一种波浪测量方法、系统、装置及存储介质与流程

本发明涉及海洋监测领域，尤其涉及一种波浪测量方法、系统、装置及存储介质。

背景技术：

在海洋监测领域领域里，测量波浪的参数尤为重要，波浪的参数包括波高、波向、波频率和波周期等，为了测量波浪参数，企业目前采取的测量方法包括加速度测量法、压力法和波面测量法等，但是目前的测量方法有的不能测量出波浪的瞬时频率，有的需要花费大量的时间进行内部运算才能得出波浪的瞬时频率，无法适应企业需要实时记录的数据的需要，从而限制了对海洋资源的利用。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种波浪测量方法、系统、装置及存储介质，可快速得到波浪参数。

本发明所采用的第一技术方案是：一种波浪测量方法，包括以下步骤：

获取传感器参数并得到加速度信号和倾斜角度信号；

对加速度信号进行分解，得到固有模态信号；

根据固有模态信号筛选出主要信号并根据主要信号计算出波浪瞬时频率；

根据倾斜角度信号计算出波浪方向。

进一步，所述获取传感器参数并得到加速度信号和倾斜角度信号这一步骤之前，还包括：

对传感器进行姿态解算，得到传感器的航偏角。

进一步，所述对加速度信号进行分解，得到固有模态信号这一步骤，其具体包括：

对加速度信号进行经验模态分解，得到固有模态函数分量；

根据加速度信号和固有模态函数分量完成信号重构，得到固有模态信号。

进一步，所述对加速度信号进行经验模态分解，得到固有模态函数分量这一步骤，其具体包括：

提取加速度信号的全部极值点；

根据极值点拟合出由局部极大值点构成的上包络线和由局部极小值点构成的下包络线并求出上包络线和下包络线的平均值；

将加速度信号减去平均值，得到中转信号；

判断到中转信号符合固有模态函数的条件，得到固有模态函数分量，否则将中转信号设为新的加速度信号重复上述步骤直至得到的中转信号符合固有模态函数的条件；

进一步，所述根据加速度信号和固有模态函数分量完成信号重构，得到固有模态信号这一步骤，其具体包括：

将加速度信号减去固有模态函数分量，得到剩余信号；

重复对加速度信号进行经验模态分解，得到固有模态函数分量步骤直至剩余信号极值点的最大数目为预设值；

根据固有模态函数分量完成信号重构，得到固有模态信号；

所述预设值为2。

进一步，所述根据固有模态信号筛选出主要信号并根据主要信号计算出波浪瞬时频率这一步骤，其具体包括：

根据加速度信号和模态函数分量计算出加速度信号平均总功率和模态函数分量平均功率；

根据模态函数分量平均功率和加速度信号平均总功率确定主要信号；

将主要信号进行希尔伯特黄变换，得到主要信号的瞬时频率的时频序列；

计算瞬时频率的标准差并删除瞬时频率中超过3倍标准差的值，记录删除点数；

重复计算瞬时频率的标准差并删除瞬时频率中超过3倍标准差的值直至删除点数等于0，生成最终瞬时频率序列；

对最终瞬时频率序列求平均得到最终频率，所述最终频率为波浪瞬时频率。

进一步，所述根据倾斜角度信号计算出波浪方向这一步骤，其具体包括：

获取倾斜角度信号，分析得到水平方向的倾斜角度、方位角和地磁偏角；

根据水平方向的倾斜角度、方位角和地磁偏角，得到波浪方向。

本发明所采用的第二技术方案是：一种波浪测量系统，包括：

获取模块，用于获取传感器参数并得到加速度信号和倾斜角度信号；

分解模块，用于对加速度信号进行分解，得到固有模态信号；

频率模块，用于根据固有模态信号筛选出主要信号并根据主要信号计算出波浪瞬时频率；

方向模块，用于根据倾斜角度信号计算出波浪方向。

本发明所采用的第三技术方案是：一种波浪测量装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如上所述所述一种波浪测量方法。

本发明所采用的第四技术方案是：一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于：所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现如上所述一种波浪测量方法。

本发明方法、系统、装置及存储介质的有益效果是：本发明通过分解加速度信号并从中筛选出主要信号，对主要信号计算瞬时频率得出波浪的瞬时频率，由于只对主要信号进行计算，有效节约计算波浪瞬时频率时间，从而快速得到波浪参数。

