船舶走航式波浪测量系统研究

论文摘要

海洋是一个新兴的具有战略意义的开发领域。海洋中蕴含无尽的资源,要开发利用海洋就必须优先发展海洋观测技术。其中,波浪的观测对于海洋工程的建设具有极其重要的作用。我国目前的测波仪器主要是用于定点测量,很少用于船舶航行中实时测量的。为了能使远洋航行中的船舶实时地测量海浪,保证船舶的安全航行,设计一种船舶走航式波浪测量系统是非常有必要的。本课题致力于研制一种具有高技术和高可靠性的船舶走航式波浪测量系统。这种测量系统是以船舶自身为测量仪器,根据船的运动姿态反演波浪。本文运用了先进的DSP技术,提出了基于DSP的加速度式船舶走航式波浪测量系统的设计方法。本文比较详细地介绍了船舶走航式波浪测量系统的设计过程,给出了系统的整体设计方案。根据海浪理论,随机海浪被看成是均值为零的平稳随机过程,建立了随机海浪模型。系统看作是线性系统,船舶运动是在随机海浪扰动激励下的这一线性系统的输出。并根据船舶耐波性,结合谱估计理论和高阶累计量理论,运用AR模型对船舶运动频率响应特性进行了初始辨识。设计DSP系统时,分别从硬件和软件两个方面进行了研究。硬件方面采用了高速运算能力的DSP芯片,可以高效地对传感器送来的信号进行采样和处理；软件方面运用了数宇滤波和数字积分对采集到的加速度信号进行滤波和积分处理,提高了系统的抗干扰能力,减少了系统的硬件设备。在数据处理时,采用了FFT算法,提高了运算速度,更好地保证了波浪的实时测量。这种测波系统可用于船舶航行时,包括夜间,实时地观测波浪,有助于船舶的安全航行,还可起到积累可靠的波浪统计资料的作用。论文共分五部分。第一部分从课题的背景出发,论述了目前波浪测量方面的国内外发展状况,提出了本课题采用的关键技术及其研究的意义。第二部分简单介绍了船舶走航式波浪测量系统的研究方案。接着研究了海浪的特性及其模型的建立,并根据船的耐波性分析了船舶运动姿态与波浪激励之间的关系。讲述了海浪的特征值计算,根据船的运动规律,初步提出了船舶运动模型,对船舶运动频率响应特性做了初始辨识。第四部分则详细设计了测波系统的硬件和软件。最后,对本文的结果进行了分析,并对下一步的工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 课题提出的背景
• 1.2 国内外发展状况
• 1.3 课题的研究内容及其关键技术
• 1.3.1 本课题研究的主要内容
• 1.3.2 本课题采用的关键技术
• 1.4 选题研究的意义
• 2 船舶走航式波浪测量系统的研究方案
• 2.1 船舶走航式波浪测量技术的概述
• 2.2 系统方案的设计原则
• 2.3 系统方案的实现
• 2.3.1 Hibert变换及AR建模
• 2.3.2 DSP技术方案的设计
• 2.3.2.1 DSP芯片的选取
• 2.3.2.2 DSP数据处理技术
• 2.4 本章小结
• 3 随机海浪的扰动及船舶运动
• 3.1 随机海浪模型的建立
• 3.1.1 常用海浪谱
• 3.1.2 长峰波海浪
• 3.2 船舶在海浪中的运动
• 3.2.1 规则波中船舶运动的微分方程
• 3.2.2 不规则波中船舶运动
• 3.3 本章小结
• 4 船舶频率响应特性的初始辨识
• 4.1 海浪的特征参数
• 4.1.1 波浪特征参数的定义
• 4.1.2 波浪特征参数的计算
• 4.2 船舶运动频率响应特性的辨识
• 4.2.1 Hilbert变换
• 4.2.2 船舶运动频率响应初始辨识
• 4.2.2.1 船舶运动的高阶累积量
• 4.2.2.2 AR模型的建立
• 4.2.2.3 AR模型参数估计及阶次估计
• 4.3 本章小结
• 5 硬件系统的设计
• 5.1 总体设计
• 5.2 器件选型
• 5.2.1 三轴加速度传感器
• 5.2.2 方位传感器
• 5.2.3 GPS接收机
• 5.3 数据采集电路
• 5.4 DSP与外界设备的接口
• 5.4.1 DSP与A/D转换器的接口设计
• 5.4.2 DSP与TCM3、GPS和PC机通讯的接口设计
• 5.4.3 DSP与外扩存储器的接口设计
• 5.5 本章小结
• 6 软件设计
• 6.1 软件的总体设计
• 6.2 加速度信号及方位信号采集的程序设计
• 6.2.1 McBSP口的初始化
• 6.2.2 串口转换芯片的初始化
• 6.2.3 数据采集
• 6.3 本章小结
• 7 数据处理
• 7.1 FFI-DDI的基本思想
• 7.2 数字积分的软件设计
• 7.3 数据处理的程序设计
• 7.3.1 去直流分量
• 7.3.2 FFT滤波
• 7.3.3 数字积分
• 7.4 试验数据分析
• 7.5 本章小结
• 8 成果及展望
• 8.1 成果
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文