基于Delphi和MATLAB混合編程的波浪估計(jì)算法實(shí)現(xiàn)

鄭威，王志，冉祥濤，惠力，劉敏，楊立

（山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東　青島　266001）

基于Delphi和MATLAB混合編程的波浪估計(jì)算法實(shí)現(xiàn)

鄭威，王志，冉祥濤，惠力，劉敏，楊立

（山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266001）

摘要：針對(duì)在Delphi7下編寫波浪估計(jì)算法效率低且不易實(shí)現(xiàn)的問題，本文采用基于Delphi7和MATLAB7.0混合編程的方法，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)軟件的波浪估計(jì)能力。該方法簡(jiǎn)單，開發(fā)周期短。將上位機(jī)軟件估計(jì)結(jié)果與Nortek公司商用軟件Quickwave對(duì)比，結(jié)果表明本文的上位機(jī)軟件估計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確，采用混合編程方法可準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)ADCP上位機(jī)軟件中波浪估計(jì)的功能。

關(guān)鍵詞：ADCP；方向譜估計(jì)；上位機(jī)；Delphi；MATLAB

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（acousticdopplercurrentprofiler，ADCP）利用聲學(xué)多普勒原理，可以獲取不同深度海流的流速和流向，在全世界范圍的海洋、湖泊和河流等地域中廣泛應(yīng)用。近十年來(lái)，一些海洋學(xué)者開始利用ADCP進(jìn)行海洋表面波浪的估計(jì)，其基本原理類似于傳感器陣列的測(cè)波向技術(shù)，即認(rèn)為ADCP沿著波束方向上的測(cè)點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立傳感器，多個(gè)測(cè)點(diǎn)組成的陣列具備了測(cè)量波向的能力，這種方法經(jīng)過(guò)了Terray等［1］的驗(yàn)證，證明JANNUS配置的ADCP利用3層12個(gè)測(cè)點(diǎn)陣列可以精確估計(jì)波浪波向。到目前為止，美國(guó)RDI公司、Sontek公司以及挪威Nortek公司都相繼推出了具備波浪和海流測(cè)量能力的ADCP設(shè)備，例如RDI公司“駿馬”系列新型ADCP［2］、Nortek公司“浪龍”系列新型ADCP［3］等。多名海洋學(xué)者利用商用ADCP與其他儀器進(jìn)行了比測(cè)試驗(yàn)，例如Jeans［4］、Work［5］利用ADCP與波浪騎士進(jìn)行了波浪估計(jì)對(duì)比，結(jié)果一致證明ADCP的波浪測(cè)量是準(zhǔn)確的。

波浪方向譜估計(jì)算法發(fā)展到目前為止，在海洋工程領(lǐng)域內(nèi)最常用的是最大似然算法（maximumlikelihoodmethod，MLM），其計(jì)算速度快、計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定，且具有一定計(jì)算精度，RDI的商用軟件WAVESMON和Nortek的Quickwave都使用最大似然算法。傅里葉級(jí)數(shù)算法同樣在實(shí)測(cè)中應(yīng)用較多，該算法計(jì)算簡(jiǎn)單，但估計(jì)方向分布比實(shí)際分布略寬，主要應(yīng)用于測(cè)點(diǎn)較少時(shí)的情況（如測(cè)點(diǎn)為3個(gè)）。貝葉斯算法是另外一種常用的算法，估計(jì)精度高，但一般要求測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)不少于4個(gè)，計(jì)算復(fù)雜、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室后續(xù)的數(shù)據(jù)分析［6］。

