海面风场反演方法及装置与流程

1.本技术涉及海洋波浪测量技术领域，具体涉及一种海面风场反演方法及装置。


背景技术：

2.海面的风要素测量对于海洋工程研究、海洋气象预报、海洋灾害预警等有着重要意义。传统的海面风要素测量一般采用多点锚系浮标组网、卫星遥感、船基观测等方式。但是锚系浮标造价和维护成本高，多点锚系浮标组网测量方式需要耗费大量的成本。卫星遥感测量方式对海浪、风要素的获取是通过间接观测得到的，其数据观测精度和数据质量高度依赖于定标、现场真实性检验以及经验模型的选取。因此，传统的卫星遥感测量方式得到的风要素数据准确性低。传统的船基观测方式主要依靠船舶航行过程中获取海浪、风要素数据。然而，各类船舶航线相对比较固定，且大多数航线贴近大陆边缘，观测范围难以有效覆盖全球深海大洋，只能对区域性的海洋环境进行基本描述，因此，船基观测方式观测范围小、获取的海浪、风要素数据有限。
3.综上，传统采用多点锚系浮标组网、卫星遥感、船基观测等风速测量方式具有成本高昂、观测要素单一、观测准确性低、时空分辨率不足等问题，无法实现对海浪、风要素小范围、高时空分辨率的观测。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供一种海面风场反演方法及装置，实现了对海浪、风要素小范围、高时空分辨率的观测。
5.一方面，本技术实施例提供了一种海面风场反演方法，包括：获取目标海面中浮标的运动参数序列，运动参数序列包括浮标角度参数序列和浮标在东北天坐标系的东北天坐标参数序列，浮标角度参数序列包括横摇角参数序列、纵摇角参数序列、艏摇角参数序列，东北天坐标参数序列包括第一横向加速度序列、第一纵向加速度序列、第一竖直加速度序列；根据浮标的运动参数序列，确定浮标在笛卡尔坐标系的笛卡尔坐标参数序列，笛卡尔坐标参数序列包括第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列、第二竖直加速度序列；根据第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪能量谱；根据海浪能量谱确定目标海面的风速；根据第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列以及第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪方向谱；根据海浪方向谱确定目标海面的风向。
6.可选地，在本技术一些可能的实现方式中，根据第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪能量谱，包括：对第二竖直加速度序列进行积分，得到浮标在竖直方向上的位移序列；将浮标在竖直方向上的位移序列分段，得到多个位移子序列；
确定多个位移子序列的能量谱密度；根据多个位移子序列的能量谱密度，确定目标海面的海浪能量谱。
7.可选地，在本技术一些可能的实现方式中，根据第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列以及第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪方向谱，包括：对第二横向加速度序列进行积分，得到浮标在横向上的位移序列；对第二纵向加速度序列进行积分，得到浮标在纵向上的位移序列；对第二竖直加速度序列进行积分，得到浮标在竖直方向的位移序列；根据浮标在横向上的位移序列、浮标在纵向上的位移序列，以及浮标在竖直方向的位移序列，确定海浪方向谱的海浪方向参数及海浪方向谱。
8.可选地，在本技术一些可能的实现方式中，根据浮标在横向上的位移序列、浮标在纵向上的位移序列，以及浮标在竖直方向的位移序列，确定海浪方向谱的海浪方向参数及海浪方向谱，包括：根据浮标在横向上的位移序列以及浮标在纵向上的位移序列，得到目标海面的海浪的第一交叉谱，根据浮标在横向上的位移序列以及浮标在竖直方向的位移序列，得到海浪的第二交叉谱，根据浮标在纵向上的位移序列以及浮标在竖直方向的位移序列，得到海浪的第三交叉谱，根据两个浮标在横向上的位移序列，得到海浪的第四交叉谱，根据两个浮标在纵向上的位移序列，得到海浪的第五交叉谱，根据两个浮标在竖直方向的位移序列，得到海浪的第六交叉谱；根据第一交叉谱、第二交叉谱、第三交叉谱、第四交叉谱、第五交叉谱以及第六交叉谱，确定海浪方向谱的海浪方向参数及海浪方向谱。
9.可选地，在本技术一些可能的实现方式中，海浪方向交叉谱包括第一交叉谱、第二交叉谱、第三交叉谱、第四交叉谱、第五交叉谱以及第六交叉谱，海浪方向交叉谱包括实部和虚部；根据第一交叉谱、第二交叉谱、第三交叉谱、第四交叉谱、第五交叉谱以及第六交叉谱，确定海浪方向谱的海浪方向参数及海浪方向谱，包括：根据第一交叉谱实部的实部参数、第四交叉谱实部的实部参数、第五交叉谱实部的实部参数、第六交叉谱实部的实部参数、第二交叉谱虚部的虚部参数，以及第三交叉谱虚部的虚部参数，确定海浪方向谱的海浪方向参数；根据海浪方向参数，确定海浪方向谱。
