adcp波潮仪姿态测量方向谱的修正方法.docx

adcp波潮仪姿态测量方向谱的修正方法 0 坐底式adcp测量方向谱 美国randi最近开发的“马匹”系列波潮仪是方向测量领域的一项重大成就。硬件部分与系列“马匹”相同，只是增加了波数据采集和处理的硬化件，压力检测和方向谱实时分析波斯曼软件的独特相位编码技术可以使波斯曼层的深度单位的规模更小。这是因为adcp可以利用接近表面的三个层形成研究点矩阵，这具有阵列估计方向谱的精度。同时，由于adcp是一种单独的设备，它具有良好的网格感，并且具有相同的波动检测技术。ADCP测量方向谱在国内研究方面还很少,国内的国家海洋技术研究所的张道平给予了广泛的研究。相对于传统的用来测量方向谱最多的浮标,ADCP测量得到的方向分布更加尖锐,因为ADCP的测点空间阵列有更多的自由度,能分析同一频率上的不同方向上的波浪,能够分离相隔5°的波浪,而单点测量设备只能分离相隔50°的波浪。 ADCP波阵列仪器上安放有温度传感器测量水温。因为流速和水体中的声速有关,而声速、水温与盐度有关,ADCP测量水温,盐度由人工设置。还安放有1只压力传感器,根据压力传感器的值可以大概估计出水深,就可以大致将水流分层。虽然坐底式ADCP在安装时会有固定的支架,但在测量中发现还是会有小角度的倾斜变化,所以,安放有三轴方向的姿态传感器,可以在记录测量数据的同时得到航向(heading)、俯仰(pitch)、横滚(roll),这3个量在坐底式ADCP方向谱时有重要作用。RDI的方向谱分析软件WAVESMON考虑到了在小角度倾斜时的倾斜传感器的重要性,但RDI并没有给予关于小角度倾斜条件下的WAVESMON估计方向谱的方法,本文主要分析坐底式ADCP在小角度倾斜条件下的方向谱求解方法。 1 x、p轴方向 坐底式ADCP俯视图如图1,对应的波束是3—1—4—2。 1) 仪器坐标系(X,Y,Z):当从ADCP的表面上看的时候,逆时针方向有3—1—4—2。X轴的方向从波束1指向波束2,Y轴是波束4指向波束3。Z轴在4个波束的中心,从测量水域方向指向压力传感器。 2) 船舶坐标系(S,F,M),选用右舷,前进,桅杆方向分别代表3个坐标系轴。 3) 大地坐标系(E,N,U),分别为正东,正北,垂直向上,坐标系的方向都是固定的,所以,这种坐标系在ADCP中是最常用的参考坐标系。 2 旋转式滤料roll测量 姿态传感器测量的是舰船坐标系相对于大地坐标系的角度,在右手原则下,分别相对于S轴和F轴逆时针转动,Tilt1(pitch)和Tilt2(roll)值为正值。 大地坐标系的3个轴向是固定的,一般选为参考的坐标系。当无倾斜的时候,仪器坐标系和大地坐标系是在一个水平面内,但ADCP存在倾斜时,就不在同一个水平面内,所以,大地坐标系和仪器坐标系存在一个旋转矩阵。因为roll测量的是船舶坐标系下相对于大地坐标系的夹角,而不是仪器坐标系和大地坐标系的夹角,所以,当使用坐底式ADCP时,roll首先要加上180° roll=roll+180° . (1) 然后带入旋转矩阵计算 Μ=(CΗSΗ0-SΗCΗ0001)(1000CΡ-SΡ0SΡCΡ)(CR0SR010-SR0CR)=(CΗ?CR+SΗ?SΡ?SRSΗ?CΡCΗ?SR-SΗ?SΡ?CR-SΗ?CR+CΗ?SΡ?SRCΗ?CΡ-SΗ?SR-CΗ?SΡ?CR-CΡ?SRSΡCΡ?CR).(2) 其中CH=cosH,SH=sinH,CP=cosP,SP=sinP,CR=cosR,SR=sinR,H,P,R分别代表heading,pitch,roll。 由旋转矩阵的定义可知,M应该满足 M=M-1,MMT=1 . (3) 3 旋转矩阵广泛应用于测量方向谱中的adcp 3.1 编码方向谱的求解 任意2个波浪特性间的互谱等于相应波浪特性的波面间的传递函数和波浪方向谱的乘积的傅里叶变换,即 φmn(f)=∫-ππHm(f,θ)H*n(f,θ){[k(xmncosθ+ymnsinθ)]+ isin[k(xmncosθ+ymnsinθ)]}S(f,θ)dθ, (4) 式中f,θ分别为所测波浪的频率和方向,其中,xmn=xm-xn,ymn=ym-yn,(xm,ym)为m个测点的位置,φm,n(f)为m,n2个测点的时间序列的互谱,Hm(f,θ)为m个测点相对于波面的传递函数,H*n(f,θ)为Hn(f,θ)的共轭函数,S(f,θ)为方向谱。 方向谱的求解实际上就是式(4)求逆变换,阵列估计(单点测量)在已知不同位置处的同一物理量(同一位置不同物理量)前提下,估计方向谱需要知道是不同位置(同一位置)对应的坐标和不同位置同一物理量(同一位置不同物理量)的传递函数。 方向谱S(f,θ)一般可以表示波浪高度谱S(f)和对应f的波浪的分布函数的