專利名稱：利用激光測距原理探測波浪和船舶隨浪運動規(guī)律的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于海洋動力環(huán)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(guī)律的方法。
背景技術：
測量波浪、船舶隨浪運動規(guī)律的技術和儀器對于船舶設計業(yè)、制造業(yè)、航海業(yè)和海洋動力環(huán)境監(jiān)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(yè)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(guī)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(guī)律，解決船舶設計中的“穩(wěn)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(guī)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(guī)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(guī)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(fā)明所面臨的設計課題。

發(fā)明內容
本發(fā)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(guī)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(fā)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(guī)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(fā)射器豎直向水面發(fā)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(xù)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(wèi)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(wěn)像技術穩(wěn)定探頭或增加激光光束發(fā)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(xù)探測多個數據可以描述出俯仰的變化規(guī)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(fā)明與現技術相比具有以下優(yōu)點和積極效果通過本發(fā)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(fā)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(fā)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(guī)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(guī)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(xù)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(guī)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(xù)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(xù)探測到的升沉值連接起來，可以描述出船舶升沉規(guī)律，如幅度、周期等信息。把各點的俯仰角和傾斜角連續(xù)描述出來，可得出船舶俯仰規(guī)律和傾斜規(guī)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(guī)律的綜合信息。
當然，本發(fā)明并不局限于上述實例，在本發(fā)明方法構思實質范圍內，本發(fā)明還會有許多變化，改型，添加或者替換，也都屬于本發(fā)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(guī)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(fā)射器豎直向水面發(fā)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(xù)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(fā)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(guī)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(guī)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(yōu)先權日2005年12月24日
發(fā)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