10.可选地，在本技术一些可能的实现方式中，海浪方向谱的海浪方向参数包括第一海浪方向参数、第二海浪方向参数、第三海浪方向参数、第四海浪方向参数以及第五海浪方向参数；根据第一交叉谱实部的实部参数、第四交叉谱实部的实部参数、第五交叉谱实部的实部参数、第六交叉谱实部的实部参数、第二交叉谱虚部的虚部参数，以及第三交叉谱虚部的虚部参数，确定海浪方向谱的海浪方向参数，包括：根据第六交叉谱实部的实部参数，确定第一海浪方向参数；根据第四交叉谱实部的实部参数、第五交叉谱实部的实部参数、第六交叉谱实部的实部参数、第二交叉谱虚部的虚部参数，确定第二海浪方向参数；根据第四交叉谱实部的实部参数、第五交叉谱实部的实部参数、第六交叉谱实部的实部参数、第三交叉谱虚部的虚部参数，确定第三海浪方向参数；根据所述第四交叉谱实部的实部参数和所述第五交叉谱实部的实部参数，确定所
述第四海浪方向参数；根据所述第四交叉谱实部的实部参数、所述第五交叉谱实部的实部参数，以及所述第一交叉谱实部的实部参数，确定所述第五海浪方向参数。
11.可选地，在本技术一些可能的实现方式中，根据海浪方向谱确定目标海面的风向，包括：根据第二海浪方向参数以及第三海浪方向参数，确定目标海面的风向。
12.可选地，在本技术一些可能的实现方式中，根据第二海浪方向参数以及第三海浪方向参数，确定目标海面的风向，包括：根据第二海浪方向参数以及第三海浪方向参数，确定目标海面多个频率对应的海浪波向；根据多个海浪波向，确定海浪波向的平均值；根据海浪波向的平均值，确定目标海面的风向。
13.可选地，在本技术一些可能的实现方式中，根据海浪能量谱确定目标海面的风速，包括：基于海浪作用方程、目标海面的波浪与风场耦合关系，以及海浪能量谱确定目标海面的风速。
14.一方面，本技术实施例提供了海面风场反演装置，包括：获取模块，用于获取目标海面中浮标的运动参数序列，运动参数序列包括浮标角度参数序列和浮标在东北天坐标系的东北天坐标参数序列，浮标角度参数序列包括横摇角参数序列、纵摇角参数序列、艏摇角参数序列，东北天坐标参数序列包括第一横向加速度序列、第一纵向加速度序列、第一竖直加速度序列；第一确定模块，用于根据浮标的运动参数序列，确定浮标在笛卡尔坐标系的笛卡尔坐标参数序列，笛卡尔坐标参数序列包括第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列、第二竖直加速度序列；第二确定模块，用于根据第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪能量谱；第三确定模块，用于根据海浪能量谱确定目标海面的风速；第四确定模块，用于根据第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列以及第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪方向谱；第五确定模块，用于根据海浪方向谱确定目标海面的风向。
15.一方面，本技术实施例提供了一种电子设备，电子设备包括存储器，处理器及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上述海面风场反演方法中的步骤。
16.一方面，本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述海面风场反演方法中的步骤。
17.本技术实施例提供一种海面风场反演方法及装置，该方法首先获取目标海面中浮标的运动参数序列，根据浮标的运动参数序列，确定浮标在笛卡尔坐标系的第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列、第二竖直加速度序列，再根据第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪能量谱，根据海浪能量谱确定目标海面的风速，再根据第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列以及第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪方向谱，最后根据海
浪方向谱确定目标海面的风向。由于本技术只需要通过传感器等设备获取浮标的运动参数序列就能反演出目标海面的风速和风向，节省了海洋观测的成本。且本技术是先根据浮标的运动参数序列得到了目标海面的海浪方向谱和能量谱，再根据海浪方向谱和能量谱计算得到了海面的风速和方向，因此，实现了对海浪、风要素小范围、高时空分辨率的观测。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。
