一种波浪数据处理方法、装置、电子设备和刻度存储介质与流程

1.本发明涉及海洋数据监测领域。更具体地，涉及一种波浪数据处理方法、装置、电子设备和刻度存储介质。


背景技术：

2.海洋中具有十分丰富的资源，不断吸引着人类对海洋进行探索和开发。然而，由于台风、地震等自然灾害导致的海洋灾害，会对沿海地区带来了严重的影响。因此，迫切需要对海洋的状况进行监测，以降低灾害损失，提升经济效益。
3.在各项海洋数据指标中，波浪数据尤为重要。通常对于波浪数据监测，会采用如下三种方式：
4.1、采用岸用大型测波仪在岸边进行目测的方式进行观测，这种方式虽然可以获取大概波浪高度，但是对于波浪周期的观测并不准确，且不适用于夜晚及恶劣天气的观测。
5.2、测波杆式、压力式、声学式、重力式和遥感测波等方式。
6.3、随着科技的发展，遥感技术与重力式越来越普遍，其中又因重力式因成本低、精度高、实时性好的优势应用最为广泛。重力式原理是通过波浪浮标随海浪上下浮动时重力加速度的变化来计算波浪高度和周期，其中重力加速度需要由加速度传感器采集。
7.目前常见基于重力加速的波浪测量装置有szf型波浪浮标、osb
‑
w4型波浪浮标等。这些浮标都通过对加速度进行时域二次积分得到波浪高度，而由于传感器性能限制，采集到的加速度数据往往带有高频谐波，直接积分会导致结果产生较大累计误差，造成观测数据可靠性下降。另外，这些波浪浮标一般直接通过电子罗盘判断波浪方向，精度相对较低。


技术实现要素：

8.本方案的目的在于提供一种波浪数据处理方法、装置、电子设备和刻度存储介质。
9.为达到上述目的，本方案采用下述技术方案：
10.第一方面，本方案提供一种波浪数据处理方法，该方法利用频域积分法对波浪的三轴加速度的合加速度数据进行积分处理，获得积分结果数据，从而避免采样噪声造成积分计算位移时产生累计误差。然而，频域积分法通过滤除非频带内频谱会造成功率谱的损失，即会产生眼图效应。因此，本方案进一步将频域积分结果数据、合加速度数据和气压数据进行数据融合，校正频域积分结果数据，获得准确的波浪高度信息。
11.第二方面，本方案提供一种波浪数据处理装置，该装置包括：
12.积分模块，对波浪的三轴加速度的合加速度数据进行频域积分处理，获得积分结果数据；
13.融合模块，将积分结果数据、合加速度数据和气压数据进行数据融合，得到波浪高度信息。
14.第三方面，本方案提供一种设备，包括：存储器，一个或多个处理器；存储器与处理器通过通信总线相连；处理器被配置为执行存储器中的指令；所述存储介质中存储有用于
执行如上所述波浪数据处理方法中各个步骤的指令。
15.第四方面，本方案提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述波浪数据处理方法的步骤。
16.本发明的有益效果如下：
17.本方案通过频域积分法对波浪的加速度数据进行积分处理，得到频域积分结果数据，从而避免采样噪声造成积分计算位移时产生累计误差，与此同时，将频域积分结果数据、合加速度数据和气压数据进行数据融合，校正频域积分结果数据，获得准确的波浪高度信息；
18.本方案通过波浪高度信息能够精准的确定波浪周期信息；
19.本方案通过基于线性拟合及平面切分的波向识别方法，根据波高过零点数据、垂直方向加速度数据及三轴磁场数据计算出绝对波向,从而提高波浪方向信息的精准性。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1示出本方案所述波浪数据处理方法的示意图；
22.图2示出本方案所述获得积分结果数据步骤的示意图；
23.图3示出本方案所述得到波浪高度信息步骤的示意图；
24.图4示出本方案所述确定波浪周期信息步骤的示意图；
25.图5示出本方案所述确定波浪方向信息步骤的示意图；
26.图6示出本方案所述一种波浪数据处理装置的示意图；
27.图7示出本方案所述一种电子设备的示意图；
28.图8示出本方案中时域加速度数据转为频域数据的示意图；
29.图9示出本方案中频域积分后数据产生的眼图效应的示意图；
30.图10示出本方案中对加速度数据、频域积分结果数据和气压数据融合，得到的波浪高度曲线的示意图；
