專(zhuān)利名稱(chēng)：可使用鐵殼船的流向測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水文測(cè)量領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及一種應(yīng)用數(shù)學(xué)和物理方法排除鐵磁干擾，從而可使用鐵殼船載運(yùn)儀器，以地磁場(chǎng)為固定坐標(biāo)，測(cè)量河流或海流斷面流向分布的方法。
目前，用于水流流向測(cè)量的儀器種類(lèi)較多，較新式的可分為應(yīng)用陀螺儀和應(yīng)用磁羅盤(pán)兩大類(lèi)，如寶成電子公司生產(chǎn)的陀螺羅盤(pán)儀和長(zhǎng)江水利委員會(huì)、重慶水文儀器廠、天津海洋研究所、珠江水利委員會(huì)等單位研制和生產(chǎn)的各型磁羅盤(pán)儀。陀螺羅盤(pán)儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，維護(hù)不便。磁羅盤(pán)儀則因?yàn)殍F磁干擾，不能用鐵殼船載運(yùn)使用。
本發(fā)明的目的在于提供一種利用數(shù)學(xué)模型和物理手段，以差分磁場(chǎng)的方法實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示、記錄水流向相對(duì)于地磁場(chǎng)方向的可使用鐵殼船的流向測(cè)量方法。
本發(fā)明是利用數(shù)學(xué)模型和物理手段，以差分磁場(chǎng)的方法排除鐵殼船對(duì)磁羅盤(pán)的干擾，在光電水準(zhǔn)回路指令下，實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示和記錄水流向相對(duì)于地磁場(chǎng)的方向。首先，用物理標(biāo)定學(xué)習(xí)、數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證的方法找出在不同船向時(shí)，測(cè)點(diǎn)合成磁場(chǎng)相對(duì)于地磁場(chǎng)的方向。其次，以測(cè)點(diǎn)合成磁場(chǎng)相對(duì)于地磁場(chǎng)的方向?yàn)閯?dòng)坐標(biāo)，用磁羅盤(pán)測(cè)量測(cè)點(diǎn)水流方向，并通過(guò)計(jì)算機(jī)將此方向換算為相對(duì)于地磁方向的真實(shí)流向。
本發(fā)明標(biāo)定和測(cè)量過(guò)程均由儀器中的單片機(jī)控制自動(dòng)進(jìn)行。鐵殼船沿固定方向(例如沿河岸)長(zhǎng)期淀泊(數(shù)月至數(shù)年)時(shí)受到地球磁場(chǎng)磁化形成磁偶極矩。鐵殼船運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁偶極矩隨之運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，鐵殼船隨其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同還被地磁場(chǎng)磁化形成動(dòng)態(tài)的磁偶極矩。這兩個(gè)偶極矩產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)就是對(duì)地磁場(chǎng)的干擾，它們?cè)跍y(cè)(流向)點(diǎn)與地磁場(chǎng)合成真實(shí)磁場(chǎng)。真實(shí)磁場(chǎng)的方向與大小都是船與地磁場(chǎng)相對(duì)方向及船的搖擺和起伏狀態(tài)的函數(shù)。用一個(gè)光電水準(zhǔn)回路確定船的“水平”狀態(tài)。用一個(gè)安裝在高桅(船樓之上3-4米)頂端的電阻式或磁通門(mén)式磁羅盤(pán)確定船與地磁場(chǎng)的方向。在測(cè)點(diǎn)相于船固定一個(gè)磁通門(mén)羅盤(pán)，該羅盤(pán)確定以船向?yàn)閰⒄障档恼鎸?shí)磁場(chǎng)的方向。這個(gè)方向角與船向角之和或差就是真實(shí)磁場(chǎng)相對(duì)于地磁場(chǎng)的方向。操縱船“原地”轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向的起始方向和終了方向是船在“測(cè)流”航行時(shí)船向的兩個(gè)極端方向?！霸亍鞭D(zhuǎn)向過(guò)程中，以光電水準(zhǔn)信號(hào)為指令，用單片機(jī)連續(xù)同時(shí)讀取桅頂和測(cè)點(diǎn)羅盤(pán)的讀數(shù)，并經(jīng)自動(dòng)簡(jiǎn)單運(yùn)算后貯存在單片機(jī)內(nèi)作為真實(shí)磁場(chǎng)方向-船向-船狀態(tài)標(biāo)定表。
