基于MEMS运动传感器的测量波浪方法

摘要

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、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、波周期和波向三种海洋波浪参数信息。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。

主权项

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：$\begin{array}{c}S(f,\theta )=K_1·S_1(f,\theta )+K_2·S_2(f,\theta )+K_3·S_3(f,\theta )\\ +K_4·S_4(f,\theta )+K_5·S_5(f,\theta )+K_6·S_6(f,\theta )+K_7·S_7(f,\theta )\end{array}---\left(1\right)$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$\begin{array}{c}A=\\ \left[\begin{array}{ccccccc}{S}_1{(f,\theta )}_1& S_2{(f,\theta )}_1& S_3{(f,\theta )}_1& S_4{(f,\theta )}_1& S_5{(f,\theta )}_1& S_6{(f,\theta )}_1& S_7{(f,\theta )}_1\\ S_1{(f,\theta )}_2& S_2{(f,\theta )}_2& S_3{(f,\theta )}_2& S_4{(f,\theta )}_2& S_5{(f,\theta )}_2& S_6{(f,\theta )}_2& S_7{(f,\theta )}_2\\ .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .\\ S_1{(f,\theta )}_{100}& S_2{(f,\theta )}_{100}& S_3{(f,\theta )}_{100}& S_4{(f,\theta )}_{100}& S_5{(f,\theta )}_{100}& S_6{(f,\theta )}_{100}& S_7{(f,\theta )}_{100}\end{array}\right]\end{array},$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、波周期和波向三种海洋波浪参数信息。