31.图11示出本方案中通过波浪高度信息、x轴/y轴加速度轨迹及z轴欧拉角计算绝对波向的示意图。
具体实施方式
32.为使本发明的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.经过对现有技术的分析和研究，波浪周期、波浪高度、波浪方向等波浪信息的统计过程中，由于采集装置和处理方式等因素，会导致波浪信息处理速度过慢，甚至影响波浪信息的精准度；
34.另外，在对波浪加速度数据进行频域积分处理时，由于通过滤除非频带内频谱，而造成功率谱的损失，即会产生眼图效应，从而影响数据的准确性。
35.因此，本方案旨在提供一种波浪数据处理方法、装置、电子设备和刻度存储介质，在消除计算位移产生的累计误差的同时，校正频域积分结果，从而获得精准的波浪高度信息，并以此为基础计算波浪周期信息和波浪方向信息。
36.以下，结合附图对本方案提出的一种波浪数据处理方法进行详细描述。如图1所示，该方法可以包括如下步骤：
37.步骤s1、对波浪的三轴加速度的合加速度数据进行频域积分处理，获得积分结果数据；
38.步骤s2、将积分结果数据、合加速度数据和气压数据进行数据融合，得到波浪高度信息。
39.本方案步骤s1所使用的波浪三轴加速度数据可以通过搭载有十轴传感器的浮标设备对波浪的三轴加速度、三轴磁场、欧拉角及气压信息进行采集。其中，x轴、y轴和z轴加速度通过十轴传感器中的三轴加速度计进行采集。在十轴传感器进行加速度采集时，由于加速度线性偏差，会造成位移积分累计误差，同时会出现磁场线性偏差，因此，为了较低上述累计误差和磁场的线性偏差，可以采用最小二乘法对加速度和磁场数据进行线性校正，以保证加速度数据关于零点对称，且在水平静置时，x轴和y轴的加速度平均值为0，z轴的加速度平均值为1(单位为g)，与此同时，能够保证磁场中心点位于十轴传感器坐标原点。经过最小二乘法线性校正后应使静置的十轴传感器处于各种不同位姿时，三轴加速度计得到的合向量坐标点云与三轴磁场计算得到的合向量坐标点云，都能够落在以(0,0)为坐标原点的球形面上，其中加速度合向量的点云形成的球面半径为1，而磁场合向量的点云相乘的球面半径应为波浪浮标所在海域地磁场强度。
40.在本方案中，为了避免加速度采样噪声，造成积分计算位移时产生累计误差的问题，可以对波浪的三轴加速度数据分别进行频域积分处理。具体来说：可以将传感器z轴加速度数据利用快速傅里叶变换fft转换到频域，即可得到间隔约为1mhz，由2048个点组成的频谱。在频域中对z轴加速度进行积分，即计算出正负离散圆频率向量后，取每个维度值的平方，频率分量分别除以对应圆频率向量后取反(即复数顺时针旋转180度)得到z轴加速度值频域二次积分后的z轴位移。考虑到波浪周期一般在2s至20s之间，即波浪频率为0.5hz至0.05hz之间，可以认为频谱中的有效波段为频谱中第51至512个频率分量及第1536至1996个频率分量之间，由于频谱是对称，滤除波浪频谱外的频谱，即对1至51个频率分量、513至1536个频率分量、1997至2048个频率分量范围中的频率分量置零。通过逆傅里叶变换ifft将频域位移返回时域，得到时域位移即信标随波浪起伏的垂直位移，由于上一步中去掉了累计误差分量，因此该位移平均值为0。此处是以对z轴加速度进行频域积分处理的过程为例，对加速度频域处理进行说明。x轴和y轴的频域积分处理方式基本相同，此处不再赘述。
41.在本方案步骤s1中，为了避免加速度采样噪声，造成积分计算位移时产生累计误差的问题，与此同时，提高对波浪加速度的处理速度，可以直接对波浪的三轴加速度的合加速度数据进行频域积分处理。另外，根据波浪的特性，用于采集波浪加速度数据的浮标设备会随波浪进行往复运动，平均位移为0，因此，更加适用于频域积分法对加速度进行积分。具体来说，获取得到的某一段时间内的三轴加速度，计算三轴加速度的合加速度，依次作为时