我國(guó)的海洋儀器產(chǎn)品研發(fā)距離國(guó)外先進(jìn)水平還有一段距離，目前海洋儀器大多依賴進(jìn)口，80%以上國(guó)內(nèi)使用的ADCP設(shè)備是國(guó)外產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)的相關(guān)院所一直致力于ADCP方面的研究，到目前為止，中船重工715所的相控陣ADCP（PAADCP）是受到認(rèn)可的唯一商用產(chǎn)品，但PAADCP主要用來(lái)測(cè)流，并不具備波浪的觀測(cè)能力。國(guó)家海洋技術(shù)中心在國(guó)家863計(jì)劃下進(jìn)行了ADCP方面的研究，并組裝了樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，取得了有益成果［7－8］。山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所近年來(lái)一直從事ADCP的理論研究及技術(shù)研發(fā)工作，目前在換能器陣、機(jī)械和軟件設(shè)計(jì)等方面取得了進(jìn)展。本文主要闡述ADCP研發(fā)中上位機(jī)軟件的波浪估計(jì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)。目前界面開發(fā)軟件很多，常用的有Delphi，C＋＋Builder等，這些開發(fā)工具在界面設(shè)計(jì)上效率很高，但缺點(diǎn)是科學(xué)計(jì)算能力較低，方向譜估計(jì)算法在Delphi7下編程效率低且不易實(shí)現(xiàn)。本文采用Delphi7和MATLAB7.0混合編程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)方向譜估計(jì)算法。

1　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

ADCP由水下測(cè)量和陸上處理系統(tǒng)兩部分組成（圖1），水下測(cè)量模塊主要由聲學(xué)多普勒換能器陣、壓力傳感器、電子羅盤、傾斜傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集處理器、固態(tài)存儲(chǔ)器、電池、水密機(jī)箱、小型水下鎧裝電纜和水密接頭組成，其中水下測(cè)量系統(tǒng)的4個(gè)聲學(xué)多普勒換能器按一定方位角安裝在一個(gè)殼體內(nèi)組成換能器陣，其中3個(gè)波束的傾角為30°，波束之間在水平面投影的夾角為120°，另一個(gè)換能器豎直向上（圖2）。

圖1　ADCP的水下測(cè)量系統(tǒng)和陸上處理系統(tǒng)Fig.1　Underwatermeasuring　system　and　onshore　processing　system　of　ADCP

圖2　聲學(xué)換能器陣設(shè)計(jì)Fig.2　Design　of　acoustic　transducer　array

水下測(cè)量系統(tǒng)的功能是：（1）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；（2）通過(guò)聲學(xué)多普勒回波計(jì)算分層海流的流速和流向；（3）將采集數(shù)據(jù)及海流數(shù)據(jù)打包，而后發(fā)送到陸上處理系統(tǒng)。

陸上處理系統(tǒng)主要由接收模塊和上位機(jī)軟件組成，其主要功能是：（1）接收水下測(cè)量系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)包，解析數(shù)據(jù)包并分析數(shù)據(jù)，顯示及存儲(chǔ)海流數(shù)據(jù)；（2）通過(guò)上位機(jī)軟件估計(jì)波浪的各種特征值，包括有義波高、峰值周期、峰值方向和主波向，顯示并儲(chǔ)存波浪數(shù)據(jù)；（3）具備歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線顯示功能。

2　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

構(gòu)成上位機(jī)軟件的主要功能模塊有通訊配置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線顯示及波浪計(jì)算模塊（圖3）。其中通訊配置模塊的功能是實(shí)現(xiàn)水下測(cè)量系統(tǒng)和陸上主機(jī)之間的串口數(shù)據(jù)傳遞，采用小型鎧裝電纜連接保證數(shù)據(jù)傳遞的實(shí)現(xiàn)；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)海流及波浪數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示；歷史數(shù)據(jù)查詢模塊及歷史數(shù)據(jù)曲線模塊的功能是保證用戶可以查詢以往記錄的海流及波浪數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)值顯示或曲線顯示；波浪計(jì)算模塊是上位機(jī)軟件的重要模塊，主要實(shí)現(xiàn)每個(gè)小時(shí)的波浪特征值計(jì)算。

圖3　坐底式波浪儀上位機(jī)軟件構(gòu)成Fig.3　Upper-computer　software　composition　of　upward-looking　ADCP