19.图1是本技术实施例提供的海面风场反演系统的场景示意图。
20.图2是本技术实施例提供的海面风场反演方法的流程示意图。
21.图3a是本技术实施例提供的浮标的主视图。
22.图3b是本技术实施例提供的浮标的剖视图。
23.图4是本技术实施例提供的海面风场反演装置的结构示意图。
24.图5是本技术实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
26.本技术实施例提供海面风场反演方法及装置。其中，该海面风场反演装置可以集成在电子设备中，该电子设备可以是服务器，也可以是终端等设备，其中，该终端可以包括是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、个人计算机（pc，personal computer）、微型处理盒子、或者其他设备等。
27.本技术说明书、权利要求书和附图中出现的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同的对象，而非用于描述特定的顺序。
28.在本技术中，对海面风场进行反演主要是针对风场中的风速和风向进行反演。
29.在本技术中，海浪谱（ocean wave spectrum）包括海浪的能量谱和方向谱，海浪谱是描述海浪内部能量相对于频率和方向分布的图谱。又称海洋能量谱，是研究海浪的重要概念。海浪谱不仅表明海浪内部构成，还能给出海浪的外部特征。海浪可视作由无限多个振幅不同、频率不同、方向不同、位相杂乱的组成波组成，这些组成波便构成海浪谱。此谱描述海浪能量相对于各组成波的分布，故又名能量谱、功率谱、方向谱。它是随机海浪的一个重要统计性质，它不仅包含着海浪的二阶信息，而且还直接给出海浪组成波能量相对于频率
和方向的分布。它用于描述海浪内部能量相对于频率和方向的分布。
30.在本技术中，浮标角度参数包括横摇角参数、纵摇角参数，以及艏摇角参数，其中，横摇角参数指的是指浮标横向与水平面的夹角大小，纵摇角参数指的是浮标纵轴与水平面的夹角大小，艏摇角参数指浮标垂直方向与水平面的夹角大小。
31.请参阅图1，图1是本技术实施例所提供的海面风场反演系统的场景示意图，请参阅图1，仅以浮标10和电子设备11为例进行说明，电子设备11获取目标海面中浮标10的运动参数序列，运动参数序列包括浮标角度参数序列和浮标在东北天坐标系的东北天坐标参数序列，浮标角度参数序列包括横摇角参数序列、纵摇角参数序列、艏摇角参数序列，东北天坐标参数序列包括第一横向加速度序列、第一纵向加速度序列、第一竖直加速度序列，再根据浮标的运动参数序列，确定浮标在笛卡尔坐标系的笛卡尔坐标参数序列，笛卡尔坐标参数序列包括第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列、第二竖直加速度序列，再根据浮标在笛卡尔坐标系中的第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪能量谱，根据海浪能量谱确定目标海面的风速，再根据浮标在笛卡尔坐标系中的第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列以及第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪方向谱，最后，根据海浪方向谱确定目标海面的风向。
32.需要说明的是，图1所示的海面风场反演的场景示意图仅仅是一个示例，本技术实施例描述的电子设备、浮标是为了更加清楚的说明本技术实施例的技术方案，并不构成对于本技术实施例提供的技术方案的限定，本领域普通技术人员可知，随着系统的演变和新业务局景的出现，本技术实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。以下分别进行详细说明。需说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对实施例优选顺序的限定。
33.图2是本技术实施例提供的海面风场反演方法的流程示意图。如图2所示，海面风场反演方法应用于电子设备，该海面风场反演方法包括以下几个步骤：步骤201、获取目标海面中浮标的运动参数序列。
34.在本技术实施例中，可以通过传感器获取目标海面中浮标的运动参数，其中传感器包括但不局限于mems运动传感器，mems传感器即微机电系统（microelectro mechanical systems），mems传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
