一种高频长效压力式波潮测量仪及波浪数据处理方法与流程

本发明涉及压力式波潮仪技术领域，具体为一种高频长效压力式波潮测量仪及波浪数据处理方法。

背景技术：

波浪和潮位是海洋水文学最基本的要素，是物理海洋学重要的研究内容和海洋工程重要的设计参数，采用压力原理测量波浪，不需在海面布放浮标，有利于提高测量系统的安全性；采用压力原理测量潮位，不需要建站，投放方便，观测费用低，因此，压力式波潮仪被视为恶劣环境海区中波浪和潮位的理想测量仪器，得到广泛应用。

现有压力式波潮仪中所使用的软件在对高频高精度波潮仪的原始测量数据进行处理时，比较难以将波浪信息从压力数据中分离出来，这使得使用者在对波潮仪进行使用的时候，难以高效、方便及快捷的得到测量期间的随时间变化的波浪要素，因此我们开发出一种高频长效压力式波潮仪波浪要素计算软件，本软件可以对波潮仪采集的原始压力数据进行分析，提取其中的波浪特征参数，为海洋工程及科研项目提供一手波浪数据。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高频长效压力式波潮测量仪及波浪数据处理方法，解决了现有压力式波潮仪中所使用的软件在对高频高精度波潮仪的原始测量数据进行处理时，比较难以将波浪信息从压力数据中分离出来，这使得使用者在对波潮仪进行使用的时候，难以高效、方便及快捷的得到测量期间的随时间变化的波浪要素，使用性能较差的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种高频长效压力式波潮测量仪，包括连接端头和金属壳体，所述连接端头的底端与金属壳体的顶端固定连接，所述金属壳体的顶端螺纹连接有活动盖，所述活动盖顶部的一侧分别设置有状态灯与外开关，并且活动盖的内部设置有接口，所述活动盖的底部设置有压力传感器，所述金属壳体内壁的两侧分别设置有数据采集器与存储器，所述金属壳体内壁且位于存储器的正下方设置有放置架，并且放置架的内部活动连接有电源，所述金属壳体内壁且位于电源的正下方设置有控制电路板。

优选的，所述压力传感器的一端贯穿活动盖并延伸至活动盖的顶部，并且活动盖的内部开设有与压力传感器相适配的第一活动孔，并且第一活动孔的内部设置有橡胶圈，所述活动盖的内部开设有与接口相适配的第二活动孔，并且第二活动孔的内壁与接口的表面相接触。

优选的，所述连接端头表面的底部设置有第一连接法兰，所述金属壳体表面的顶部设置有第二连接法兰，并且第一连接法兰的底端与第二连接法兰的顶端通过连接螺栓固定连接。

优选的，所述连接端头的正面与背面均开设有工作状态窥视窗，所述金属壳体的材料采用钛合金材质构件，所述接口的型号采用rs232接口，所述压力传感器的型号采用绝压式传感器。

本发明还公开了一种高频长效压力式波潮测量仪的波浪数据处理方法，利用数据采集器进行波浪数组的采集，对波浪数组通过二乘拟合进行过滤，通过上跨零点求波浪数组的区间，对区间内部的波浪数组进行极值与周期的求取，采用改进的冒泡排序算法对波浪进行排序，最后对排序的波浪作平均。

优选的，对波潮测量的原理公式为：设压力传感器测得的总压力为p，大气压为pa，水压为pw，传感器至海面的海水平均密度为ρ，测量点处的重力加速度为g，从压力传感器至水面的垂直高度为h，则p＝pa+pw＝pa+ρgh，h＝(p-pa/ρg)。

优选的，在对波潮进行测量的过程中假定某一时段内，海水平均密度ρ的变化可忽略，重力加速度g在确定的投放点为常数，则由压力传感器测得的总压力和岸上气压计测得的大气压即可计算出海面高度，从而求得潮位。

优选的，波浪的测量是基于把实测到的压力波面换算成表面波浪，为得到表面波浪的各要素，在低频侧应用压力波谱转换为表面波谱，采用改进的冒泡排序算法对波浪进行排序处理。

(三)有益效果

本发明提供了一种高频长效压力式波潮测量仪及波浪数据处理方法。与现有技术相比具备以下有益效果：

(1)、该高频长效压力式波潮测量仪及波浪数据处理方法，通过金属壳体的顶端螺纹连接有活动盖，活动盖顶部的一侧分别设置有状态灯与外开关，并且活动盖的内部设置有接口，活动盖的底部设置有压力传感器，金属壳体内壁的两侧分别设置有数据采集器与存储器，金属壳体内壁且位于存储器的正下方设置有放置架，并且放置架的内部活动连接有电源，金属壳体内壁且位于电源的正下方设置有控制电路板，可以让使用者方便的对波潮测量仪进行使用，另外，可以方便的对波潮测量仪内部电源以及存储卡进行更换，让使用者对于波潮测量仪在使用的时候较为方便。

(2)、该高频长效压力式波潮测量仪及波浪数据处理方法，通过利用数据采集器进行波浪数组的采集，对波浪数组通过二乘拟合进行过滤，通过上跨零点求波浪数组的区间，对区间内部的波浪数组进行极值与周期的求取，采用改进的冒泡排序算法对波浪进行排序，最后对排序的波浪作平均，波浪的测量是基于把实测到的压力波面换算成表面波浪，为得到表面波浪的各要素，在低频侧应用压力波谱转换为表面波谱，采用改进的冒泡排序算法对波浪进行排序处理，压力式波潮仪使用高分辨率传感器测量表面波引起的压力波动，软件根据线性波理论，可得波面与波动压力之间的关系，对波浪数据进行统计分析得到波高和波周期等特征参数。

