鄭威，惠力

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聲學(xué)坐底式波浪儀的上位機(jī)設(shè)計(jì)

鄭威，惠力

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266001)

聲學(xué)坐底式波浪儀包括水下測(cè)量系統(tǒng)和陸上處理主機(jī)，研究了陸上主機(jī)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)方法，并重點(diǎn)研究波浪估計(jì)算法在上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)方法。波浪估計(jì)算法計(jì)算復(fù)雜，在上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境delphi 7下實(shí)現(xiàn)困難，文章采用delphi7和matlab 7.0混合編程方法實(shí)現(xiàn)上位機(jī)中的波浪估計(jì)功能，該混合編程方法實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)周期短。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，上位機(jī)軟件與RD公司商用軟件WAVESMON的波浪估計(jì)結(jié)果是一致的，證明了上位機(jī)軟件的波浪估計(jì)結(jié)果是準(zhǔn)確的，所設(shè)計(jì)上位機(jī)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(xué)坐底式波浪儀；方向譜估計(jì)；上位機(jī)軟件；Delphi；Matlab；WAVESMON

0 引言

聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)是利用聲學(xué)多普勒原理測(cè)量海水流速剖面的一種海洋儀器，可測(cè)量不同深度上海流的流速和流向，不干擾流場(chǎng)且不存在機(jī)械慣性，測(cè)量精度高，能夠真實(shí)測(cè)量海洋流場(chǎng)情況，是國(guó)際上認(rèn)可的先進(jìn)海洋儀器。海浪學(xué)者近年來(lái)利用ADCP進(jìn)行波浪估計(jì)的技術(shù)研究，ADCP波束方向上的每個(gè)測(cè)點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的傳感器，空間上多個(gè)測(cè)點(diǎn)組成的陣列具有類似于傳感器陣列一樣的波向估計(jì)能力。Terray利用JANUS配置ADCP進(jìn)行波浪測(cè)量，驗(yàn)證了ADCP的波向測(cè)量能力[1]。美國(guó)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(cè)流功能上增加了波浪估計(jì)的功能[2-3]。多名海洋學(xué)者利用新型ADCP與波浪浮標(biāo)進(jìn)行估計(jì)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果表明新型ADCP和浮標(biāo)的波浪估計(jì)精度是一致的，ADCP波浪估計(jì)是精確的[4-6]。到目前為止國(guó)內(nèi)使用的ADCP大多是國(guó)外的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)的ADCP技術(shù)水平距離國(guó)外先進(jìn)技術(shù)還有差距；中船重工集團(tuán)公司第715研究所是國(guó)內(nèi)提供商用ADCP的單位之一，其生產(chǎn)的相控陣ADCP產(chǎn)品已經(jīng)在國(guó)內(nèi)多家單位使用，但該產(chǎn)品只能測(cè)流并不具備波浪測(cè)量能力；國(guó)家海洋技術(shù)中心等多家院所進(jìn)行過(guò)ADCP波浪估計(jì)技術(shù)的研究，但都沒(méi)有推出相關(guān)產(chǎn)品[7-8]；山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所近年來(lái)一直從事ADCP技術(shù)研發(fā)，目前在換能器陣設(shè)計(jì)、水下測(cè)量系統(tǒng)的嵌入式研發(fā)、上位機(jī)軟件研發(fā)等方面已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，本文重點(diǎn)闡述現(xiàn)有ADCP系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

新型坐底式ADCP可以測(cè)量波浪，可認(rèn)作是一種新型的聲學(xué)坐底式波浪測(cè)量?jī)x器，該聲學(xué)坐底式波浪儀由水下測(cè)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(cè)量模塊主要由各種傳感器(聲學(xué)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(chǔ)器、電池、水密機(jī)箱、水下鎧裝電纜和水密接頭等部分組成，圖2為四個(gè)聲學(xué)多普勒換能器按一定方位角安裝在一個(gè)殼體內(nèi)組成的換能器陣，其中三個(gè)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(cè)量深度內(nèi)每個(gè)波束都能測(cè)得水流速度，三波束可測(cè)得三個(gè)波束對(duì)應(yīng)于各層的水流分速度，運(yùn)用矢量合成原理得到各層的三維流場(chǎng)。另一個(gè)換能器垂直向上，用于測(cè)量波高和波浪周期。