域数据组。对该时域数据组进行快速傅里叶变换，获得频域数据组。随后，依次对频域数据组进行频域积分、积分相位变换和积分频域变换处理，得到积分后的频域数据组。进一步地，利用频域矩形窗滤波，对积分后的频域数据组进行频域滤波处理，获得滤波后的频域数据组。最后，对滤波后的频域数据组进行傅里叶逆变换处理，将频域数据返回时域，从而得到积分结果数据。在一种实施例中，可以每采集2048组加速度数据(约17分钟)，进行一次频域积分计算，得到该时间段内波浪浮标位移曲线。
42.在对波浪加速度数据进行频域积分处理时，由于通过滤除非频带内频谱，而造成功率谱的损失，进而产生眼图效应；另外，时域积分波浪高度有较大累计误差，气压值换算高度变化较慢且有长期工作存在温漂，会严重影响波浪高度信息的准确性。因此，在本方案步骤s2中，将积分结果数据、合加速度数据和气压数据进行数据融合，校正频域积分结果数据；通过数据融合方式互相取长补短，可以得到较为准确的波浪高度信息。具体来说，得到波浪高度的方式可以包括如下三种类型：1、在时域对加速度进行积分后的位移，作为波浪的高度信息；2、加速度频域积分的位移，作为波浪的高度信息；3、通过对气压值的线性计算得到的波浪高度信息。其中，由于位移是加速度的二次积分，在时域对加速度积分后的位移应与频域积分的位移形状类似。在低海拔下，高度位移与气压值成负相关，气压计的气压值可以通过线性计算得到高度变化信息。因此，可以通过数据融合的方式将三种类型的数据互相取长补短，得到较为准确得波浪高度信息。
43.在一种实施例中，从时域角度计算波浪高度,得到如下状态转移方程：
[0044][0045]
通过状态转移方程能够得到实时的高度、速度和加速度信息。
[0046]
其中，k是连续时间t离散化后的变量，表示在某个数据处理周期内的某个采样时刻，k+1则表示下一采样时刻，t
s
表示采样频率根据状态转移方程。因此可以直接或间接观测到的数据有加速度值(包含重力加速度)、气压值p以及频域积分值
[0047]
根据气压
‑
高度公式，可得到观测方程：
[0048][0049]
将状态转移矩阵和观测方程代入卡尔曼数据融合方程中，依次计算出本次状态预测(高度、速度、加速度)，本次协方差预测、增益矩阵则可计算出本次状态最优估计，取最优估计中的高度值为最后数据融合结果，即最终波高信息。
[0050]
为了使融合数据更加精准，在本次卡尔曼数据融合后，可以更新卡尔曼数据融合的协方差矩阵，更新后的协方差矩阵可以被用做下一次的卡尔曼数据融合的计算。
[0051]
本方案步骤s3中，可以根据波浪高度信息进一步确定波浪的周期信息。具体来说，可以根据经频域积分得到的波浪位移信息的数据组，确定波浪的上跨零点信息；再根据预先确定的约束条件，筛选符合所述约束条件的上跨零点位置；将所述上跨零点位置作为切分点，提取出单个波浪；对每个波浪进行遍历，确定每个波浪的峰谷值；根据每个波浪的高度信息和峰谷值，确定波浪的周期信息。在一种实施例中，可以通过最大波高h
max
、前1/10波
高前1/3波高和平均波高h
avg
，计算波浪的周期。为计算这四种波高信息，可以将经过频域积分得到的2048个点的位移信息根据跨零点信息分为若干个波，具体地：从第一个上跨零点(即前一个点高度小于0，该点高度大于等于0)到下一个上跨零点之间的波形视为一个完整的波浪，把位移信息分为若干段，提取出每个波浪，找到每个波浪的最高值与最低值计算出该波浪波高数据，并对单个波高数据进行排序。波周期信息与波高信息对应最大波周期t
max
为最大波高h
max
对应波浪的周期；为前1/10最大波高的平均周期；为前1/3最大波高的平均周期；t
avg
为所有波浪的平均波周期。
[0052]
本方案步骤s4中，根据波浪的三轴加速度数据，确定波浪方向信息。具体来说，可以先采用一阶卡尔曼滤波器对波浪的三轴加速度数据进行滤波处理，获得平滑的三轴加速度数据，作为合加速度向量的正交分量，从而保证加速度数据的鲁棒性。随后，对波浪的加速度在xy平面的投影轨迹进行拟合处理，获得波浪相对方向的拟合直线；基于波浪的加速度在xy平面的投影轨迹的平均值，对波浪相对方向的拟合直线进行分割；根据所述拟合直线的斜率和每个波浪的上跨零点位置对应xy平面轨迹投影的位置点，确定所述位置点位于所述拟合直线上的近似位置，并根据该位置确定波浪相对于加速度传感器自身坐标系的方向；根据z轴的欧拉角，波浪相对于加速度传感器自身坐标系的方向于y轴的夹角，以及加速传感器所在数据采集装置的磁偏角，确定波浪的绝对方向信息。到此，虽然得到了单个波浪的绝对方向信息，但是，通常情况下需要的一定区域范围内的波浪情况，因此，还需要锁定预定区域，对预定区域进行等分区间划分，将波浪数量最多的区间中波浪的方向作为最终该预定区域的波浪的方向信息。
