專利名稱：全新的海浪觀測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種波浪觀測裝置，特別是涉及一種全新的海浪觀測方法及其裝置。

背景技術(shù)：
目前，已有的波浪監(jiān)測手段很多，但都分別存在一定的缺陷 (1)浮標(biāo)波浪儀無法在海流較強的海域使用。浮標(biāo)受到錨鏈的束縛，測量誤差較大。只能測量單點的波浪。
(2)氣介式聲學(xué)波浪儀需要依托固定的安裝地點，應(yīng)用受到一定的限制。且安裝平臺往往會對波浪產(chǎn)生破壞。只能測量單點的波浪。
(3)坐底式水聲波浪儀在大浪情況下測量誤差大，限制了其應(yīng)用范圍。如果要實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，必須牽引電纜上岸，電纜的布設(shè)和維護(hù)都十分困難。只能測量單點的波浪。
(4)壓力式波浪儀無法測量高頻的波浪。如果要實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，必須牽引電纜上岸，電纜的布設(shè)和維護(hù)都十分困難。只能測量單點的波浪。
(5)光學(xué)波浪儀無法在夜間使用，無法在霧天使用，大浪情況下測量誤差較大。儀器測量精度受觀測員經(jīng)驗和主觀影響大，人員素質(zhì)對觀測結(jié)果影響很大。無法實現(xiàn)自動化監(jiān)測。觀測人員工作量大。只能測量單點的波浪。
(6)導(dǎo)航雷達(dá)波浪儀價格昂貴，受降水影響嚴(yán)重。中到大雨的情況下無法準(zhǔn)確測量。在我國這樣的大洋西岸國家，熱帶風(fēng)暴是最重要的海洋災(zāi)害天氣，而此儀器恰好此情況下無法使用，因此應(yīng)用上意義不大。
(7)地波雷達(dá)波浪儀價格極其昂貴，雖能測量波浪，但是測量的精度尚未得到很好的驗證，資料準(zhǔn)確性并不完全可靠。
(8)微波高度計僅能測量衛(wèi)星軌道正下方一條線上的波浪的有效波高，受降水影響比導(dǎo)航雷達(dá)波浪儀還要嚴(yán)重。作為衛(wèi)星遙感手段，時間和空間覆蓋率都十分低，不能實現(xiàn)全球的連續(xù)密集觀測。
(9)合成孔徑雷達(dá)價格極其昂貴。雖然是衛(wèi)星遙感手段，卻難以實現(xiàn)全球的觀測。
一種習(xí)用的GPS波浪儀Oceanpal(如圖1所示)是西班牙Starlab公司生產(chǎn)的，它是一個軟件GPS接收機，由兩副天線1’和前端模塊2’組成。朝下的左旋極化天線11’接收海面反射波，朝上的是右旋極化天線12’接收直達(dá)波。前端輸出16MHz中頻數(shù)據(jù)流。觀測數(shù)據(jù)送入計算機并用軟件處理。軟件部分完成對GPS信號的捕獲、跟蹤，跟蹤包括粗跟蹤，頻率間隔100Hz，和細(xì)跟蹤頻率間隔2Hz兩部分。當(dāng)信號鎖定以后，接收機利用接收到的四顆以上衛(wèi)星信號，進(jìn)行定位并給出反射信號的仰角和方位角，生成0級數(shù)據(jù)。它包含了直達(dá)波和反射波的復(fù)數(shù)相關(guān)波形，以及定位數(shù)據(jù)。0級數(shù)據(jù)被存儲在計算機內(nèi)，脫機處理。從0級數(shù)據(jù)計算得到海面有效波高(SWH)和海面平均高度。Oceanpal波浪儀采用軟件接收機處理方式，具有靈活性特點。但是，這種接收機不能夠連續(xù)工作，即該儀器觀測一分鐘以后，停止觀測和開始用計算機軟件對觀測結(jié)果處理，得到0級數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理一般需要1-3分鐘處理時間，待生成0級數(shù)據(jù)和寫入一個文件以后，再進(jìn)行下一次的波浪觀測。其次，Oceanpal波浪儀是接收GPS的C/A碼信號，采用相干處理計算SWH的。C/A碼的測量精度是GPS定位方式中最差的。因此，這種儀器不足之處是，不能夠提供連續(xù)觀測數(shù)據(jù)和精度受到限制。