(a) 水下測(cè)量系統(tǒng)

(b) 陸上處理系統(tǒng)

圖1 方案設(shè)計(jì)

Fig.1 Project design

水下測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并計(jì)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(jī)、上位機(jī)軟件組成，其任務(wù)是將收到信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，實(shí)時(shí)顯示每分鐘的海流值，通過(guò)上位機(jī)軟件估計(jì)每小時(shí)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(shí)上位機(jī)軟件具備了歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線顯示功能。水下測(cè)量系統(tǒng)和陸上接收機(jī)通過(guò)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(yùn)轉(zhuǎn)。

2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本文主要研究上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)方法。選擇delphi 7作為上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。上位機(jī)軟件主要具備如下三種功能：(1) 水下測(cè)量系統(tǒng)定時(shí)每分鐘通過(guò)串口向陸上上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包，如圖3所示。數(shù)據(jù)包包含了水下測(cè)量采集得到的壓力數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、羅經(jīng)數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)及水下測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算得到的海流數(shù)據(jù)。如圖4所示，陸上處理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)串口接收，并對(duì)比數(shù)據(jù)包進(jìn)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(jī)軟件每小時(shí)計(jì)算波浪一次，在每小時(shí)的第50分鐘開(kāi)始計(jì)算波浪的特征值，利用每小時(shí)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(jìn)行計(jì)算，即到每小時(shí)的第50分鐘，將海流及傳感器數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取到內(nèi)存中，利用內(nèi)存中數(shù)據(jù)完成波浪特征值的計(jì)算(有義波高、峰值周期、峰值方向、主浪向)。計(jì)算完成后實(shí)時(shí)顯示波浪的特征值，并將波浪計(jì)算值進(jìn)行存儲(chǔ)。(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(shí)間及指定數(shù)據(jù)類型的條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，此時(shí)需要對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行讀出操作。

2.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收及歷史數(shù)據(jù)顯示實(shí)現(xiàn)

在delphi 7實(shí)現(xiàn)串口接收過(guò)程中，(1) 需要讀取上位機(jī)的注冊(cè)表，從注冊(cè)表中可以知道上位機(jī)的串口信息；(2) 配置串口信息，找到與水下測(cè)量系統(tǒng)相連的串口號(hào)，根據(jù)事先指定的通訊協(xié)議設(shè)定串口的波特率；(3) 打開(kāi)串口，打開(kāi)串口后定時(shí)讀取串口接收的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，一般都選取異或校驗(yàn)的方式，當(dāng)校驗(yàn)位滿足要求后，認(rèn)定串口接收數(shù)據(jù)為正確數(shù)據(jù)，后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的解析，而后進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)方法是類似的，(1) 需要指定查詢的數(shù)據(jù)時(shí)間及數(shù)據(jù)類型(海流或波浪)，根據(jù)上述條件找到所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存文件；(2) 打開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)文件，從中讀出所需要的數(shù)據(jù)放入內(nèi)存中；(3) 將內(nèi)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(nèi)存中數(shù)據(jù)在delphi dbchart圖表中進(jìn)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(jì)功能實(shí)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(dǎo)出任意兩個(gè)波浪特性間的互譜等于相應(yīng)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(gè)測(cè)點(diǎn)上和第個(gè)測(cè)點(diǎn)波浪特性之間的互譜；是測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)；代表海浪方向譜；、分別代表和測(cè)點(diǎn)之間的距離在和軸向上的投影距離。常用的方向譜估計(jì)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(jì)值為

(2)