[0053]
在一种实施例中，波方向信息为以地理北极为0度，范围为0至360度的角度值dir，其中，正东方向为90度，正西方向为270度。波向计算可以分为以下五步：
[0054]
1、滤波
[0055]
采用一阶卡尔曼滤波器对三轴加速度数据进行滤波，得到平滑的三轴加速度数据，作为合加速度向量正交分量；
[0056]
2、相对方向直线拟合
[0057]
考虑浮标在随波浪起伏时会产生于海浪方向正相关的倾斜，可近似认为十轴传感器的xy平面与海浪的凸表面相切。因此对于某个海浪，忽略浮标的旋转因素，浮标随该海浪的运动过程中，合加速度向量在传感器xy平面的投影轨迹(即仅考虑x轴与y轴加速度数据)，应为线性的。在对该轨迹进行最小二乘法线性拟合前需要先通过最上最下最左最右四个点判断出斜率绝对值是否大于1，在采用对应的最小二乘法对其进行线性拟合，得到确切的斜率k与偏移b，对斜率k进行反三角函数运算即可得到以十轴传感器为参考系的相对波浪方向直线，但该直线是无向的，仍需确定具体方向。
[0058]
3、相对方向直线分割
[0059]
根据步骤2中的投影轨迹，计算出x轴平均值与y轴平均值得到重心，经过重心，作与步骤2中得到的相对方向直线垂直的垂线，以此垂线为基准，将xy平面分为两部分，完成相对方向的直线分割。
[0060]
4、相对波浪方向选择
[0061]
基于计算波高信息时得到的波浪高度波形，找到所有上跨零点。在上跨零点位置
时，浮标位于波浪中央，波浪最高点仍未经过浮标，此时浮标倾斜角度最大，即xy平面投影点距重心最长。此时该投影点应位于由步骤3中垂线分割后两个平面的其中一个平面，该平面所在方位即为相对波浪方向，由此可以确定步骤2中相对波浪方向直线的确定方向。以十轴传感器y轴正方向为相对0度，根据步骤2中的斜率k以及步骤三中的直线方向(用于判断象限)，最终可知波浪相对于十轴传感器的方向。
[0062]
5、绝对波向计算
[0063]
根据z轴欧拉角数据(即y轴正方向逆时针转到地磁北极的角度)可知当前十轴模块参考系相对于地球参考系的旋转角度。将步骤4中得到的相对波浪方向减去z轴欧拉角即为相对地磁北极的绝对波浪方向，再减去浮标所在海域的地磁偏角即为相对地理北极的绝对波浪方向。其中所在海域磁偏角由gps定位结果查表得到。在输出结果前需要对角度进行范围限制，使其最终位于0～360的范围内。
[0064]
6、波向统计
[0065]
对第5步中得到的波向数据进行分类，按每22.5度为一类，将360度等分为16个方向，统计得到出现频次最高的方向为最终统计波浪方向。
[0066]
本方案通过频域积分法对波浪的加速度数据进行积分处理，得到频域积分结果数据，从而避免采样噪声造成积分计算位移时产生累计误差，与此同时，将频域积分结果数据、合加速度数据和气压数据进行数据融合，校正频域积分结果数据，获得准确的波浪高度信息；并进一步的，通过波浪高度信息能够精准的确定波浪周期信息。本方案通过基于线性拟合及平面切分的波向识别方法，根据波高过零点数据、垂直方向加速度数据及三轴磁场数据计算出绝对波向,从而提高波浪方向信息的精准性。
[0067]
如图6所示，本方案进一步提供了配合上述波浪数据处理方法实施的波浪数据处理装置101，该装置包括：积分模块102、融合模块103、波浪周期计算模块104和波浪方向计算模块105。该装置在工作时，首先，积分模块102对波浪的三轴加速度的合加速度数据进行频域积分处理，获得积分结果数据；然后，融合模块103将积分结果数据、合加速度数据和气压数据进行数据融合，得到波浪高度信息；再后，利用波浪周期计算模块104将根据波浪的高度信息，确定波浪周期信息；最后，利用波浪方向计算模块105根据波浪的三轴加速度数据，确定波浪方向信息。
[0068]