圖4　上位機(jī)軟件計(jì)算流程Fig.4　Calculation　flowchart　of　upper-computer　software

上位機(jī)軟件的計(jì)算流程見圖4，水下系統(tǒng)每分鐘定時(shí)通過(guò)串口向陸上上位機(jī)軟件發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包含了壓力、溫度、姿態(tài)、羅經(jīng)和流速數(shù)據(jù)。上位機(jī)判斷串口是否接收到下位機(jī)的數(shù)據(jù)，確認(rèn)接收到后，通過(guò)異或校驗(yàn)判斷數(shù)據(jù)是否正確，如果校驗(yàn)位滿足要求，解析數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示流速及存儲(chǔ)。上位機(jī)軟件每小時(shí)計(jì)算波浪1次，利用每小時(shí)的前49min的海流及各種傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算1h內(nèi)波浪的特征值，并在實(shí)時(shí)界面內(nèi)顯示。同時(shí)上位機(jī)軟件具備歷史數(shù)據(jù)查詢及歷史曲線顯示功能，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行取出操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3　波浪估計(jì)模塊在上位機(jī)中的實(shí)現(xiàn)方法

3.1波浪方向譜估計(jì)基本原理

假定波浪振幅很小且由多數(shù)組成波迭加而成，可推導(dǎo)出任意兩個(gè)波浪特性間的互譜等于相應(yīng)波浪特性與波面間的傳遞函數(shù)的乘積的傅里葉變換，即

方向譜S（f，θ）的表達(dá)形式分解為頻譜和方向分布函數(shù)的乘積

式中，θ為組成波的方向，SH（f）為海浪頻譜，D（f，θ）代表頻點(diǎn)f的方向分布函數(shù)，方向譜S（f，θ）滿足

由公式（1）可知，公式左側(cè)的互譜是已知量；當(dāng)測(cè)量物理量選定后，不同物理量對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)H通過(guò)線性波浪理論是已知的，公式右側(cè)的方向譜S（f，θ）是未知的。公式（3）求逆運(yùn)算即是方向譜求解過(guò)程，求逆過(guò)程中解值并不是唯一的，方向譜估計(jì)算法也存在多種，比如最大似然算法、貝葉斯算法，以及最大熵算法等［9］。

適用于波束陣列的最大似然法（MLM）基本思想是將方向譜估計(jì)值表示為交叉譜的線性疊加，并將此估計(jì)值最小化來(lái)接近真實(shí)值。最大似然算法的方向譜估計(jì)值為：

其中，H代表共軛轉(zhuǎn)置。

傅里葉級(jí)數(shù)算法是將方向譜表示為傅里葉級(jí)數(shù)展開的形式，通過(guò)對(duì)于展開系數(shù)的求解來(lái)表示方向譜。Nortek的Quickwave軟件使用波面高度（s）、水平方向上的橫向和縱向速度（u，v）采用傅里葉級(jí)數(shù)算法計(jì)算方向譜，只能求解到n＝2時(shí)的傅里葉系數(shù)，方向譜估計(jì)值可表示為

3.2方向譜估計(jì)的實(shí)現(xiàn)步驟

采用Delphi7和MATLAB7.0混合編程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)方向譜估計(jì)算法，分別利用到Delphi7的界面設(shè)計(jì)能力及MATLAB7.0的科學(xué)計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。該方法在上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在能夠保證上位機(jī)軟件準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)波浪估計(jì)能力，同時(shí)可以有效降低軟件的實(shí)現(xiàn)難度，縮短軟件的開發(fā)周期［10－15］，具體的實(shí)現(xiàn)步驟見圖5。

第一步，在MATLAB7.0下編寫函數(shù)。編寫的波浪估計(jì)函數(shù)只能是函數(shù)文件，函數(shù)的輸入值為一個(gè)小時(shí)的測(cè)流速度值，以及所選速度測(cè)點(diǎn)所在深度、水深、姿態(tài)信息和羅經(jīng)數(shù)據(jù)；函數(shù)的輸出值為一個(gè)小時(shí)內(nèi)波浪的特征值，包括有義波高、峰值周期、峰值方向和主浪向。