實用新型內(nèi)容本實用新型的一個目的就是提供一種能夠連續(xù)輸出波高和波周期、精度高、低功耗、非接觸、便于安裝和維護(hù)、具有全天候工作能力的全新的海浪觀測裝置。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)解決方案是 本實用新型是一種全新的海浪觀測裝置，它包括兩副天線、兩路GNSS接收機、基帶處理器、數(shù)據(jù)處理和控制裝置；兩副天線分別為接收右旋極化直達(dá)波的右旋天線和接收經(jīng)過海面反射的左旋極化反射波的左旋天線，該右旋天線和左旋天線分別連接兩路可對高頻信號進(jìn)行濾波、放大、混頻和IF模擬信號采用GNSS的接收機前端，GNSS接收機輸出端連接可對接收信號的捕獲、跟蹤和定位計算的基帶處理器的輸入端，基帶處理器通過USB接口連接數(shù)據(jù)處理和控制裝置。
所述的基帶處理器包括基帶處理芯片ATR0621。
所述的GNSS接收機包括低噪聲放大器、梳狀濾波器、RF集成電路；所述的低噪聲放大器的輸出端連接梳狀濾波器的輸入端，梳狀濾波器的輸出端連接RF集成電路芯片的輸入端；所述的低噪聲放大器采用ATR0610芯片，RF集成電路芯片采用ATR0601芯片。
所述的天線采用0相位中心的高精度測量天線，低噪聲增益加天線增益共28db。
采用上述方案后，本實用新型具有以下優(yōu)點 (1)本實用新型利用硬件完成Oceanpal波浪儀(如圖1所示)中的軟件處理部分，即中頻數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)處理，采用中頻基帶處理器專用芯片完成對GPS信號的捕獲、跟蹤。它利用20萬個相關(guān)器實現(xiàn)對信號的快速捕獲和跟蹤，速度非?？欤冶纫话鉍PS接收機的靈敏度提高10db以上。采用的技術(shù)方面屬于高靈敏度的接收。
(2)本實用新型輸出的是GPS的載波數(shù)據(jù)，屬于定位方面最精確的技術(shù)，有利于提高波浪測量精度。
(3)本實用新型可以使用豐富的導(dǎo)航衛(wèi)星資源(目前使用的是全球定位系統(tǒng)GPS，未來還可以使用歐洲的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)Galileo以及我國自主的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)北斗二號，還有可能使用俄羅斯的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)GLONASS)，具有廉價、低功耗、非接觸、便于安裝和維護(hù)、具有全天候工作能力，不受天氣狀況的影響等諸多優(yōu)點。在岸邊使用時，可以觀測一定范圍內(nèi)的近岸波浪情況。在海上平臺(例如海上石油平臺)使用觀測平臺周邊約1公里范圍內(nèi)的波浪。
(4)本實用新型采用直達(dá)信號和反射信號同步觀測的方法來獲得天線到海面的實際高度。接收機方案采用載波相位信號測量波高，可以將測距精度提高到厘米量級，精度較高。
(5)本實用新型提出使用目前經(jīng)過實驗室檢驗過的測量精度最高的氣介式超聲波浪儀對本儀器進(jìn)行現(xiàn)場檢驗。
(6)本實用新型提出使用現(xiàn)場的雨量計同步測量降水強度資料，以驗證導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號波高儀具有全天候工作能力，不受降水的影響。

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作進(jìn)一步的說明。

圖1是一種習(xí)用波浪儀的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖； 圖3是本實用新型的線路圖。
具體實施方式
如圖2所示，本實用新型是一種全新的海浪觀測裝置，它包括兩副天線1、兩路GNSS接收機2、基帶處理器3、數(shù)據(jù)處理和控制裝置4。
兩副天線1分別為接收右旋極化直達(dá)波的右旋天線11和接收經(jīng)過海面反射的左旋極化反射波的左旋天線12，該右旋天線11和左旋天線12分別連接兩路可對高頻信號進(jìn)行濾波、放大、混頻和IF模擬信號的GNSS接收機21、22的前端，GNSS接收機21、22輸出端連接可對接收信號的捕獲、跟蹤和定位計算的基帶處理器3的輸入端，基帶處理器3通過USB接口連接數(shù)據(jù)處理和控制裝置4。