本方案中，还可以在该装置中配置校正模块106，通过校正模块106对波浪的三轴加速度数据和/或磁场数据进行数据校正处理。
[0069]
本方案中，积分模块102在对波浪的三轴加速度的合加速度数据进行频域积分处理时，可以先利用第一变换单元对由某一段时间内的三轴加速度的合加速度组成的时域数据组进行快速傅里叶变换，获得频域数据组；然后，利用第二变换单元对频域数据组依次进行频域积分、积分相位变换和积分频域变换处理，得到积分后的频域数据组；再后，利用滤波单元对积分后的频域数据组进行频域滤波处理，获得滤波后的频域数据组；最后，利用逆变换单元对滤波后的频域数据组进行傅里叶逆变换处理，获得积分结果数据。
[0070]
本方案中，融合模块103在进行积分结果数据、合加速度数据和气压数据进行数据融合时，可以先利用第一确定单元根据加速度和位移之间的二次积分关系，确定状态转移方程；然后，利用第二确定单元根据波浪高度和气压之间的函数关系，确定观测方程；最后，利用融合单元基于状态转移方程和观测方程，利用卡尔曼滤波数据融合算法，融合得到最
优状态估计中的高度值，即为波浪高度信息。
[0071]
本方案中，波浪周期计算模块104根据波浪的高度信息，确定波浪周期信息时，可以利用搜寻单元在得到波浪高度的时间数据组中，确定波浪的上跨零点信息；然后，利用筛选单元根据预先确定的约束条件，筛选符合所述约束条件的上跨零点位置；随后，利用提取单元将所述上跨零点位置作为切分点，提取出单个波浪；再后，遍历单元对每个波浪进行遍历，确定每个波浪的峰谷值；最后，利用周期计算单元，根据每个波浪的高度信息和峰谷值，确定波浪的周期信息。
[0072]
本方案种，波浪方向计算模块105根据波浪的三轴加速度数据，确定波浪方向信息时，可以先利用预处理单元对波浪的三轴加速度数据进行滤波处理，获得平滑的三轴加速度数据，作为合加速度向量的正交分量，从而保证加速度数据的鲁棒性。之后，利用拟合单元对波浪的加速度在xy平面的投影轨迹进行拟合处理，获得波浪相对方向的拟合直线；利用分割单元基于波浪的加速度在xy平面的投影轨迹的平均值，对波浪相对方向的拟合直线进行分割；利用相对方向计算单元根据所述拟合直线的斜率和每个波浪的上跨零点位置对应xy平面轨迹投影的位置点，确定所述位置点位于所述拟合直线上的近似位置，并根据该位置确定波浪相对于加速度传感器自身坐标系的方向；利用绝对方向计算单元，根据z轴的欧拉角，波浪相对于加速度传感器自身坐标系的方向于y轴的夹角，以及加速传感器所在数据采集装置的磁偏角，确定波浪的绝对方向信息；最后，利用统计单元对预定区域进行等分区间划分，将波浪数量最多的区间中波浪的方向作为最终的波浪方向信息。
[0073]
应当理解，本方案中各单元或模块可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(programmable gate array，pga)，现场可编程门阵列(field programmablegate array，fpga)等。
[0074]
在上述波浪数据处理方法实施方式的基础上，本方案进一步提供一种计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质用于实现上述数据采集方法的程序产品，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(cd
‑
rom)并包括程序代码，并可以在设备，例如个人电脑上运行。然而，本方案的程序产品不限于此，在本文件中，可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
[0075]
所述程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(cd
‑
rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
[0076]
计算机可读存储介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读信号介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