用數(shù)學(xué)有限元方法解拉氏方程，可以從理論上求出鐵殼船在水平狀態(tài)不同指向時(shí)在測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的合成真實(shí)磁場(chǎng)的方向。選取一些深度測(cè)點(diǎn)用大型電子計(jì)算機(jī)計(jì)算出結(jié)果，可與標(biāo)定學(xué)習(xí)中得到的結(jié)果相互印證。測(cè)量流向時(shí)，光電水準(zhǔn)指令單片機(jī)同時(shí)讀取桅頂羅盤(pán)讀數(shù)和置于測(cè)點(diǎn)處指示水流方向的“鉛魚(yú)”內(nèi)隨“鉛魚(yú)”轉(zhuǎn)動(dòng)的羅盤(pán)讀數(shù)。單片機(jī)根據(jù)桅頂羅盤(pán)讀數(shù)查出真實(shí)磁場(chǎng)方向?！般U魚(yú)”內(nèi)羅盤(pán)讀數(shù)表示以真實(shí)磁場(chǎng)方向?yàn)閰⒄盏乃鞣较颉纹瑱C(jī)自動(dòng)處理這些數(shù)據(jù)求出測(cè)點(diǎn)水流方向與地磁場(chǎng)方向夾角，得到固定坐標(biāo)中的流向，并進(jìn)行顯示和存貯。對(duì)不同船型的鐵殼船，只需重新進(jìn)行一次標(biāo)定學(xué)習(xí)，就可測(cè)量流向。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。


圖1為本發(fā)明標(biāo)定學(xué)習(xí)示意圖。
圖2為本發(fā)明流向?qū)崪y(cè)示意圖。
本發(fā)明的物理標(biāo)定學(xué)習(xí)、數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證的方法，將羅盤(pán)2安裝在高桅8頂端，其零位線平行于鐵殼船1縱軸線O，羅盤(pán)3安裝于測(cè)點(diǎn)處與船固結(jié)的水密銅管10內(nèi)，其零位線平行于O，當(dāng)裝于羅盤(pán)2下方的光電水準(zhǔn)回路9，在鐵殼船1處于水平狀態(tài)時(shí)發(fā)出指令，使單片機(jī)5讀取羅盤(pán)指示的船向相對(duì)地磁場(chǎng)方向角β和測(cè)點(diǎn)處合成磁場(chǎng)相對(duì)于船向角α，單片機(jī)計(jì)算測(cè)點(diǎn)合成磁場(chǎng)Hr相對(duì)地磁場(chǎng)He方向角α＝α-β，操縱鐵殼船1自β＝β1至β＝β2“原地旋轉(zhuǎn)”單片機(jī)5根據(jù)光電水準(zhǔn)回路9的指令多次計(jì)算和存貯α(β)，得到α～β關(guān)系表。β1和β2是1在實(shí)測(cè)航行時(shí)由于水流和波浪沖擊等因素而偏航的兩個(gè)極端方向，由具體測(cè)船和具體測(cè)試環(huán)境確定。根據(jù)需要操縱鐵殼船1多次“原地旋轉(zhuǎn)”，以得到足夠清細(xì)的α～β關(guān)系表。可讓單片機(jī)5顯示造表結(jié)果來(lái)判定是否達(dá)到了足夠的精細(xì)度。
圖2為流向測(cè)量原理。羅盤(pán)3改置于與鐵殼船1之間用鋼絲繩柔性連結(jié)的可指示水流方向的“鉛魚(yú)”6內(nèi)隨6轉(zhuǎn)動(dòng)。羅盤(pán)3的零位線與鉛魚(yú)縱軸線O平行。將6降到規(guī)定深度測(cè)點(diǎn)。單片機(jī)5得到光電水準(zhǔn)回路9的指令時(shí)，同時(shí)從羅盤(pán)2和3讀取β和水流Vf與Hr的夾角γ。單片機(jī)5從α～β關(guān)系表查得這時(shí)的Hr與He的夾角α，計(jì)算γ＝γ+α得出Vf與He間的夾角，并對(duì)γ角加以數(shù)字顯示和存貯記錄。只使用一只“鉛魚(yú)”時(shí)，可以在航行中定深度連續(xù)測(cè)出沿航線水流流向，也可以在一個(gè)船位測(cè)出不同深度水流流向后再移至另一船位再行測(cè)量。使用沿不同深度分布多只“鉛魚(yú)”時(shí)，可以在航行中連續(xù)測(cè)得沿航線剖面不同深度和位置水流流向分布。
羅盤(pán)2，3的電壓訊號(hào)均經(jīng)過(guò)放大并數(shù)字化之后再傳輸至單片機(jī)5。光電水準(zhǔn)回路9由不透明液體氣泡水準(zhǔn)，半導(dǎo)體發(fā)光管、硅光電二極管和放大、整形電路構(gòu)成。羅盤(pán)2和光電水準(zhǔn)回路9分別封裝在防雨通風(fēng)防曬的外殼中。9離開(kāi)2較遠(yuǎn)，以免干擾2。羅盤(pán)3應(yīng)用水密技術(shù)封裝在10或6之中。
本發(fā)明應(yīng)用于一條30米長(zhǎng)，吃水70厘米的鐵殼測(cè)船，流向測(cè)量誤差為±3°～±4°，完成一次測(cè)量時(shí)間為2秒，可給出10秒-180秒內(nèi)不同時(shí)段的流向角平均值，對(duì)所有數(shù)據(jù)自動(dòng)固態(tài)記錄，也可根據(jù)人工指令進(jìn)行測(cè)量和記錄數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可在-19℃～+80℃環(huán)境溫度中工作。
