基于MEMS运动传感器的测量波浪方法技术

本发明专利技术公开了基于MEMS运动传感器的测量波浪方法是在浮标中安装一个MEMS运动传感器，采集浮标的多种运动参数，根据运动参数求出海洋波浪方向谱，进而计算出波浪参数。所述测量波浪方法包括采集浮标运动参数，用浮标中的MEMS运动传感器采集获取浮标的横摇角φ、纵摇角θ、艏摇角ψ以及浮标在ECEF坐标系中的三维运动速度；组合浮标运动参数计算原始波浪方向谱，根据采集到的12个浮标运动参数，构造7个组合，计算原始波浪方向谱；系数加权计算波浪方向谱，对7个组合的原始波浪方向谱采用系数加权法求出海浪的波浪方向谱；计算出波高、波周期和波向等海洋波浪参数信息。本发明专利技术提出的测量波浪的方法简易，波浪测量精度稳定可靠，具有非常广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于MEMS运动传感器的测量波浪方法
本专利技术涉及海洋波浪测量技术，特别涉及采用MEMS运动传感器测量海洋波浪的方法。
技术介绍
海洋波浪数据是最重要的海洋环境观测要素之一，从波浪业务化观测预报、海洋灾害应急观测、海洋能资源调查到长期的海洋气候学研究等多领域都对波浪测量仪器有着巨大的需求。波浪浮标具有非常好的随波运动特性，它是目前使用最广泛的海洋波浪测量仪器之一。传统的波浪浮标是在内部安装一个加速度传感器，根据测量浮标的运动加速度来计算波浪参数。这类浮标的测量只依赖于加速度这一类运动参数，测量精度直接由加速度传感器的噪声水平决定，当加速度传感器由于某种外部因素影响而测量误差和测量噪声突然加大时，浮标的测量精度也会突然的降低。因而，仅使用加速度一类运动参数的测波浮标的测量精度抵抗外部因素影响的能力较差，测量精度的稳定性和可靠性也较差。
技术实现思路
针对现有技术利用浮标观测波浪的方法所存在的问题，本专利技术提出一种利用MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微电子机械系统)运动传感器测量海洋波浪的方法，其目的在于通过在浮标中安装一个MEMS运动传感器，采集获取浮标的三维运动加速度、三维运动速度、三维运动角速度、横摇角、纵摇角、艏摇角等多类运动参数，继而根据这些类运动参数计算出波浪方向谱，接着求出波高、波周期和波向等海洋波浪信息。该方法采用浮标的多类运动参数来测量波浪，提高了测量精度抵抗外部因素影响的能力，也提高了波浪浮标测量精度的稳定性和可靠性。本专利技术所涉及的基于MEMS运动传感器测量波浪的方法包括以下步骤：S1、采集浮标运动参数用浮标中的MEMS运动传感器采集获取浮标的横摇角φ、纵摇角θ、艏摇角ψ以及浮标在ECEF(Earth-Centered,Earth-Fixed,地心地固)坐标系中的三维运动速度V1、V2、V3，三维运动加速度a1、a2、a3，三维运动角速度等共12个浮标运动参数，其中V1表示浮标在ECEF坐标系中X轴方向上的运动速度，V2表示浮标在ECEF坐标系中Y轴方向上的运动速度，V3表示浮标在ECEF坐标系中Z轴方向上的运动速度，a1表示浮标在ECEF坐标系中X轴方向上的运动加速度，a2表示浮标在ECEF坐标系中Y轴方向上的运动加速度，a3表示浮标在ECEF坐标系中Z轴方向上的运动加速度，表示浮标在ECEF坐标系中X轴方向上的运动角速度，表示浮标在ECEF坐标系中Y轴方向上的运动角速度，表示浮标在ECEF坐标系中Z轴方向上的运动角速度。S2、组合浮标运动参数计算原始波浪方向谱根据采集获取到的12个浮标运动参数，构造7个组合，其中每个组合包含3个浮标运动参数，根据每个组合的3个浮标运动参数求原始波浪方向谱，具体是：第1个组合由浮标的三维运动速度V1、V2、V3构成，其中V1表示浮标在ECEF坐标系中X轴方向上的运动速度，V2表示浮标在ECEF坐标系中Y轴方向上的运动速度，V3表示浮标在ECEF坐标系中Z轴方向上的运动速度，根据第1个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法求出原始波浪方向谱S1(f,θ)；第2个组合由浮标的三维运动加速度a1、a2、a3构成，其中a1表示浮标在ECEF坐标系中X轴方向上的运动加速度，a2表示浮标在ECEF坐标系中Y轴方向上的运动加速度，a3表示浮标在ECEF坐标系中Z轴方向上的运动加速度，根据第2个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S2(f,θ)；第3个组合由浮标的三维运动角速度构成，其中表示浮标在ECEF坐标系中X轴方向上的运动角速度，表示浮标在ECEF坐标系中Y轴方向上的运动角速度，表示浮标在ECEF坐标系中Z轴方向上的运动角速度，根据第3个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S3(f,θ)；第4个组合由浮标的运动速度V1、V2和运动加速度a3构成，其中V1表示浮标在ECEF坐标系中X轴方向上的运动速度，V2表示浮标在ECEF坐标系中Y轴方向上的运动速度，a3表示浮标在ECEF坐标系中Z轴方向上的运动加速度，根据第4个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S4(f,θ)；第5个组合由浮标的运动加速度a1、a2和运动速度V3构成，其中a1表示浮标在ECEF坐标系中X轴方向上的运动加速度，a2表示浮标在ECEF