如圖3所示，所述的基帶處理器3包括數(shù)字電路基帶處理芯片ATR0621，以及附加的RTC晶體振蕩器、閃爍存儲器，控制電路等。數(shù)字基帶器3的核心是一個高度集成的基帶處理芯片ATR0621，它包含一個串口、GPS相關(guān)器硬件，RAM、ROM、備份電池RAM等。
所述的GNSS接收機2包括低噪聲放大器21、梳狀濾波器22、RF集成電路23；所述的低噪聲放大器21的輸出端連接梳狀濾波器22的輸入端，梳狀濾波器22的輸出端連接RF集成電路芯片23的輸入端。所述的低噪聲放大器21采用ATR0610芯片，RF集成電路23采用ATR0601芯片。
所述的天線1采用0相位中心的高精度測量天線，低噪聲增益加天線增益共28db。
本裝置的核心技術(shù)是采用了巨量的(20萬個)相關(guān)器，進(jìn)入基帶處理的信號，直接與本地的偽隨機碼進(jìn)行相關(guān)，由于相關(guān)器數(shù)量比較多，所以能夠及時跟蹤信號的載波相位和多普勒頻移，實現(xiàn)在多途徑傳播條件下，跟蹤到有用的微弱信號。
本實用新型的觀測原理 岸基觀測點是固定的，GNSS衛(wèi)星距離地面20200km，所以在約20分鐘觀測時間內(nèi)，海面觀測點第一個費涅耳半徑在幾米范圍內(nèi)變化，測量基本上等同于定點海面測量。
對于一個具體的反射點，本裝置每秒鐘進(jìn)行10次觀測，連續(xù)觀測一段時間后，即可得到海面高度變化的時間變化序列數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，就可以得到每一個波浪的波高和波周期，再對所有的波浪進(jìn)行統(tǒng)計分析，就可以得到最大波高、最大波對應(yīng)周期，1/10大波高、1/10大波對應(yīng)周期、1/3大波高、1/3大波對應(yīng)周期、平均波高和平均波周期。
一般情況下，接收機可以觀測到8-12顆GPS衛(wèi)星的直達(dá)波和反射波的信號，不同衛(wèi)星的反射點的位置各不相同，也就是說，該波浪儀實際上可以獲得一定范圍內(nèi)的波高場，而不僅僅是定點的觀測。
儀器測量性能的檢驗也是非常重要的工作，該儀器受其測量原理的限制，無法在實驗室內(nèi)進(jìn)行檢驗，必須進(jìn)行現(xiàn)場檢驗。本實用新型采用目前經(jīng)過實驗室檢驗過的測量精度最高的氣介式超聲波浪儀對本儀器進(jìn)行現(xiàn)場檢驗。
此外，該儀器屬于微波遙感儀器，雖然從理論上說，工作于L波段的導(dǎo)航衛(wèi)星信號受降水影響小，但是尚未得到現(xiàn)場數(shù)據(jù)的證實。本實用新型采用現(xiàn)場的雨量計同步測量降水強度資料，以驗證導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號波高儀具有全天候工作能力。
如圖2所示，本實用新型的觀測方法，它包括以下步驟 (1)兩副天線1分別接收右旋極化直達(dá)波，以及經(jīng)過海面反射的左旋極化反射波； (2)兩路GNSS接收機2共用一個時鐘，分別同步接收來自兩副天線的右旋極化直達(dá)波和左旋極化反射波信號，實現(xiàn)兩路信號的同步觀測；信號經(jīng)過GNSS接收機2的RF前端，再經(jīng)過低噪聲放大、濾波、正交混頻、中頻數(shù)字采樣得到數(shù)據(jù)流； (3)數(shù)據(jù)流分別進(jìn)入基帶處理器3，得到載波、碼相位、多普勒頻移、定位數(shù)據(jù)和電波到達(dá)接收機的仰角等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)編輯成相應(yīng)格式的文件，這個文件稱為0級文件。最后輸入0級數(shù)據(jù)，通過軟件計算得到海面波浪的波高和波周期等。