附图说明

图1是本发明一种波浪测量方法的步骤流程图；

图2是本发明一种波浪测量系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

建立海洋监测系统有助于企业利用海洋资源，而海洋监测最重要的一点就是对波浪参数进行测量和计算，波浪参数中波浪频率的测量一直没有较大的进展，需要耗费大量的时间进行参数计算，通过使用本方法，对加速度信号分解后筛选出主要信号，只对主要信号进行计算得到波浪瞬时频率，有效节省计算时间，有助于实时并快速得到波浪瞬时频率。

如图1所示，本发明提供了波浪测量方法，该方法以下步骤：

s1、获取传感器参数并得到加速度信号和倾斜角度信号。

具体地，通过波浪传感器实现，所述波浪传感器包括gps模块、三轴加速度计模块、三轴磁场模块、三轴陀螺仪模块和陀螺仪模块，所述传感器参数包括gps模块的数据、三轴磁场模块的数据、三轴陀螺仪模块的数据和陀螺气压数据，根据需要还可增设更多的传感器以获得更多的数据，所述加速度信号具体通过加速度计模块获得三轴的加速度值，所述倾斜角度信号通过加速度计模块和陀螺仪模块共同获得。

s2、对加速度信号进行分解，得到固有模态信号；

s3、根据固有模态信号筛选出主要信号并根据主要信号计算出波浪瞬时频率。

s4、根据倾斜角度信号计算出波浪方向。

进一步作为本方法的优选实施例，所述获取传感器参数并得到加速度信号和倾斜角度信号这一步骤之前，还包括：

s0、对传感器进行姿态解算，得到传感器的航偏角。

具体地，所述对传感器进行姿态解算，得到传感器的航偏角具体还包括以下步骤：

s01、将加速度计、磁罗盘、气压计原始数据要经过截至频率5hz的低通滤波器，做滤波处理；再将三轴加速度、三轴磁场数据、三轴角速度数据做归一化处理、标度补偿和零偏补偿。

s02、将地理坐标系的重力向量转换到传感器载体坐标系，得到载体坐标系下的重力向量：

其中，(0,0,1)为地理坐标系下的重力方向向量值。

s03、将载体坐标系下的重力向量与传感器载体测量的向量外积(叉积)，得到两坐标系的误差，具体参照以下公式：

s04、用两坐标系的误差对陀螺仪进行pi补偿，具体过程如下式：

具体地，由于陀螺仪会有积分误差，四元数姿态更新是用陀螺仪数据来更新的，所以系统中陀螺仪产生的误差是导致传感器载体坐标系产生误差的根本原因，这里我们用两空间坐标系偏差对陀螺仪进行pi补偿，这样就会使得到的传感器载体坐标系更加准确。

s05、用一阶龙格库塔法求解四元数微分方程，来更新四元数当前姿态；

s06、对更新后的四元数进行归一化处理，得到正交化的四元数；

s07、将正交化的四元数转换成欧拉角，得到横滚角和俯仰角，所述横滚角和俯仰角即传感器的航偏角，具体如下式：

进一步作为本方法的优选实施例，所述对加速度信号进行分解，得到固有模态信号这一步骤，其具体包括：

s21、对加速度信号进行经验模态分解，得到固有模态函数分量；

s22、根据加速度信号和固有模态函数分量完成信号重构，得到固有模态信号。

具体地，将原始信号分解为多个单一简单的分量，在众多固有模态函数分量当中，包含了原始信号的各个频段的信息，这些分量当中所包含的能量也是不尽相同的，含有最大能量的分量可视为包含了主要波浪信息的分量，这一步骤之前还可以对加速度信号进行预处理，将采集到的数据进行零均值化与滑动平均处理，从而减少白噪声给实验结果带来的误差。