第二步，在MATLAB7.0下的編寫函數(shù)需要通過(guò)ADCP歷史資料的驗(yàn)證。將編寫函數(shù)的波浪估計(jì)結(jié)果與ADCP商用軟件的波浪估計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果的一致性可以驗(yàn)證編寫函數(shù)的正確性。

圖5　基于　Delphi和MATLAB混合編程的方向譜估計(jì)步驟Fig.5　Delphi　andmATLABmixed　programming　based　wave　directional　spectrum　estimation

圖6mATLAB　7.0和Delphi　7混合編程步驟Fig.6mATLAB　7.0　and　Delphi　7mixed　programming　steps

第三步，利用MATLAB7.0自帶的comtool工具新建工程并完成工程設(shè)置；在Mfiles添加編寫好的函數(shù)，點(diǎn)擊build菜單下的COMobject即開始dll組件生成過(guò)程，當(dāng)該生成過(guò)程成功后，會(huì)在工程所在目錄下的distrib文件夾下生成dll文件，可以點(diǎn)擊component菜單下的packagecomponent，點(diǎn)擊create會(huì)將dll等文件進(jìn)行打包，生成exe程序。見圖6。

第四步，在Delphi7軟件所在電腦上，運(yùn)行上述exe程序即可完成dll文件的注冊(cè)，而后選擇Delphi7的project目錄下importtypelibrary選中所用dll文件，如圖6，點(diǎn)擊install即可安裝dll，安裝的dll控件在activex組件欄中，選擇該組件即可在Delphi7軟件中調(diào)用波浪估計(jì)的dll組件，最終實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的波浪估計(jì)功能。

4　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證上位機(jī)軟件的估計(jì)效果，本文采用美國(guó)NCCOOS（northcarolinacoastaloceanobservingsystem）項(xiàng)目的jpier試驗(yàn)點(diǎn)Nortek“浪龍”數(shù)據(jù)，選取數(shù)據(jù)的時(shí)間是2008年4月18日到20日。通過(guò)模擬串口向上位機(jī)發(fā)送一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含有海流數(shù)據(jù)及各種其他傳感器數(shù)據(jù)。圖7是坐底式波浪儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收界面，主要包含海流部分和波浪部分，只顯示了深度為6.58m的一層海流，并顯示了有義波高、峰值周期、峰值方向和主波向計(jì)算值，分別采用了IMLM（迭代最大似然算法）和SUV（傅里葉級(jí)數(shù)展開算法），兩種算法的估計(jì)結(jié)果是一致的。

圖7　實(shí)時(shí)接收界面Fig.7　Real-time　receiving　interface

將本文中上位機(jī)軟件處理結(jié)果（IMLM算法）和Nortek公司商用波浪處理軟件Quickwave處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明上位機(jī)軟件與Quickwave軟件計(jì)算結(jié)果是一致的，波浪能量主要集中在0.1Hz，波浪主浪向在240°左右（圖8）。圖9顯示了2008年4月18日03時(shí)到4月20日03時(shí)的有義波高及平均波向數(shù)據(jù)，分別利用本文上位機(jī)軟件以及Quickwave對(duì)于原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，二者之間吻合較好，有義波高從1.7m下降到0.6m左右，平均波向穩(wěn)定在240°左右，驗(yàn)證了本文上位機(jī)軟件的波浪估計(jì)結(jié)果的正確性。

圖8　2008年4月19日00時(shí)計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.8　Calculation　result　comparison　at　00　of　April　19，2008

圖9　2008年4月18日03時(shí)到20日03時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.9　Data　comparison　from　three　of　April　18　to　three　of　April　20，2008

5　結(jié)語(yǔ)

