当时船舶的俯仰角度α为α＝arcsin连续探测多个数据可以描述出俯仰的变化规律。同样在左右设置探测点可以描述船舶的倾斜变化，综合分析可以得出船舶的升沉变化。激光测距的选择采用固体激光器的脉冲激光测距，其测距精度可达10-15mm。本专利技术与现技术相比具有以下优点和积极效果通过本专利技术的方法，可有效地将船舶在航行中的波浪、俯仰和升沉等数据综合测出，从中可以获得波浪与船舶俯仰、倾斜和升沉的关系，对于船舶设计、航行中的货仓配载等方面具有指导作用。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细地描述。图1是激光测距仪测量波浪的原理图；1.船舶；2.激光测距仪；H.假想水平面；图2是探测信号分解示意图；图3是俯仰探测的原理图；图4是倾斜探测的原理图；H.假想水平面；图5是单点激光测距仪探测波浪数据处理原理流程图；图6是探测俯仰和升沉的数据流程图。具体实施例方式参见图1，对激光测距仪2，有以下几方面的特点和要求1)作用距离短；2)目标反射性好；3)要以大于100Hz的采样频率进行测量；4)激光波长的选择使用1.06微米的红外激光。如图1所示基本测量系统包括激光测距仪2、船舶载体1、数据处理仪等部分组成。激光测距探头2以100Hz的频率发射激光光束并测量探头到水面的距离，把探测到的距离数据利用数据处理系统进行分析处理，在以时间为横坐标的坐标系里连接起来，即可得出如图2所示的测量出来的波形曲线。如图2所示上部曲线为探测到的总体信号曲线。取曲线上相近的极值，最大值Lmax和最小值Lmin作比较，记录两者相减后所得差值，由于船舶升沉和探测频率的影响，单个差值不能代表波浪的高度。多个差值进行平均，可得出波浪的波高；两个极值之间的时间是波浪周期的一半，多个时间值进行平均并乘于2，即可得出波浪的周期，图2的下部曲线。把波高和周期代入波浪的简谐波公式，得出用公式描述的波浪信号。从总体信号曲线中对应的瞬时数据减去波浪信号瞬时数据，得出船舶测量点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用激光测距原理探测波浪和船舶随浪运动规律的方法，其特征在于，探测波浪按下述步骤方法进行：①．在船舶上配备激光测距仪和数据处理仪，由激光发射器竖直向水面发射一束激光，激光遇到水面反射回来，激光测距装置测量得到探头到水面的 距离，获得波峰点距离最近Ｌｍｉｎ，波谷点距离最远Ｌｍａｘ，相邻两个极值的差Ｌｍａｘ－Ｌｍｉｎ即为波高，相邻两个极值之间的时间差即为波的周期，经过数据处理仪处理，将连续探测到的数值连接起来，从而得出波浪与船舶升沉的总体信号曲线；②．通 过数据处理仪的软件程序，将总体信号曲线分解为船舶升沉信号曲线和波浪曲线；探测船舶俯仰、倾斜按下述步骤方法进行：③船舶前后两个激光测距仪Ａ和Ｂ，两点距离为Ｌ，Ｈ↓［１］和Ｈ↓［２］为两个激光测距探头在同一个时间内测出的不同的实 测距离，由于探测点分别处在波浪的不同高低位置，根据对波浪的处理结果确定探测点瞬时处于波形的位置，减去瞬时波高，确定假想水平面，探测的距假想水平面平均高度分别为ｈ↓［１］和ｈ↓［２］，则计算出当时船舶的俯仰角度α为：α＝ａｒｃｓｉｎ（（ｈ↓［１］－ｈ↓［２］）／Ｌ）；同样，在船舶左右舷的Ｄ、Ｅ两点分别设置激光测距仪，两点的距离为Ｌ↓［１］，Ｈ↓［３］和Ｈ↓［４］为两个激光测距探头在同一个时间内测出的不同的实测距离，根据对波浪的处理结果确定探测点瞬时处于波形的位置，减去瞬 时波高，确定假想的水平面的位置，计算出探测点相对假想水平面的距离ｈ↓［３］和ｈ↓［４］，在直角三角形＊ＤＥＦ中，Ｌ↓［１］、ｈ↓［３］和ｈ↓［４］为已知，计算出瞬时倾斜角度β，β＝ａｒｃｓｉｎ［（ｈ↓［３］－ｈ↓［４］）／Ｌ↓［１］］。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：候广利，王军成，杜立彬，刘岩，高杨，孙继昌，程岩，徐珊珊，尤小华，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：95[中国|青岛]