本發(fā)明可應(yīng)用于不同型號(hào)的鐵殼船或鐵浮體及長(zhǎng)期改變了泊向的同一條鐵殼船，標(biāo)定和實(shí)測(cè)均自動(dòng)進(jìn)行。對(duì)于必須使用鐵殼船或鐵浮體作載體的水文流向測(cè)量領(lǐng)域有重要實(shí)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.可使用鐵殼船的流向測(cè)量方法，其特征在于利用數(shù)學(xué)模型和物理手段，以差分磁場(chǎng)的方法排除鐵殼船對(duì)磁羅盤(pán)的干擾，在光電水準(zhǔn)回路指令下，實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示和記錄水流向相對(duì)于地磁場(chǎng)的方向，其具體步驟為首先，用物理標(biāo)定學(xué)習(xí)、數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證的方法找出在不同船向時(shí)，測(cè)點(diǎn)合成磁場(chǎng)相對(duì)于地磁場(chǎng)的方向；其次，以測(cè)點(diǎn)合成磁場(chǎng)相對(duì)于地磁場(chǎng)的方向?yàn)閯?dòng)坐標(biāo)，用磁羅盤(pán)測(cè)量測(cè)點(diǎn)水流方向，并通過(guò)計(jì)算機(jī)將此方向換算為相對(duì)于地磁場(chǎng)方向的真實(shí)流向。
2.如權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于所述的物理標(biāo)定學(xué)習(xí)、數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證的方法，將羅盤(pán)2安裝在高桅8頂端，其零位線平行于鐵殼船1縱軸線O，羅盤(pán)3安裝于測(cè)點(diǎn)處與船固結(jié)的水密銅管10內(nèi)，其零位線平行于鐵船縱軸O，當(dāng)裝于羅盤(pán)2下方的光電水位準(zhǔn)回路9，在鐵殼船1處于水平狀態(tài)時(shí)出指令，使單片機(jī)5讀取羅盤(pán)指示的船向相對(duì)地磁場(chǎng)方向角β和測(cè)點(diǎn)處合成磁場(chǎng)相對(duì)于船向角α，單片機(jī)計(jì)算測(cè)點(diǎn)合成磁場(chǎng)相對(duì)地磁場(chǎng)方向角α＝α-β，操船改變?chǔ)陆牵瑔纹瑱C(jī)讀取并記錄α～β表備用，選取兩至參個(gè)測(cè)點(diǎn)，用有限元方法計(jì)算出該點(diǎn)在一定β角之下，合成磁場(chǎng)相對(duì)于地磁場(chǎng)方向角α，與單片機(jī)記錄數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證。
3.如權(quán)利要求1所述的流向測(cè)量方法，其特征在于將羅盤(pán)3改置于鉛魚(yú)6內(nèi)，其零位線平行于鉛魚(yú)縱向O，將鉛魚(yú)用鋼絲繩吊放于一定深度的測(cè)點(diǎn)處，鉛魚(yú)指示水流方向，羅盤(pán)3指示水流相對(duì)于測(cè)點(diǎn)合成磁場(chǎng)的方向角γ，當(dāng)光電水準(zhǔn)回路9發(fā)出指令時(shí)，單片機(jī)5讀取羅盤(pán)指示的β角和γ角，并計(jì)算出水流方向相時(shí)于地磁方向的夾角γ＝γ+α(β)，然后顯示記錄，完成測(cè)點(diǎn)水流向的實(shí)時(shí)測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種可使用鐵殼船的流向測(cè)量方法，它是利用數(shù)學(xué)模型和物理手段，以差分磁場(chǎng)的方法排除鐵殼船對(duì)磁羅盤(pán)的干擾，在光電水準(zhǔn)回路指令下，實(shí)時(shí)測(cè)量，顯示和記錄水流向相對(duì)于地磁場(chǎng)的方向。本發(fā)明可應(yīng)用于不同型號(hào)的鐵殼船或鐵浮體及長(zhǎng)期改變了泊向的同一條鐵殼船。標(biāo)定和實(shí)測(cè)均自動(dòng)進(jìn)行。對(duì)于必須使用鐵殼船或鐵浮體作載體的水文流向測(cè)量領(lǐng)域有實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01C13/00GK1072498SQ9211031
公開(kāi)日1993年5月26日 申請(qǐng)日期1992年9月7日 優(yōu)先權(quán)日1992年9月7日
發(fā)明者袁綏華 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)