35.其中，运动参数序列包括浮标角度参数序列和浮标在东北天坐标系的东北天坐标参数序列，浮标角度参数序列包括横摇角参数序列、纵摇角参数序列、艏摇角参数序列，东北天坐标参数序列包括第一横向加速度序列、第一纵向加速度序列、第一竖直加速度序列。其中，横摇角参数序列由浮标在不同的时间点的横摇角参数组成，纵摇角参数序列由浮标在不同的时间点的纵摇角参数组成，艏摇角参数序列由浮标在不同时间点的艏摇角参数组成。第一横向加速度序列由浮标在东北天坐标系的x轴方向上不同时间点的加速度组成，第一纵向加速度序列由浮标在东北天坐标系的y轴方向上不同时间点的加速度组成，第一竖直加速度序列由浮标在东北天坐标系的z轴方向上不同时间点的加速度组成。
36.步骤202、根据浮标的运动参数序列，确定浮标在笛卡尔坐标系的笛卡尔坐标参数序列，笛卡尔坐标参数序列包括第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列、第二竖直加速
度序列。
37.电子设备根据坐标转换公式和浮标角度参数将浮标在东北天坐标中的东北天坐标参数序列转换成东北天坐标系的东北天坐标参数序列。
38.步骤203、根据第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪能量谱。
39.可以通过神经网络模型自动得到海浪能量谱，将第二竖直加速度序列输入到训练好的能量谱确定模型中，得到目标海面的海浪能量谱。由于海浪能量谱是波高谱，是通过竖直方向的位移计算的能量谱密度，因此，也可以通过浮标在z轴方向的第二竖直加速度序列计算求得目标海面的海量能量谱。
40.在一种实施例中，根据第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪能量谱，包括：对第二竖直加速度序列进行积分，得到浮标在竖直方向上的位移序列；将浮标在竖直方向上的位移序列分段，得到多个位移子序列；确定多个位移子序列的能量谱密度；根据多个位移子序列的能量谱密度，确定目标海面的海浪能量谱。
41.首先对浮标在z轴方向的第二竖直加速度序列az进行二次积分得到竖直方向的位移序列dz[n]，运用wench方法将dz[n]分成l段，得到多个位移子序列，每个位移子序列有m个点，每段可以有部分重叠，分别求取每段的能量谱密度，然后将平均能量谱密度求和得到海浪能量谱，海浪能量谱计算公式如下：（公式1）其中，第二竖直加速度序列az有多个序列，n为第二竖直加速度序列的个数，f为海浪对应的海波频率，s(f)为海浪能量谱，j=为虚数单位，w[n]为窗函数（如海明窗函数、汉宁窗函数或平顶窗函数等），为归一化因子，l为第n个第二竖直加速度序列的段数，l为将第n个第二竖直加速度序列分成l段，m为位移子序列的点数。
[0042]
步骤204、根据海浪能量谱确定目标海面的风速。
[0043]
可以通过自适应的方式根据海浪的能量谱自动确定目标海面的风速，也可以根据公式计算得到目标海面的风速。
[0044]
在一种实施例中，将海浪能量谱输入到训练好的风速确定模型中进行处理，得到目标海面的风速。
[0045]
其中，风速确定模型是通过大量的样本数据进行训练得到的，可以将大量海浪能量谱作为深度神经网络的训练样本，同时获取标注的海浪能量谱对应的风速，将训练样本输入到风速确定模型中，得到预测的风速，根据预测风速和标注的风速，采用深度学习方法进行迭代训练，直至风速确定模型收敛时，得到训练好的风速确定模型。
[0046]
在一种实施例中，根据海浪能量谱确定目标海面的风速，包括：基于海浪作用方程、目标海面的波浪与风场耦合关系，以及海浪能量谱确定目标海面的风速。
[0047]
其中，海浪作用方程为：（公式2）。
[0048]
其中s
in
为能量输入项，即风通过多种海洋运动形式向海洋内部输入的能量。s
nl
是非线性波-波相互作用，其物理意义是在频谱内波分量的共振机制交换和重新分配能量，浅水时以三波非线性相互作用为主，能量从低频传递到高频。深水时，以四波非线性相互作用
为主，能量由峰值波频率传递至低频再到高频。s
diss
为能量耗散项，是波浪能量的整体耗散，主要包括白冠破碎、底摩擦、浅化引起的波浪破碎这三个物理过程。在频谱的高频端，三个过程之间会迅速形成平衡，即：。
[0049]
利用海浪的波浪与驱动波场的风之间的固有耦合，假设风是平稳的，在平衡范围内存在：（公式3）。
[0050]
其中，且，其中，e0为常数，为经验常数，i为方向扩展函数，g为重力加速度，u为风摩擦速度，s(f)为公式1中的海浪能量谱。
[0051]
进一步地，通常风速计测量海平面以上4-5米的风速和风向，为获取不同高度的风信息，使用海表面风速的竖直剖面方程：（公式4）。
[0052]
其中，uz为风速，k为冯
·
卡曼常数，z0为海表面粗糙度长度，，为经验常数，z为距离海表面高度，u为风摩擦速度。