[0077]
计算机可读存储介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。
[0078]
可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本方案操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言
‑
诸如java、c++等，还包括常规的过程式程序设计语言
‑
诸如"c"语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(lan)或广域网(wan)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
[0079]
在上述波浪数据处理方法实施方式的基础上，本方案进一步提供一种电子设备。图7所示电子设备仅仅是一个示例，不应对本方案实施例的功能和使用范围带来任何限制。
[0080]
如图7所示，电子设备201以通用计算设备的形式表现。电子设备201的组件可以包括但不限于：至少一个存储模块202、至少一个处理模块203、显示模块204和用于连接不同系统组件的总线205。
[0081]
其中，所述存储模块202存储有程序代码，所述程序代码可以被所述处理模块203执行，使得所述处理模块203执行上述波浪数据处理方法中描述的各种示例性实施方式的步骤。例如，所述处理模块203可以执行如图1中所示的步骤。
[0082]
存储模块202可以包括易失性存储模块，例如随机存取存储模块(ram)和/或高速缓存存储模块，还可以进一步包括只读存储模块(rom)。
[0083]
存储模块202还可以包括具有程序单元的程序/实用工具，这样的程序单元包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序单元以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
[0084]
总线205可以包括数据总线、地址总线和控制总线。
[0085]
电子设备201也可以与一个或多个外部设备207(例如键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，这种通信可以通过输入/输出(i/o)接口206进行。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备201使用其它硬件和/或软件单元，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理模块、外部磁盘驱动阵列、raid系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
[0086]
下面通过实例对本方案作进一步说明。
[0087]
本实例，可以通过搭载有十轴传感器的浮标，进行波浪数据的采集。利用十轴传感器种的三轴加速度计，获得波浪的三轴加速度数据。
[0088]
为了降低因十轴传感器进行数据采集过程中，加速度线性偏差造成的位移积分累计误差并校正磁场线性偏差，先采用最小二乘法对加速度及磁场数据进行了线性校正，保证加速度数据关于零点对称且在水平静置时x、y轴加速度平均值为0，z轴加速度平均值为1(单位为g)，保证磁场中心点位于十轴传感器坐标原点。
[0089]
基于校正后的加速度数据，对三轴加速度的合加速度数据进行频域积分处理，具体地：
[0090]
第一步，计算频域数据组。设十轴传感器的采样频率为sf，记录一段时间内的三轴加速度。对校正后的三轴加速度，计算出三轴加速度的合加速度值，以此作为时域数据组。对时域数据组进行快速傅里叶变换得到对应的合加速度频域数据组，其中，快速傅里叶变
换所需的频域数组长度nfft将被设置为2的幂次，可计算得出频域数组的频率间隔根据傅里叶变换公式
[0091][0092]
将合加速度时域数组转到频域，并得到关于对称的频域数组；
[0093]