所述的測量的直達(dá)波L和反射波L的相位(以米為單位)可以表示如下 L直達(dá)波＝r幾何距離+r電離層時間延遲+r對流層時間延遲+ε1測量噪聲 (1) L反射波＝r幾何距離+r附加傳播距離+r電離層時間延遲+r對流層時間延遲+ε2測量噪聲 上式中r幾何距離是指GNSS衛(wèi)星到觀測點天線相位中心的距離。r附加傳播距離是指電波經(jīng)過海面反射相對直達(dá)波多傳播的距離，它與觀測點高度和電波仰角等幾何參數(shù)有關(guān)。數(shù)據(jù)處理部分通過將直達(dá)波和反射波測量的載波差分處理和平滑，得到r附加傳播距離，從測量的電波仰角、觀測點離海面高度等數(shù)據(jù)。反射信號與直達(dá)信號時間延遲經(jīng)過差分得到如下 ΔL＝2hsinθ+ε(2) h表示觀測點離海面高度。θ為鏡反射點對應(yīng)仰角。ε表示大氣時間延遲。這個值可以利用本地氣象參數(shù)估計，也可以從其它途徑得到。對于岸基觀測對流層傳播時間延遲大約在厘米量級。由于波浪測量只需要知道距離的相對值，而不是絕對值，因此，只要近海面對流層的時延基本不變，就可以不去考慮。
本裝置的工作原理 GPS信號到達(dá)地球表面的強度是-130dbm，它比熱噪聲低19db。標(biāo)準(zhǔn)的GPS接收機將信號積分時間增加到20ms，這樣可以將跟蹤信號下降到-150dbm。本實用新型采用高靈敏度GPS接收機將輸入信號積分時間增加，跟蹤水平下降到-160dbm。高靈敏度接收機(提供附加10db靈敏度)也可以補償小天線增益問題。對于接收海面反射信號，天線主要接收多徑的信號。它能夠在接收機通道內(nèi)部用強的信號抑制微弱的多徑信號，提供最佳的接收范圍。對于岸基的GPS波浪儀，接收機接收信號主要是反射區(qū)域的第一個菲涅爾帶，對于低于50m的觀測平臺，第一個菲涅爾帶的半徑大約是6到12m之間，也就是說，接收到的主要能量來源的區(qū)域是在這個半徑范圍內(nèi)海面波浪引起的鏡散射信號。而主要信號是在這個區(qū)域來的，而其余區(qū)域的信號是比較小的，可以由強信號抑制其它區(qū)域來的信號。整個儀器的電路工作原理是基于電波在海面?zhèn)鞑サ脑碓O(shè)計的。
如圖3所示，它是本實用新型GPS波浪儀的單邊電路圖，另外一邊是相同的。它由三塊芯片以及一臺便攜式計算機組成。(1)ART0610芯片是用于天線1輸入的GPS信號的低噪聲放大，提高信號與噪聲比值。經(jīng)過放大后的高頻信號，經(jīng)梳狀濾波器2，濾除GPS信號頻帶外的噪聲。(2)然后，信號輸入到芯片ATR0601，它是射頻前端電路，完成頻率變換、A/D采樣，實現(xiàn)從模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，它對經(jīng)過濾波的信號進(jìn)行放大、正交混頻、中頻放大和中頻采樣，生成IF數(shù)據(jù)流。這塊芯片輸出數(shù)字中頻信號、鐘信號、電源和AGC控制。AGC控制是為了能夠在信號采樣時，信號電平達(dá)到比較高，有利于提高數(shù)據(jù)處理的分辨率。
(3)中頻數(shù)據(jù)流輸入到ATR0621芯片，它的功能是從輸入數(shù)據(jù)流中對GPS的偽隨機碼通過與本地碼進(jìn)行相關(guān)處理，實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的捕獲，其次是對信號進(jìn)行跟蹤處理，將本地碼的時間延遲和多普勒頻移與天線輸入的信號對齊，得到最大相關(guān)，實現(xiàn)對信號的跟蹤。在芯片內(nèi)部有巨量的相關(guān)器、數(shù)據(jù)處理的程序、控制等，完成對信號的捕獲、跟蹤、定位計算和輸出原始的觀測數(shù)據(jù)(包括載波相位、碼相位和多普勒頻移等信息)。
(4)這些信息通過USB進(jìn)口送到計算機4，計算機4從觀測的四顆以上衛(wèi)星的載波和碼相位，計算接收點的位置，電波到達(dá)的仰角。輸出載波、碼相位和多普勒頻移燈原始觀測數(shù)據(jù)，輸出供同步使用的精密時間脈沖。輸出波浪的波高和波周期等。
另外，整個接收機封裝成兩個不同且結(jié)構(gòu)分開的屏蔽部件組成(圖3)。左邊部分是RF，右邊是基帶處理。RF包括低噪聲放大器(LNA)和梳狀濾波器，芯片是ATR0610。RF集成電路采用ATR0601芯片，它還包括一個GPS晶體振蕩器。ATR0601用于IF基帶處理。IF輸出是一個96.764MHz模擬信號，通過23.104MHz采樣頻率得到4.348MHz數(shù)字IF。RF部分完成一下4部分任務(wù) ·低噪聲放大。提供天線輸入信號的初步放大。它具有很低的噪聲系數(shù)和一個預(yù)放，它的性能決定了整個接收機的噪聲電平。