坐标系中Y轴方向上的运动加速度，V3表示浮标在ECEF坐标系中Z轴方向上的运动速度，根据第5个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S5(f,θ)；第6个组合由浮标的运动速度V3、横摇角φ和纵摇角θ构成，其中V3表示浮标在ECEF坐标系中Z轴方向上的运动速度，根据第6个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S6(f,θ)；第7个组合由浮标的运动加速度a3、横摇角φ和纵摇角θ构成，其中a3表示浮标在ECEF坐标系中Z轴方向上的运动加速度，根据第7个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S7(f,θ)。S3、系数加权计算波浪方向谱对7个组合的原始波浪方向谱采用系数加权法求出海浪的波浪方向谱S(f,θ)，即：其中K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7等7个未知系数的确定方法为：该7个未知系数通过在实验室中进行100次实验确定，每次实验时海浪的波浪方向谱S(f,θ)是事先知道的，即：S(f,θ)i＝K1·S1(f,θ)i+K2·S2(f,θ)i+K3·S3(f,θ)i+K4·S4(f,θ)i+K5·S5(f,θ)i+K6·S6(f,θ)i+K7·S7(f,θ)i(i＝1,2,3,……,100)(2)在公式(2)中，S(f,θ)i是实验时事先知道的，是已知量；S1(f,θ)i、S2(f,θ)i、S3(f,θ)i、S4(f,θ)i、S5(f,θ)i、S6(f,θ)i、S7(f,θ)i等7个原始波浪方向谱通过浮标测量得到，是已知量；则公式(2)写成矩阵形式为：AX＝S,其中则未知量X＝(ATA)-1ATS，即求出了K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7等7个未知系数。S4、计算波浪参数根据海浪的波浪方向谱S(f,θ)，按照经典的波浪理论，计算出波高、波周期和波向三种海洋波浪参数信息。本专利技术所涉及的基于MEMS运动传感器的测量波浪方法,采用浮标的多类运动参数来计算海浪的波浪方向谱，避免了只采用浮标的单一类运动参数因其突变加大的误差噪声信号对整个波浪方向谱测量精度的影响，提高了整个波浪测量精度的稳定性、可靠性和可保证性。附图说明图1为本专利技术涉及的基于MEMS运动传感器的测量波浪方法的流程图。附图中标记说明：S1、采集浮标运动参数S2、组合浮标运动参数计算原始波浪方向谱S3、系数加权计算波浪方向谱S4、计算波浪参数具体实施方式下面结合图1对基于MEMS运动传感器的测量波浪方法作进一步的说明：首先采集浮标运动参数(S1)是用浮标中的MEMS运动传感器采集浮标的横摇角φ、纵摇角θ、艏摇角ψ以及浮标在ECEF(Earth-Centered,Earth-Fixed,地心地固)坐标系中的三维运动速度V1、V2、V3,三维运动加速度a1、a2、a3,三维本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于MEMS运动传感器的测量波浪方法，其特征在于：步骤包括采集浮标运动参数(S1)、组合浮标运动参数计算原始波浪方向谱(S2)、系数加权计算波浪方向谱(S3)、计算波浪参数(S4)；所述采集浮标运动参数(S1)，用浮标中的MEMS运动传感器采集获取浮标的横摇角φ、纵摇角θ、艏摇角ψ以及浮标在ECEF坐标系中的三维运动速度V1、V2、V3，三维运动加速度a1、a2、a3，三维运动角速度等共12个浮标运动参数，其中V1表示浮标在ECEF坐标系中X轴方向上的运动速度，V2表示浮标在ECEF坐标系中Y轴方向上的运动速度，V3表示浮标在ECEF坐标系中Z轴方向上的运动速度，a1表示浮标在ECEF坐标系中X轴方向上的运动加速度，a2表示浮标在ECEF坐标系中Y轴方向上的运动加速度，a3表示浮标在ECEF坐标系中Z轴方向上的运动加速度，表示浮标在ECEF坐标系中X轴方向上的运动角速度，表示浮标在ECEF坐标系中Y轴方向上的运动角速度，表示浮标在ECEF坐标系中Z轴方向上的运动角速度；所述组合浮标运动参数计算原始波浪方向谱(S2)，根据采集到的12个浮标运动参数，构造7个组合，每个组合包含3个浮标运动参数，并根据每个组合的3个浮标运动参数计算原始波浪方向谱，第1个组合由浮标的三维运动速度V1、V2、V3构成，根据第1个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S1(f,θ)，第2个组合由浮标的三维运动加速度a1、a2、a3构成，根据第2个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S2(f,θ)，第3个组合由浮标的三维运动角速度构成，根据第3个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S3(f,θ)，第4个组合由浮标的运动速度V1、V2和运动加速度a3构成，根据第4个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S4(f,θ)，第5个组合由浮标的运动加速度a1、a2和运动速度V3构成，根据第5个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