式(2)中，上標(biāo)H代表共軛轉(zhuǎn)置。

本文的上位機(jī)是在delphi 7平臺(tái)上進(jìn)行研發(fā)的，delphi 7軟件具備良好的人機(jī)交互界面，但不具備進(jìn)行大量科學(xué)計(jì)算的能力，直接在delphi 7軟件平臺(tái)上完成波浪估計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)波浪估計(jì)。Matlab 7.0是一種高效率的科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言，它集成了矩陣運(yùn)算、數(shù)值計(jì)算、數(shù)字信號(hào)處理、系統(tǒng)識(shí)別、自動(dòng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等大量功能強(qiáng)大的工具箱和函數(shù)庫(kù)，是用來(lái)實(shí)現(xiàn)波浪估計(jì)算法的最佳選擇。具體方法：(1) 在matlab 7.0下編寫(xiě)波浪估計(jì)的函數(shù)；(2) 通過(guò)matlab 7.0下的comtool工具將上述函數(shù)轉(zhuǎn)化成dll組件；(3) delphi 7可對(duì)于上述dll組件進(jìn)行注冊(cè)；(4) 在delphi 7即可以調(diào)用該dll組件，通過(guò)調(diào)用上述dll組件可在delphi 7軟件中實(shí)現(xiàn)波浪估計(jì)[9-10]。

3 上位機(jī)軟件結(jié)果驗(yàn)證

本文選取一段數(shù)據(jù)驗(yàn)證上位機(jī)軟件估計(jì)效果，ADCP數(shù)據(jù)選自美國(guó)NCCOOS(North Carolina Coastal Ocean Observing System)項(xiàng)目的lsrb試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)，從2005年9月14日15時(shí)至2005年9月17日23時(shí)，每個(gè)小時(shí)計(jì)算一組波浪特征值，共計(jì)算81組波浪特征值數(shù)據(jù)。本文選用的對(duì)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的波浪周期；

主浪向：在二維方向譜中所有最大值對(duì)應(yīng)的方向；

峰值浪向：在一維高度譜最大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波浪方向。

選取了2005年9月17日23時(shí)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(guò)串口向上位機(jī)進(jìn)行發(fā)送。圖7是上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)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(jī)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(jìn)行波浪估計(jì)，其中IMLM利用接近水面位置處的四個(gè)測(cè)點(diǎn)組成陣列，通過(guò)IMLM估計(jì)波浪；SUV利用水深和水平速度、，通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)算法估計(jì)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(jì)結(jié)果是一致的。

圖8將本文中上位機(jī)軟件處理結(jié)果和RDI公司商用波浪處理軟件WAVESMON處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果表明本文上位機(jī)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(jié)果是吻合的，證明了本文上位機(jī)軟件計(jì)算結(jié)果是正確的。

圖8 上位機(jī)軟件和WAVESMON計(jì)算結(jié)果對(duì)比

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

4 結(jié)論

根據(jù)近海新型聲學(xué)坐底式波浪儀的研發(fā)要求，本文設(shè)計(jì)了新型聲學(xué)坐底式波浪儀波浪估計(jì)的技術(shù)方案，其中水下主機(jī)主要完成各種傳感器的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，并根據(jù)換能器回波信號(hào)進(jìn)行海流估計(jì)，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(jī)中；而陸上主機(jī)的上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)接收及解析，具備了實(shí)時(shí)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(jī)軟件中的波浪估計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，是基于delphi 7和matlab 7.0混合編程實(shí)現(xiàn)的，將本文上位機(jī)與RD公司商用軟件WAVESMON進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了軟件的準(zhǔn)確性。本文設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件可有效滿足新型聲學(xué)坐底式波浪儀波浪估計(jì)技術(shù)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(xiàng)(201205039-3, 201505007-3)、山東省自主創(chuàng)新專項(xiàng)(2013CX80101)、青島市市南區(qū)發(fā)展基金(2013-12-001-XX)、山東省科學(xué)院青年基金(2014QN037)、山東省自然科學(xué)基金(ZR2015YL022)資助。

鄭威(1983―), 男, 遼寧遼陽(yáng)人, 副研究員, 研究方向?yàn)锳DCP波流觀測(cè)技術(shù)。

鄭威, E-mail: honestzheng123@163.com