第二步，根据频域积分公式：
[0094][0095][0096]
计算离散圆频率向量ω
n
数组。由频率间隔df得到角频率间隔dω＝2πdf，ω
n
数组计算方式为：
[0097][0098]
其中，n为积分次数。
[0099]
第三步，积分相位变换。根据第二步所述的频域积分公式，每次积分所除虚数单位j，即顺时针旋转90度。相位变换公式为：
[0100][0101]
其中，real(f
i
)为f
i
的实部，imag(f
i
)为f
i
的虚部；
[0102]
第四步，积分频域变换。第三步相位变换后的结果依次除以ω
n
数组
[0103]
第五步，频域矩形窗滤波。将第四步得到的积分后的频域数组f
″
i
进行滤波(即将窗函数与频域数组点乘，对频域数组所需频段外信号进行抑制，对所需频段内信号保留或加强)，此处滤波采用的窗函数为矩形窗，低通与高通频率点计算公式分别为：
[0104][0105][0106]
其中fmin为低通截止频率，fmax为高通截止频率。
[0107]
第六步，返回时域得到积分。根据傅里叶逆变换函数
[0108][0109]
把第五步得到的频域数组通过傅里叶逆变换返回时域，得到最终积分结果f(t)
″
。
[0110]
如图8所示，对时域的三轴合加速度通过快速傅里叶变换转换为频域后的频域数据组，对其进行频域积分及频域矩形窗滤波后可得到如图9所示的波浪高度波形，对比图图9中的合加速度数据，波浪高度波形没有明显偏移分量(即平均值约为0)而合加速度具有较明显的向下偏移分量(即平均值小于0)，由此可见通过频域积分消除了加速度的累计误差，得到了较为理想的波浪高度随时间变化的曲线。但是，在消除累计误差的同时，也使数据出现了眼图效应，影响频域积分结果的准确性。
[0111]
为了进一步提高频域积分结果数据的准确性，从而得到最终波浪高度随时间变化的准确信息，可以将频域积分结果数据、加速度值及气压值进行卡尔曼数据融合。具体地：
[0112]
根据线性离散系统状态方程：
[0113][0114]
y(k)＝hx(k)+v(k)
[0115]
在本系统中，不存在控制量，即bu(k)项为0，忽略噪声影响则γw(k)也为0，根据加速度与位移为二次积分关系，可得到状态转移方程为：
[0116][0117]
利用状态转移方程，可直接或间接观测的三个量分别为加速度、频域积分高度以及气压计算高度。
[0118]
根据气压
‑
波浪高度公式
[0119][0120]
其中r、tm、g均为预定常数，而ln函数在海拔变化较小时近似为线性值，因此，化简后可得气压与高度关系为：
[0121][0122]
由此可得到观测方程为：
[0123][0124]
因此，将其代入卡尔曼数据融合公式：
[0125]
[0126][0127][0128][0129][0130]
其中，过程误差q一般为单位矩阵乘一个较小值如0.001，r为测量误差，可参考传感器数据手册或多次测量后估计得到。
[0131]
经过卡尔曼数据融合得到的最优状态估计中的高度值即为最后数据融合产生的波浪高度。
[0132]
如图10所示，经融合后，图9中的眼图效果明显缓解。
[0133]
在得到准确的波浪高度信息后，可以根据该高度信息进一步计算波浪的周期信息。在计算波浪周期时，需要先计算四个波高信息：最大波高h
max
、前1/10波高前1/3波高及波高平均值h
avg
。具体地：
[0134]
先根据得到的波浪位移信息的数据组，找到所有上跨零点。由于频域积分处理过程中已经滤除了直流分量，因此，波浪位移信息的数据组平均值约为0，寻找跨零点时，不需要计算波浪高度趋势项，跨零点即为f(t)
″
与x轴交点。离散情况下，上跨零点判断条件为f(k
‑
1)<0&&f(k)≥0，依据此条件找到所有上跨零点位置(即k值)，并保存为数组ucp(up
‑
cross points)。如图9所示，曲线与x轴交点即为上下跨零点，图9中已标记出上跨零点位置。
[0135]
以所有上跨零点位置作为切分点，提取出单个波浪w
i
，对每个波浪进行遍历，找到该波浪的峰谷值，记作w
imax
、w
imin
，则波浪w
i
的高度为：
[0136]
h
i
