[发明专利]基于自适应频域积分的海浪检测方法

说明书

本发明的目的在于提供基于自适应频域积分的海浪检测方法，针对传统测量装置中垂直运动的被积分加速度不准确，积分位移精度低、可靠性差、易发散等问题。提出了AHRS，将载体坐标系加速度转换到地理坐标系下的天向加速度，以获得更准确的被积分加速度。AHRS还实现了对磁力计的实时在线校正，可以获得更为准确的航向角，从而提高波向的测量精度。本发明可以根据海浪运动情况自动调节滤波截止频率，提高滤波有效性及测量精度。

技术领域

本发明涉及的是一种海洋环境监测方法，具体地说是海浪运动参数波高、周期、波向的监测方法。

背景技术

随着地球上人口的不断增长，加剧了资源的过渡开采，资源短缺已经成为了世界性难题。

而海洋中蕴含丰富的石油、天然气等自然资源，但目前人类所能使用的海洋资源十分有限。人类如果想要开发海洋资源，就需要认识海洋、对海洋进行监测，掌握海浪的相关参数。所以对海浪的检测具有重要价值和意义。

海浪检测装置是一种可以测量海浪波高、周期、波向的设备，具有灵活的工作方式，可以自动、单次、定时、定点测量海浪的运动情况。根据测量原理可以将海浪检测装置分为：声学类装置、雷达遥感类装置、加速度传感器类装置、GPS类装置，不同装置各有优缺点。综合考虑测量精度、稳定性、响应速度等性能指标，现阶段，只有加速度传感器类和GPS类装置被广泛应用于海浪的测量。虽然GPS类装置测量精度相对较高，但GPS信号易受天气影响，并且造价相对较高，不便于区域组网监测海浪情况，在测量精度要求不高的情形下，大多采用加速度传感器类的检测装置。

加速度传感器类的装置，主要通过三轴加速度传感器，测得装置三轴加速度，可以很好的反映海浪三维运动情况。将加速度信号进行二次积分转换为位移信号，从而解算出周期、波高。并通过电子罗盘计算出系统的地理航向，根据载体的水平运动情况计算出海浪的实际波向。加速度类传感器类检测装置测量的关键与难点在于加速度信号的利用与转换。传感器直接获得的是载体坐标系下的加速度，而海浪运动的周期与波高是基于地理坐标下的海浪垂直运动的位移而定义，随着海浪的运动，载体坐标系与地理坐标系往往存在偏差，传感器直接测量的加速度无法有效的表征海浪真实运动情况。加速度信号积分成位移信号的方法大致可以分为两类：时域积分、频域积分。传感器测量的加速度信号中往往掺杂着各类干扰信号，受直流信号的影响，时域积分方法在时域内的积分会造成误差的不断积累，导致积分的位移不准确，需要使用复杂的误差补偿方法进行修正。而直流等干扰在频域积分内被视为常量，不会引起误差的积累。在频域积分时受各类干扰信号影响，需要将干扰信号进行滤波消除，才可获得时域内的位移信号。但由于海浪运动周期的不确定性，固定参数的滤波器往往精度较低，甚至引起滤波异常，造成海浪的位移信号的缺失，降低了测量精度。如何设计有效的滤波器，自适应海浪周期的变化，是提高频域积分有效性的关键。并且受载体航向的测量精度影响，航向的测量易受外界干扰，导致测量精度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供可以根据海浪运动情况自动调节滤波截止频率，提高滤波有效性及测量精度，并且通过对磁力计的在线补偿，提高载体地理航向测量精度，进而提高波向解算精度的基于自适应频域积分的海浪检测方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明基于自适应频域积分的海浪检测方法，其特征是：

(1)降频采集并存储MEMS输出的陀螺仪、加速度计、磁场数据；

(2)利用加速度计及磁场数据通过AHRS解算出载体姿态并进行存储；

(3)使用姿态转换矩阵将载体坐标系下加速度信号，转换到地理坐标系下，其中天向加速度即为海浪运动的垂直加速度；

(4)使用快速傅立叶变换将时域内的海浪运动的垂直加速度信号转换到频域内；

(5)将频域内的加速度信号进行二次积分成位移信号，使用自适应频域积分算法，确定上、下限截止频率，滤除相关干扰信号；