[发明专利]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：S(f,θ)=K1·S1(f,θ)+K2·S2(f,θ)+K3·S3(f,θ)+K4·S4(f,θ)+K5·S5(f,θ)+K6·S6(f,θ)+K7·S7(f,θ)---(1)]]>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,θ)100S5(f,θ)100S6(f,θ)100S7(f,θ)100,]]>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；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。