进一步作为本方法优选实施例，对加速度信号进行经验模态分解，得到固有模态函数分量这一步骤，其具体包括：

s211、提取加速度信号的全部极值点；

s212、根据极值点拟合出由局部极大值点构成的上包络线和由局部极小值点构成的下包络线并求出上包络线和下包络线的平均值；

s213、将加速度信号减去平均值，得到中转信号；

s214、判断到中转信号符合固有模态函数的条件，得到固有模态函数分量，否则将中转信号设为新的加速度信号重复上述步骤直至得到的中转信号符合固有模态函数的条件。

具体地，所述固有模态函数分量应该满足两个条件，一是零点和极点个数最多相差一个，二是极大值所确定的包络线与极小值确定的包络线的和值为零。

另外，这一步骤还包括坐标转换，需要将传感器动态坐标系转化为以海洋平面作为参考面的静态参考坐标体系。

进一步作为本方法优选实施例，所述根据加速度信号和固有模态函数分量完成信号重构，得到固有模态信号这一步骤，其具体包括：

s221、将加速度信号减去固有模态函数分量，得到剩余信号；

s222、重复对加速度信号进行经验模态分解，得到固有模态函数分量步骤直至剩余信号极值点的最大数目为预设值；

s223、根据固有模态函数分量完成信号重构，得到固有模态信号；

所述预设值为2。

具体地，停止分解的条件还可通过设置一个阈值来决定，阈值sd设为0.2～0.3之间，当阈值sd满足下式时，分解停止：

所述t为分解次数，所述h1,k(t)为第k次分解后对应的固有模态函数。

进一步作为本方法优选实施例，所述根据固有模态信号筛选出主要信号并根据主要信号计算出波浪瞬时频率这一步骤，其具体包括：

s31、根据加速度信号和模态函数分量计算出加速度信号平均总功率和模态函数分量平均功率；

s32、根据模态函数分量平均功率和加速度信号平均总功率确定主要信号；

其中，所述加速度平均总功率参照下式：

其中，x表示采样每个数据点的值；n表示采样数据点的个数。

所述模态函数分量平均功率参照下式：

其中，yi表示采样每个数据点的值；n表示采样数据点的个数。

s33、将主要信号进行希尔伯特黄变换，得到主要信号的瞬时频率的时频序列；

s34、计算瞬时频率的标准差并删除瞬时频率中超过3倍标准差的值，记录删除点数；

具体地，与傅里叶变换相比，希尔伯特黄变换得到的瞬时频率更有实际的物理意义、较高的分辨率与准确性。

其中，计算瞬时频率的标准差参照下式：

其中，n表示采样数据点的个数，fi为经过希尔伯特黄变换求得的瞬时频率，e(f)为瞬时频率序列的期望。

s35、重复计算瞬时频率的标准差并删除瞬时频率中超过3倍标准差的值直至删除点数等于0，生成最终瞬时频率序列；

s36、对最终瞬时频率序列求平均得到最终频率，所述最终频率为波浪瞬时频率。

具体地，重复步骤s34直至记录的删除点数等于0，可以根据模态函数分量平均功率和加速度信号平均总功率的比值来作为分解停止条件，当比值大于等于50％，分解停止，并确定主要信号，这样有助于节省计算时间。

进一步作为本方法优选实施例，所述根据倾斜角度信号计算出波浪方向这一步骤，其具体包括：

s41、获取倾斜角度信号，分析得到水平方向的倾斜角度、方位角和地磁偏角；

s42、根据水平方向的倾斜角度、方位角和地磁偏角，得到波浪方向。

具体地，波浪方向计算公式参照下式：

其中，θs为传感器与水平面的倾角，θy为y轴与水平面的倾角，为方位角。

如图2所示，一种波浪测量系统，包括：

获取模块，用于获取传感器参数并得到加速度信号和倾斜角度信号；

分解模块，用于对加速度信号进行分解，得到固有模态信号；

频率模块，用于根据固有模态信号筛选出主要信号并根据主要信号计算出波浪瞬时频率；

方向模块，用于根据倾斜角度信号计算出波浪方向。

进一步作为本系统的优选实施例，还包括：

姿态解算模块，用于对传感器进行姿态解算，得到传感器的航偏角；

进一步作为本系统的优选实施例，所述分解模块还包括：

分量子模块，用于对加速度信号进行经验模态分解，得到固有模态函数分量；

重构子模块，用于根据加速度信号和固有模态函数分量完成信号重构，得到固有模态信号。

上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

一种波浪测量装置：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如上所述一种波浪测量方法。

上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于：所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现如上所述一种波浪测量方法。

上述方法实施例中的内容均适用于本存储介质实施例中，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。