一种基于均值漂移聚类算法的波浪浮标主波向计算方法技术

本发明专利技术属于海洋监测技术领域，具体涉及一种基于均值漂移聚类算法的波浪浮标主波向计算方法。包括读取浮标测量记录的一组连续原始数据，利用基于均值漂移聚类的野值检测算法对原始纵倾角和横倾角数据进行野值检测，且不需要事先指定聚类个数；针对检测出的野值，采用野值修正方法进行处理；利用上跨零点划分波浪周期，并确定波浪周期的个数；选取计算单个波浪波向的采样点区间，计算区间内每个采样点的瞬时波向以及单个波浪波向；统计单个波浪波向测量结果在16个角度区间的计数比例；选择计数比例值最大的角度区间的中值作为主波向。本发明专利技术通过对倾角数据中的野值进行检测和处理，剔除了野值对波向测量的影响，有效提高了浮标测量波向的准确率。量波向的准确率。量波向的准确率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于均值漂移聚类算法的波浪浮标主波向计算方法


[0001]本专利技术属于海洋监测


技术介绍

[0002]在诸多海洋环境因素中起主导作用的是海浪，海浪是发生在海洋表面的一种波动现象，是海洋监测要素中最重要且最复杂的一种自然现象。因此，发展与开发海洋，成为了世界上众多沿海国家的战略性选择。海浪监测是人类认识、研究、开发利用海洋的重要任务之一，现代航海、造船、军事、海洋工程、灾害监测预警等领域，都需要获取高精度的实时海浪资料，用来描述海浪特征的量，如波高、波向、周期、相速、波长等，统称为海浪要素。波向是海浪的重要参数之一，波向测量研究对于发展海洋工程和海洋科学来说都是十分重要的，见文献《海浪能量谱密度函数计算方法》(王言英，徐继文，赫亮，哈尔滨工程大学学报，2011,32(10):1283
‑
1289)、《海浪监测技术与设备概述》(齐勇、闫星魁、郑姗姗等，气象水文海洋仪器，2015,33(3):113
‑
117)、《A novel algorithm for ocean wave direction inversion from X
‑
band radar images based on optical flow method》(Wang L,Cheng Y,Hong L,et al.ActaOceanologicaSinica,2018,37(3):88
‑
93.)
[0003]目前国内外进行波向数据观测主要有两类方法：第一类采用遥感技术，其中有代表性的是利用X波段航海雷达海浪回波反演计算波向等信息。第二类采用接触式传感器，目前的技术主流是利用波浪浮标测量波向，这是一种自动、定点、定时的测量系统，具有更高的准确性和置信度，见文献《A curvelet
‑
based method to determine wave directions from nautical X
‑
band radar images》(Guozhen,Qingyou,GUAN,et al，ActaOceanologicaSinica,2018,37(1):11
‑
19.)、《SZF2
‑
1A型多参数波浪试验浮标波浪要素海上比测试验与初步分析》(刘建国，周辉云，王晓亮等，海洋技术学报,2016,35(3):74
‑
77)。
[0004]国内外公开文献上能够查到的利用波浪浮标进行波向测量的仪器原理上主要分成如下两类：第一类是利用浮标体内的三轴加速度传感器和电子罗盘，测得浮标体的方位角和水平两个垂直方向的瞬时位移，进而计算出主波向，国产的SBF型波浪浮标即属于该类型；第二类是利用浮标内的波高倾斜一体化传感器和方位传感器，分别测得浮标体的瞬时方位角、纵倾角和横倾角信息，进而计算出主波向，国产的SZF型波浪浮标即属于该类型。见文献《波浪浮标测波方法比较》(唐原广、康倩，现代电子技术,2014,v.37；No.422(15):121
‑
122)、《我国近海波浪浮标的历史、现状与发展》(毛祖松.，海洋技术学报,2007,26(2):23
‑
27.)。
[0005]针对第一类工作原理的浮标，目前能够从公开文献上查到的测量波向方法如下：以国产的SBF型波浪浮标为例，该浮标是由山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制完成的，测量波向方法是采用浮标体内的三轴加速度传感器和电子罗盘相结合的方式，在一个波浪周期内的跨零点处，计算浮标的水平矢量合成加速度方向作为单个波浪周期的参考方向。以加速度x轴正轴和y轴正轴建立相对正交坐标系，计算出水平矢量合成加速度与x轴的夹
角即为相对波向，再结合电子罗盘计算得到的方位角就可得到波浪的地理波向。见文献《基于三轴加速度的波浪测量技术研究》(赵杰、惠力、初士博,等，.海洋技术学报,2015,34(5):66
‑
70)、《波浪浮标数据处理方法研究》(刘国栋，天津大学,2012:49
‑
50)。
[0006]国内针对第二类工作原理的浮标，目前能够从公开文献上查到的测量波向方法如下：以国产的SZF型波浪浮标为例，该浮标是由中国海洋大学研制生产的，测量波向方法与国外文献公布的方法类似，首先根据上跨零点来确定单个波浪周期，再找到每一个单个波浪周期的下跨零点，利用浮标测得的这一时刻瞬时方位角、纵倾角和横倾角信息，计算得到该单个波浪周期的参考波向；然后把各个波浪周期测得的单个波浪波向进行归并统计，将360
°
分成16个角度区间，统计16个角度区间中每个区间内单个波浪波向出现的个数，进而得到波向出现率，最后，选择波向出现率最大的角度区间的中值作为主波向。见文献《SZF型波浪浮标系统》(唐原广、王金平，海洋技术学报,2008,27(2):31
‑
33)、《波浪浮标传感器综合测试系统》(王娟，中国海洋大学，2010:28
‑
30.)、《SZF型波浪浮标数据采集系统及数据处理软件设计》(王金平，中国海洋大学，2008:14
‑
15)、《SZF型波浪浮标数据采集、处理与无线传输系统》(张莹，中国海洋大学，2010:8