S5(f,θ)，第6个组合由浮标的运动速度V3、横摇角φ和纵摇角θ构成，根据第6个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S6(f,θ)，第7个组合由浮标的运动加速度a3、横摇角φ和纵摇角θ构成，根据第7个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S7(f,θ)；所述系数加权计算波浪方向谱(S3)，对7个组合的原始波浪方向谱采用系数加权法求出海浪的波浪方向谱S(f,θ)，即：S(f,θ)＝K1·S1(f,θ)+K2·S2(f,θ)+K3·S3(f,θ)                                                             (1)+K4·S4(f,θ)+K5·S5(f,θ)+K6·S6(f,θ)+K7·S7(f,θ)其中K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7等7个未知系数的确定方法为：该7个未知系数通过在实验室中进行100次实验确定，每次实验时海浪的波浪方向谱S(f,θ)是事先知道的，即：S(f,θ)i＝K1·S1(f,θ)i+K2·S2(f,θ)i+K3·S3(f,θ)i+K4·S4(f,θ)i+K5·S5(f,θ)i+K6·S6(f,θ)i+K7·S7(f,θ)i(i＝1,2,3,……,100)   (2)在公式(2)中，S(f,θ)i是实验时事先知道的，是已知量；S1(f,θ)i、S2(f,θ)i、S3(f,θ)i、S4(f,θ)i、S5(f,θ)i、S6(f,θ)i、S7(f,θ)i等7个原始波浪方向谱通过浮标测量得到，是已知量；则公式(2)写成矩阵形式为：AX＝S,其中A=S1(f,θ)1S2(f,θ)1S3(f,θ)1S4(f,θ)1S5(f,θ)1S6(f,θ)1S7(f,θ)1S1(f,θ)2S2(f,θ)2S3(f,θ)2S4(f,θ)2S5(f,θ)2S6(f,θ)2S7(f,θ)2··············S1(f,θ)100S2(f,θ)100S3(f,θ)100S4(f,&thet...

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS运动传感器的测量波浪方法，其特征在于：步骤包括采集浮标运动参数(S1)、组合浮标运动参数计算原始波浪方向谱(S2)、系数加权计算波浪方向谱(S3)、计算波浪参数(S4)；所述采集浮标运动参数(S1)，用浮标中的MEMS运动传感器采集获取浮标的横摇角φ、纵摇角θ、艏摇角ψ以及浮标在ECEF坐标系中的三维运动速度V1、V2、V3，三维运动加速度a1、a2、a3，三维运动角速度等共12个浮标运动参数，其中V1表示浮标在ECEF坐标系中X轴方向上的运动速度，V2表示浮标在ECEF坐标系中Y轴方向上的运动速度，V3表示浮标在ECEF坐标系中Z轴方向上的运动速度，a1表示浮标在ECEF坐标系中X轴方向上的运动加速度，a2表示浮标在ECEF坐标系中Y轴方向上的运动加速度，a3表示浮标在ECEF坐标系中Z轴方向上的运动加速度，表示浮标在ECEF坐标系中X轴方向上的运动角速度，表示浮标在ECEF坐标系中Y轴方向上的运动角速度，表示浮标在ECEF坐标系中Z轴方向上的运动角速度；所述组合浮标运动参数计算原始波浪方向谱(S2)，根据采集到的12个浮标运动参数，构造7个组合，每个组合包含3个浮标运动参数，并根据每个组合的3个浮标运动参数计算原始波浪方向谱，第1个组合由浮标的三维运动速度V1、V2、V3构成，根据第1个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S1(f,θ)，第2个组合由浮标的三维运动加速度a1、a2、a3构成，根据第2个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S2(f,θ)，第3个组合由浮标的三维运动角速度构成，根据第3个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S3(f,θ)，第4个组合由浮标的运动速度V1、V2和运动加速度a3构成，根据第4个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S4(f,θ)，第5个组合由浮标的运动加速度a1、a2和运动速度V3构成，根据第5个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S5(f,θ)，第6个组合由浮标的运动速度V3、横摇角φ和纵摇角θ构成，根据第6个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S6(f,θ)，第7个组合由浮标的运动加速度a3、横摇角φ和纵摇角θ构成，根据第7个组合的3个浮标运动参数，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S7(f,θ)；所述系数加权...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐占辉，张锁平，李明兵，党超群，
申请(专利权)人：国家海洋技术中心，
类型：发明
国别省市：天津;12