[发明专利]一种海洋环境下基于模态分析的网箱状态检测方法

说明书

本发明公开了一种海洋环境下基于模态分析的网箱状态检测方法，可用于监测网箱是否破损和对网箱周围来流进行估计。本发明通过分析网箱模态的方式，比较网箱在海流作用下被激发出的固有频率来判断网箱状态和海流参数。本发明采用的网箱状态检测方法涉及的传感器为小型位姿传感器或受力传感器，相较于水下摄像头或水下声纳等状态检测方法受限于水质的特点，更加适用于海洋环境，且成本与后期维护上有更突出的优势。

技术领域

本发明属于流固耦合和模态分析领域，通过检测网箱受海流作用产生的振动形式来反向推测网箱状态和来流状态，具体涉及一种海洋环境下基于模态分析的网箱状态检测方法。

背景技术

流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者相互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影响流体运动，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。

振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。

所谓模态分析法，就是利用系统固有的模态的正交性，以系统的各阶模态向量所组成的模态矩阵作为交换矩阵，对通常选取的物理坐标进行线性变换，使得振动系统以物理坐标和物理参数所描述、互相耦合的运动方程组，能够变为一组彼此独立的方程，每个独立方程只含一个独立的模态坐标。这个用模态坐标和模态参数所描述的各个独立方程，称为模态方程。模态分析实质上是一种坐标变换，其目的是为了解除方程的耦合，便于求解。由于坐标变换是线性变换，因而系统在原有的物理系统中，对于任意激励的响应，便可视为系统各阶模态的线性组合，故模态分析法，又称模态叠加法。而各阶模态在叠加中所占的比重或加权系数，则取决于各阶的模态坐标响应。

海水养殖中需要对网箱的状态进行检测，以防止网箱破损造成鱼群的逃逸。

传统的网箱检测技术主要有两种，一种是通过水下摄像头，另一种是通过高精度声纳成像。两种方法均极大的受到水这一传播媒介的影响，水下摄像头无法在水质混浊的情况下工作，声纳精度有限同时受海流影响。而且两种方法的设备成本高，且设备后期维护费用高。而将位姿传感器或受力传感器附着于网箱网体部分采集信息的方法，一方面直接监测了网体而不受水质影响，获取信息准确，另一方面传感器体积小对网箱影响小，同时成本低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种海洋环境下基于模态分析的网箱状态检测方法。本发明通过理论计算确定各阶模态的模态振型和模态频率，通过放置于网箱网体上的传感器获得网体振荡信息，而后通过快速傅里叶变换获得真实的频谱分布图，与理论频谱分布比较，确定理论与真实值的偏差。而后通过网箱震荡形式在时间和空间上的不同来判断网箱状态并进行来流估计。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种海洋环境下基于模态分析的网箱状态检测方法，包括如下步骤：

1)根据受力平衡状态下的网箱建立网箱振动模型，计算各模态下的理论固有频率，得到每一个模态振型；

2)在网箱网体部分一个或多个点位设置位姿传感器进行采样，采样频率为Fs，获取随时间变化的位置信息(x_i,y_i,z_i,t)，其中x_i,y_i,z_i为第i个传感器接收的三维姿态信息，t为时间；

3)将N个采样点集合成一个帧，两相邻帧之间有一段重叠区域；将每一帧乘以汉明窗，以增加帧前后连续性；