＝w
imax
‑
w
imin
[0137]
波浪w
i
的周期为：
[0138][0139]
对波浪高度h
i
进行排序，即可得到最大波高h
max
、前1/10最大波高平均值前1/3最大波高平均值及平均波高h
avg
，以及对应的波浪周期t
max
、和t
avg
。
[0140]
进一步地，结合图11所示数据，计算波浪方向过程如下：
[0141]
第一步，卡尔曼滤波。为减少加速度数据的随机抖动，并同时保证加速度数据的趋势性，卡尔曼滤波器采用了一阶保持器，其预估值为：
[0142]
x(k)＝x(k
‑
1)+[x(k
‑
1)
‑
x(k
‑
2)]
[0143]
通过引入微分项[x(k
‑
1)
‑
x(k
‑
2)]提高卡尔曼滤波器的响应速度，防止了加速度轨迹的变化趋势丢失。使用该卡尔曼滤波器对xy轴加速度数据进行滤波，得到如图11所示，细实线表示的xy平面加速度轨迹(即合加速度在xy平面的投影轨迹)。
[0144]
第二步，相对方向直线拟合。基于第一步中得到的xy平面投影轨迹，采用最小二乘法进行线性拟合，设投影轨迹的拟合直线函数为y＝kx+b，轨迹各点(x
i
,y
i
)到拟合直线的偏
差平方和为：
[0145][0146]
为使err2最小，分别对k与b求偏导，得到方程组：
[0147][0148]
整理得：
[0149][0150]
令则
[0151][0152][0153]
计算出k、b后即可得到波浪方向的拟合直线，如图11中虚线所示。
[0154]
第三步，相对方向直线分割。为确定波浪具体来方向和去方向，需要将平面由过重心垂线分为两部分，首先计算重心(即投影轨迹平均值)其中其中将重心代入垂线中，计算得到过重心垂线如图7粗实线所示。
[0155]
第四步，相对波浪方向选择。基于计算波浪高度信息时得到的上跨零点数组ucp。找到每个波浪w
i
上跨零点位置对应的xy平面轨迹投影位置，记作ux
i
与uy
i
，根据拟合直线斜率k绝对值是否小于1，将ux
i
或uy
i
代入拟合直线中，得到该点在拟合直线上的近似投影(sx
i
,sy
i
)，如图11中空心圆圈所示。最后判断该投影点位置在垂线哪一边即可确定波浪相对于十轴传感器自身坐标系的去方向。
[0156]
第五步，绝对波向计算。绝对波向需要知道地磁北极方向，根据十轴传感器三轴磁场及三轴角速度数据，可得到z轴欧拉角θ
z
，该角度为以y轴为参考轴，z轴为旋转轴，传感器相对于地磁北极的旋转角度，如图7中实心圆点所示。因此在已知相对波浪去方向与磁场北极的情况下，即可计算出绝对波浪方向。第二步中已得到了波浪方向直线的斜率k，第四步中确定了具体所在象限，因此通过反三角函数arctan可计算出相对波浪方向与y轴正方向的夹角θ0。根据gps定位信息，可确定当前浮标所在海域经纬度，以此查询sd卡中的磁偏角表可知当前浮标位置的磁偏角θ
offset
。最终波浪绝对方向计算公式为：
[0157]
θ＝θ0‑
θ
z
+θ
offset
[0158]
将计算得到的θ进一步限制在[0,360)的区间内，即可最终得到波浪w
i
的方向。
[0159]
第六步，波向统计。将[0,360)的方向进行16等分，每个区间为22.5
°
，对所有波浪
的方向进行判断，选择波浪数量最多的区间，作为波浪方向计算结果。
[0160]
本方案与现有技术相比，具有更快的处理速度和更高的结果精度，从而方便船只、地面站等快速、准确的获取预定区域的波浪信息。
[0161]
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0162]
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0163]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0164]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0165]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。