‑
9.)、《海浪谱估计方法研究及SZF型波浪浮标数据分析软件设计》(贺成柱，中国海洋大学，2007:42
‑
43)。
[0007]国外针对第二类工作原理的浮标，目前能够从公开文献上查到的测量波向方法与上述国内相关文献的方法基本一致，最早查到的文献是由美国国家数据浮标中心公布了一种采用横倾、纵倾传感器进行波浪波向测量的研究工作，但未公布具体的算法。测量波向的方法由Kenneth Steele,DW Wang等人首次公布，该方法首先测得浮标的方位角、横倾和纵倾，然后根据这些参数计算浮标体的北向和东向斜度，最后得到波向。通过比对，国内针对第二类原理浮标的波向测量方法与Kenneth Steele方法类似，但是目前国内波向测量方法对于波浪浮标工作中出现的野值未曾进行深入研究，因此，国内波浪浮标测得的波向与真实波向相比具有较大的误差。见文献《Theory and application of calibration techniques for an NDBC directional wave measurements buoy》(Steele K,Lau J,Hsu Y H，IEEE Journal of Oceanic Engineering,1985,10(4):382
‑
396)、《Pitch
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roll buoy mean wave directions from heave acceleration,bow magnetism,and starboard magnetism》(Steele K E，Ocean Engineering,2003,30(17)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于均值漂移聚类算法的波浪浮标主波向计算方法，其特征在于：步骤1、野值检测：步骤1.1、读取波浪浮标在海上进行海浪监测时测得的一组连续实验数据，包含瞬时波高、方位角、纵倾角、横倾角；步骤1.2、利用基于均值漂移聚类的野值检测算法对浮标测得的纵倾角和横倾角数据进行野值检测，确定异常值检测方法中聚类的半径r，再应用均值漂移聚类算法对浮标所测倾角数据进行聚类，得到相应的聚类结果；步骤1.3、根据浮标所测倾角数据的聚类结果，计算簇内每一个数据点与该簇中心处的距离大小Dis；步骤1.4、计算该野值检测方法中基于浮标所测纵横倾角数据的检测阈值Threshold；检测阈值的计算公式为：Threshold＝M+2Std式中：M为数据点与该簇中心处距离的均值，Std为数据点与该簇中心处距离的均方差；步骤1.5、将步骤1.3得到的距离大小Dis与步骤1.4得到的检测阈值Threshold进行比较，从而检测出浮标所测倾角数据中的野值，若是某一个数据点的距离大小Dis小于检测阈值Threshold，则判断该数据点是正常值，无需进行处理，进入步骤3；反之，该数据点则被判断为野值，进入步骤2；步骤2、野值修正：针对纵倾角和横倾角中检测得到的野值数据，利用修正方法对其进行处理；步骤3、划分波浪周期：根据浮标测得的波高信息，利用上跨零点将野值修正后的该组数据切分成若干个单个波浪周期，并确定单个波浪周期的总个数；步骤4、计算单个波浪波向：针对每一个切分好的单个波浪周期，首先选取参与计算单个波浪波向的采样点区间，然后利用瞬时方位角以及处理后的纵倾角、横倾角信息，计算出该区间内每个采样点的瞬时波向，再通过分类和矢量平均方法对这些采样点的瞬时波向数据进行处理，从而计算得到单个波浪波向；重复该步骤，直到得到该组数据中所有的单个波浪波向；步骤5、统计上述单个波浪波向测量结果在16个角度区间的计数比例：先将360
°
划分成16个角度区间，统计16个角度区间中每个区间内单个波浪波向出现的个数，进而得到计数比例；步骤6、计算主波向：选择计数比例值最大的角度区间的中值作为主波向。2.根据权利要求1所述的一种基于均值漂移聚类算法的波浪浮标主波向计算方法，其特征在于：所述步骤2包括：步骤2.1、针对检测得到的野值利用波浪浮标所测数据进行修正，需要确定修正野值的正常数据点及权重，针对一组数据，数据序列为X1,...,X
2048
，从第一个野值开始，针对任一野值X
oi
(i＝1,...,N
o
)，选择此野值前M个数据值X
oi
‑
M
,...,X
oi
‑1，其权重为再选择此野值后M个数据值X
oi+1
,...,X
oi+M
，其权重为
若选择的X
oi+1
,...,X
oi+M
中有存在野值，则选择野值的后一个数据值，保证选取的数据值不为野值数据；步骤2.2、使用选择好的参数计算出修正值S
i
对野值进行处理，利用该方法处理完纵倾角和横倾角数据中所有的野值数据，得到处理后的纵倾角和横倾角信息；修正值S
i
的计算公式为：3.根据权利要求1所述的一种基于均值漂移聚类算法的波浪浮标主波向计算方法，其特征在于：所述步骤3包括：步骤3.1、根据浮标测得的波高信息，采用上跨零点法，把波面上升与零点的交点，即瞬时波高数据由小于0变至大于0的点作为起点，当波浪运行到零点以下，即瞬时波高出现了小于0的情况后，将其后再次波浪上升与零点的相交点作为终点，则起点与终点之间为一个单个波浪周期；步骤3.2、重复步骤3.1的方法，从第一个上跨零点开始，将该组实验数据切分成若干个单个波浪周期，并统计出该组数据中单个波浪周期的个数为N。4.根据权利要求1所述的一种基于均值漂移聚类算法的波浪浮标主波向计算方法，其特征在于：所述步骤4包括：步骤4.1、根据步骤3切分好的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴鑫，杨学岭，管志强，孟凡君，鲍鹏飞，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七二四研究所，
类型：发明
国别省市：