·梳狀濾波器。因為ATR0601芯片對輸入信號進(jìn)行梳狀濾波，抑制鏡像頻率分量。
·頻率轉(zhuǎn)換。將輸入信號轉(zhuǎn)換為適合數(shù)字IF處理的頻率。
·模擬信號的采樣。模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，得到1.5比特分辨率的動態(tài)范圍。它采用一個晶體鐘。自動增益控制保持采樣信號輸入最大。
其它說明 本發(fā)明專利主要是試圖采用兩路接收通道測量載波信號差值。目前GPS波浪儀采用C/A碼的相關(guān)函數(shù)，通過相關(guān)函數(shù)的時間差計算海浪高度。它是碼信號的測量，而本儀器采用接收信號的載波測量，精度可以大大地提高。為了滿足載波測量，本實用新型選擇了一種能夠輸出載波信息的接收機LEA-4T，它能夠輸出載波和碼相位數(shù)據(jù)，得到海面高度變化的信息。它由基帶處理芯片ATR0621芯片完成這部分功能。這類接收機采用高靈敏度接收技術(shù)，不僅有很高的接收機捕獲靈敏度，而且具有很好的信號跟蹤能力。本儀器能夠連續(xù)得到海面波浪數(shù)據(jù)，這是目前GPS波浪儀無法實現(xiàn)的功能。
本實用新型的重點就在于采用中頻基帶處理器專用芯片完成對GPS信號的捕獲、跟蹤。
權(quán)利要求1、一種全新的海浪觀測裝置，其特征在于它包括兩副天線、兩路GNSS接收機、基帶處理器、數(shù)據(jù)處理和控制裝置；兩副天線分別為接收右旋極化直達(dá)波的右旋天線和接收經(jīng)過海面反射的左旋極化反射波的左旋天線，該右旋天線和左旋天線分別連接兩路可對高頻信號進(jìn)行濾波、放大、混頻和IF模擬信號采用GNSS的接收機前端，GNSS接收機輸出端連接可對接收信號的捕獲、跟蹤和定位計算的基帶處理器的輸入端，基帶處理器通過USB接口連接數(shù)據(jù)處理和控制裝置。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的全新的海浪觀測裝置，其特征在于所述的基帶處理器包括基帶處理芯片ATR0621。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的全新的海浪觀測裝置，其特征在于所述的GNSS接收機包括低噪聲放大器、梳狀濾波器、RF集成電路；所述的低噪聲放大器的輸出端連接梳狀濾波器的輸入端，梳狀濾波器的輸出端連接RF集成電路芯片的輸入端；所述的低噪聲放大器采用ATR0610芯片，RF集成電路芯片采用ATR0601芯片。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的全新的海浪觀測裝置，其特征在于所述的天線采用0相位中心的高精度測量天線，低噪聲增益加天線增益共28db。
專利摘要本實用新型公開了一種全新的海浪觀測裝置，該方法采用兩副天線分別接收右旋極化直達(dá)波，以及經(jīng)過海面反射的左旋極化反射波；兩路GNSS接收機共用一個時鐘，分別同步接收來自兩副天線的右旋極化直達(dá)波和左旋極化反射波信號，信號經(jīng)過GNSS接收機的RF前端，再經(jīng)過低噪聲放大、濾波、正交混頻、中頻數(shù)字采樣得到數(shù)據(jù)流；數(shù)據(jù)流分別進(jìn)入基帶處理器，得到直達(dá)波和反射波的載波相位、碼相位和多普勒頻移；數(shù)據(jù)反演得到海面到天線之間的高度。由于本實用新型中頻基帶處理器專用芯片完成對GPS信號的捕獲、跟蹤。它利用20萬個相關(guān)器實現(xiàn)對信號的快速捕獲和跟蹤，速度非?？?，而且比一般GPS接收機的靈敏度提高10db以上。
文檔編號G01C13/00GK201221947SQ20082010272
公開日2009年4月15日 申請日期2008年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月17日
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