在以Delphi7作為平臺(tái)的ADCP上位機(jī)軟件研發(fā)中，本文采用基于Delphi7和MATLAB7.0混合編程的方法，有效地實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)軟件中波浪估計(jì)的功能，這種方法易于實(shí)現(xiàn)，開發(fā)周期短。通過(guò)與Nortek公司商用Quickwave軟件對(duì)比，驗(yàn)證了該上位機(jī)軟件中波浪估計(jì)的準(zhǔn)確性。本文給出的混合編程方法有效地實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)軟件中的波浪估計(jì)功能，該方法同樣適用于其他復(fù)雜算法在上位機(jī)軟件上的實(shí)現(xiàn)，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。

在本文的技術(shù)方案中，每秒計(jì)算一次海流測(cè)量值，海流值的計(jì)算放在下位機(jī)中進(jìn)行，可保證計(jì)算的實(shí)時(shí)性；每小時(shí)計(jì)算一次波浪值，波浪計(jì)算放在上位機(jī)中，主要是考慮到上位機(jī)軟件編程方法實(shí)現(xiàn)波浪估計(jì)相對(duì)容易，在MATLAB環(huán)境下存在多種庫(kù)函數(shù)，節(jié)省了大量的子函數(shù)開發(fā)時(shí)間，軟件開發(fā)周期短。通過(guò)實(shí)際計(jì)算觀察，本文上位機(jī)軟件中的波浪計(jì)算一次需要8～10s時(shí)間（跟計(jì)算機(jī)硬件配置有關(guān)），完全能滿足技術(shù)方案中對(duì)于海流及波浪的實(shí)時(shí)觀測(cè)要求。本技術(shù)方案只適用于ADCP有纜觀測(cè)模式，當(dāng)ADCP為自容式時(shí)，本文的方案不再滿足要求，現(xiàn)有國(guó)外商用ADCP產(chǎn)品大多將海流及波浪計(jì)算同時(shí)放在下位機(jī)中實(shí)現(xiàn)，這種方式更為先進(jìn)，能夠同時(shí)滿足有纜在線觀測(cè)方式和自容式的ADCP?？紤]到儀器的實(shí)用性，波浪的計(jì)算必然需要向下位機(jī)移植，只需要在程序部分實(shí)現(xiàn)波浪估計(jì)的功能，不需額外增加硬件成本，但波浪估計(jì)編程在下位機(jī)中實(shí)現(xiàn)無(wú)疑要更加復(fù)雜，需要后續(xù)進(jìn)行深入研究。

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DelphiandmATLABmixedprogrammingbasedwaveestimationalgorithm

ZHENGWei，WANGZhi，RANXiang-tao，HUILi，LIUmin，YANGLi

（ShandongProvincialKeyLaboratoryofOceanEnvironmentalmonitoringTechnology，InstituteofOceanographicInstrumentation，ShandongAcademyofSciences，Qingdao266001，China）

Abstract：InviewoflowefficiencyandimplementationdifficultyofDelphi7basedwaveestimationalgorithm，werealizewaveestimationcapabilityofuppercomputersoftwarewithDelphi7andmATLAB7.0mixedprogramming.Themethodissimpleandhasshortdevelopmentperiod.Wealsocomparecalculationresultbetweenupper-computersoftwareandNortekcompanycommercialsoftwareQuickwave.Resultsshowthatwaveestimationresultofupper-computersoftwareisaccurate.Thepresentedmixedprogrammingmethodcaneffectivelyestimatewavefunctionalityofupper-computersoftware.

Keywords：ADCP；wavedirectionalspectrumestimation；upper-computer；Delphi；MATLAB

中圖分類號(hào)：TP312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-4026（2016）01-0007-07

DOI：10.3976/j.issn.1002－4026.2016.01.002

收稿日期：2015-07-16

基金項(xiàng)目：海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201205039-2，201505007-3）；山東省自主創(chuàng)新專項(xiàng)（2013CXC80101）；青島市市南區(qū)發(fā)展基金（2013-12-001-XX）；山東省科學(xué)院青年基金（2014QN037）；山東省自然科學(xué)基金（ZR2015YL022）

作者簡(jiǎn)介：鄭威（1983－），男，副研究員，博士，研究方向?yàn)锳DCP波流測(cè)量研究。Email：honestzheng123＠163.com