(3)、该高频长效压力式波潮测量仪及波浪数据处理方法，通过改进的冒泡排序算法，对高频高精度波潮仪的原始测量数据进行处理，将波浪信息从压力数据中分离出来，让波潮仪使用者高效、方便及快捷的得到测量期间的随时间变化的波浪要素，软件使用简单灵活、计算应用平台广、计算速度快及波浪要素计算准确。

附图说明

图1为本发明压力式波潮测量仪结构的立体图；

图2为本发明压力式波潮测量仪结构的剖视图；

图3为本发明金属壳体结构的立体图；

图4为本发明波浪数据处理的流程图；

图5为本发明冒泡排序算法的原理图；

图6为本发明波潮测量公式的原理图。

图中，1-连接端头、2-金属壳体、3-活动盖、4-状态灯、5-外开关、6-接口、7-压力传感器、8-数据采集器、9-存储器、10-放置架、11-电源、12-控制电路板、13-第一活动孔、14-橡胶圈、15-第二活动孔、16-第一连接法兰、17-第二连接法兰、18-连接螺栓、19-工作状态窥视窗。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明实施例提供一种技术方案：一种高频长效压力式波潮测量仪，包括连接端头1和金属壳体2，波潮仪由高精度压力传感器、单片机和新型快闪存储器等组成，设计上充分利用单片机的软件资源，尽可能采用软件方法代替硬件电路，使仪器的电路简单，功耗低,可靠性高，自容工作时间长，有实时数据处理能力,能根据预设的波高阈值自动进行波浪加密观测,并且波潮仪的工作环境温度为-4℃至+45℃，另外，对于波潮仪的工作水深不大于满量程压力对应的水深，对于波潮进行观测，宜将波潮仪安装在海绵下15m以内，波潮仪所处位置水平流速不大于300cm·s-1，连接端头1的正面与背面均开设有工作状态窥视窗19，金属壳体2的材料采用钛合金材质构件，接口6的型号采用rs232接口，波潮仪通过rs232接口与计算机通信，应用软件采用vb语言编写，全中文图标式菜单驱动界面,能方便地进行人机对话，操作简单,压力传感器7的型号采用绝压式传感器，将波潮仪安装于坐底平台上，由于难于将大气压引入压力传感器中，故压力传感器选用绝压式传感器，绝压式传感器所测量的压力为大气压和海水压力之和，连接端头1表面的底部设置有第一连接法兰16，金属壳体2表面的顶部设置有第二连接法兰17，并且第一连接法兰16的底端与第二连接法兰17的顶端通过连接螺栓18固定连接，连接端头1的底端与金属壳体2的顶端固定连接，金属壳体2的顶端螺纹连接有活动盖3，活动盖3顶部的一侧分别设置有状态灯4与外开关5，并且活动盖3的内部设置有接口6，活动盖3的底部设置有压力传感器7，压力传感器7的一端贯穿活动盖3并延伸至活动盖3的顶部，并且活动盖3的内部开设有与压力传感器7相适配的第一活动孔13，并且第一活动孔13的内部设置有橡胶圈14，活动盖3的内部开设有与接口6相适配的第二活动孔15，并且第二活动孔15的内壁与接口6的表面相接触，金属壳体2内壁的两侧分别设置有数据采集器8与存储器9，波潮仪数据存储器的容量应大于16mb，按每分钟记录一个潮位值、每小时记录一组波浪原始数据计算,可连续记录3个月数据，金属壳体2内壁且位于存储器9的正下方设置有放置架10，并且放置架10的内部活动连接有电源11，金属壳体2内壁且位于电源11的正下方设置有控制电路板12，同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。

本发明还公开了一种高频长效压力式波潮测量仪的波浪数据处理方法，利用数据采集器进行波浪数组的采集，原始数据中既包含波浪又包含潮汐，波浪周期以秒为单位而潮汐周期以小时为单位，根据波浪和潮汐的周期不同将波浪信息和潮汐信息剥离开，数据采集和加密方式：波浪记录间隔可设定为每1h、2h、3h、4h、6h或8h记录一组波浪原始数据，当设定的波液记录间隔不是1h时,可设定波浪自动加密记录的波高阈值，当计算得出的有效被波高大于波高阁值时,自动进行每1h一组的波浪加密记录，每组波浪记录包含2048个样本,其采样间隔为0.5s，对波浪数组通过二乘拟合进行过滤，通过上跨零点求波浪数组的区间，对区间内部的波浪数组进行极值与周期的求取，采用改进的冒泡排序算法对波浪进行排序，最后对排序的波浪作平均，对波潮测量的原理公式为：设压力传感器测得的总压力为p，总压力p为滤掉波压变化后的平均值，大气压为pa，水压为pw，传感器至海面的海水平均密度为ρ，测量点处的重力加速度为g，从压力传感器至水面的垂直高度为h，则p＝pa+pw＝pa+ρgh，h＝(p-pa/ρg)，在对波潮进行测量的过程中假定某一时段内，海水平均密度ρ的变化可忽略，重力加速度g在确定的投放点为常数，则由压力传感器测得的总压力和岸上气压计测得的大气压即可计算出海面高度，从而求得潮位，波浪的测量是基于把实测到的压力波面换算成表面波浪，为得到表面波浪的各要素，在低频侧应用压力波谱转换为表面波谱，冒泡排序算法公式中，h为波数，h＝2π/l,并且l为波长，d为实际水深，z为压力传感器的压力数值，sp(w)为压力波谱，g为重力加速度，w为波浪的圆频率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。