CN105066967A - 基于mems运动传感器的测量波浪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于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。

Description

基于MEMS运动传感器的测量波浪方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

针对现有技术利用浮标观测波浪的方法所存在的问题，本发明提出一种利用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。

本发明所涉及的基于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：

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

$A=\left[\begin{array}{ccccccc}{S}_1{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_2{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_3{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_4{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_5{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_6{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_7{(f,\mathrm{\θ})}_1\\ S_1{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_2{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_3{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_4{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_5{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_6{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_7{(f,\mathrm{\θ})}_2\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ S_1{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_2{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_3{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_4{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_5{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_6{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_7{(f,\mathrm{\θ})}_{100}\end{array}\right]$ $,X=\left[\begin{array}{c}{K}_1\\ K_2\\ K_3\\ K_4\\ K_5\\ K_6\\ K_7\end{array}\right],S=\left[\begin{array}{c}S{(f,\mathrm{\θ})}_1\\ S{(f,\mathrm{\θ})}_2\\ S{(f,\mathrm{\θ})}_3\\ ......\\ ......\\ S{(f,\mathrm{\θ})}_{99}\\ S{(f,\mathrm{\θ})}_{100}\end{array}\right],$ 则未知量X＝(A^TA)^-1A^TS，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、波周期和波向等海洋波浪参数信息。

本发明所涉及的基于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为本发明涉及的基于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、a₃,三维运动角速度等共12个浮标运动参数；接着组合浮标运动参数计算原始波浪方向谱(S2)是根据MEMS运动传感器输出的12个浮标运动参数，构造7个组合，第1个组合由浮标的三维运动速度V₁、V₂、V₃构成，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，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，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，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，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，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，执行经典的海浪谱分析方法，求出原始波浪方向谱S₇(f,θ)；然后系数加权计算波浪方向谱(S3)是采用系数加权的方法求出海浪的波浪方向谱S(f,θ)，即： $\begin{array}{c}S(f,\mathrm{\θ})=K_1\·S_1(f,\mathrm{\θ})+K_2\·S_2(f,\mathrm{\θ})+K_3\·S_3(f,\mathrm{\θ})+\\ K_4\·S_4(f,\mathrm{\θ})+K_5\·S_5(f,\mathrm{\θ})+K_6\·S_6(f,\mathrm{\θ})+K_7\·S_7(f,\mathrm{\θ})\end{array}---\left(1\right),$ 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

$A=\left[\begin{array}{ccccccc}{S}_1{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_2{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_3{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_4{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_5{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_6{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_7{(f,\mathrm{\θ})}_1\\ S_1{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_2{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_3{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_4{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_5{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_6{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_7{(f,\mathrm{\θ})}_2\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ S_1{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_2{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_3{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_4{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_5{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_6{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_7{(f,\mathrm{\θ})}_{100}\end{array}\right]$ $,X=\left[\begin{array}{c}{K}_1\\ K_2\\ K_3\\ K_4\\ K_5\\ K_6\\ K_7\end{array}\right],S=\left[\begin{array}{c}S{(f,\mathrm{\θ})}_1\\ S{(f,\mathrm{\θ})}_2\\ S{(f,\mathrm{\θ})}_3\\ ......\\ ......\\ S{(f,\mathrm{\θ})}_{99}\\ S{(f,\mathrm{\θ})}_{100}\end{array}\right],$ 则未知量X＝(A^TA)^-1A^TS，即求出了K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、K₇等7个未知系数；最后计算波浪参数(S4)是按照经典的波浪理论由海浪的波浪方向谱S(f,θ)，计算出波高、波周期和波向等海洋波浪信息。

Claims (1)

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

$\begin{array}{c}A=\\ \left[\begin{array}{ccccccc}{S}_1{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_2{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_3{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_4{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_5{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_6{(f,\mathrm{\θ})}_1& S_7{(f,\mathrm{\θ})}_1\\ S_1{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_2{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_3{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_4{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_5{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_6{(f,\mathrm{\θ})}_2& S_7{(f,\mathrm{\θ})}_2\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ S_1{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_2{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_3{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_4{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_5{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_6{(f,\mathrm{\θ})}_{100}& S_7{(f,\mathrm{\θ})}_{100}\end{array}\right]\end{array},$ $X=\left[\begin{array}{c}{K}_1\\ K_2\\ K_3\\ K_4\\ K_5\\ K_6\\ K_7\end{array}\right],S=\left[\begin{array}{c}S{(f,\mathrm{\θ})}_1\\ S{(f,\mathrm{\θ})}_2\\ S{(f,\mathrm{\θ})}_3\\ ......\\ ......\\ S{(f,\mathrm{\θ})}_{99}\\ S{(f,\mathrm{\θ})}_{100}\end{array}\right],$ 则未知量X＝(A^TA)^-1A^TS，即求出了K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆、K₇等7个未知系数；

所述计算波浪参数(S4)，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、波周期和波向等海洋波浪参数信息。