[0053]
联立公式1、公式3、公式4，求得目标海面的风速uz。
[0054]
步骤205：根据第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列以及第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪方向谱。
[0055]
可以通过神经网络模型自动得到海浪能量谱，将第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列以及第二竖直加速度序列同时输入到训练好的方向谱确定模型中，得到目标海面的海浪方向谱。由于海浪是在三维空间上传播的，因此，可以通过第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列以及第二竖直加速度序列计算求得目标海面的海量方向谱。
[0056]
在一种实施例中，根据第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列以及第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪方向谱，包括：对第二横向加速度序列进行积分，得到浮标在横向上的位移序列；对第二纵向加速度序列进行积分，得到浮标在纵向上的位移序列；对第二竖直加速度序列进行积分，得到浮标在竖直方向的位移序列；根据浮标在横向上的位移序列、浮标在纵向上的位移序列，以及浮标在竖直方向的位移序列，确定海浪方向谱的海浪方向参数及海浪方向谱。
[0057]
对浮标在x、y轴方向的加速度序列a
x
、ay分别进行二次积分得到水平方向的位移序列d
x
[n]、纵向的位移序列dy[n]，再结合竖直方向的位移序列dz[n]。再通过计算三维位移交叉谱得到海浪方向谱，其中，交叉谱定义为交叉相关函数的傅里叶变换。
[0058]
其中，根据浮标在横向上的位移序列、浮标在纵向上的位移序列，以及浮标在竖直方向的位移序列，确定海浪方向谱的海浪方向参数及海浪方向谱，包括：根据浮标在横向上的位移序列以及浮标在纵向上的位移序列，得到目标海面的海浪的第一交叉谱，根据浮标在横向上的位移序列以及浮标在竖直方向的位移序列，得到海浪的第二交叉谱，根据浮标在纵向上的位移序列以及浮标在竖直方向的位移序列，得到海浪的第三交叉谱，根据两个浮标在横向上的位移序列，得到海浪的第四交叉谱，根据两个浮标在纵向上的位移序列，得到海浪的第五交叉谱，根据两个浮标在竖直方向的位移序列，得到海浪的第六交叉谱；根据
第一交叉谱、第二交叉谱、第三交叉谱、第四交叉谱、第五交叉谱以及第六交叉谱，确定海浪方向谱的海浪方向参数及海浪方向谱。
[0059]
交叉函数的计算公式为：（公式5）其中，i,j=1,2,3
…
式中ai(t), aj(t)表示浮标基于mems运动传感器输出参数计算的位移序列d[n]，t表示时间，表示时间延时，t表示周期，表示浮标的运动函数，交叉谱计算公式为：（公式6）首先，将浮标在横向上的位移序列d
x
[n]以及浮标在纵向上的位移序列dy[n]代入上述公式5中，得到关于τ的第一运动函数，再将第一运动函数代入公式6中求解积分得到海浪的第一交叉谱。将浮标在横向上的位移序列d
x
[n]以及浮标在竖直方向的位移序列dz[n]代入上述公式5中，得到关于τ的第二运动函数，再将第二运动函数代入公式6中求解积分得到海浪的第二交叉谱。将浮标在纵向上的位移序列dy[n]以及浮标在竖直方向的位移序列dz[n]代入上述公式5中，得到关于τ的第三运动函数，再将第三运动函数代入公式6中求解积分得到海浪的第三交叉谱。将两个浮标在横向上的位移序列d
x
[n]代入上述公式5中，得到关于τ的第四运动函数，再将第四运动函数代入公式6中求解积分得到海浪的第四交叉谱。将两个浮标在纵向上的位移序列dy[n]代入上述公式5中，得到关于τ的第五运动函数，再将第五运动函数代入公式6中求解积分得到海浪的第五交叉谱。将两个浮标在竖直方向的位移序列dz[n]代入上述公式5中，得到关于τ的第六运动函数，再将第六运动函数代入公式6中求解积分得到海浪的第六交叉谱。
[0060]
最后再根据第一交叉谱、第二交叉谱、第三交叉谱、第四交叉谱、所第五交叉谱以及第六交叉谱，确定海浪方向谱的海浪方向参数及海浪方向谱。
[0061]
海浪方向谱的计算公式为：（公式7）其中，海浪方向谱的海浪方向参数是根据第一交叉谱、第二交叉谱、第三交叉谱、第四交叉谱、第五交叉谱以及第六交叉谱中交叉谱的实部和虚部的参数计算得到的，因此，需要先分别计算第一交叉谱、第二交叉谱、第三交叉谱、第四交叉谱、第五交叉谱以及第六交叉谱对应的实部和虚部参数。
[0062]
在一种实施例中，海浪方向交叉谱包括第一交叉谱、第二交叉谱、第三交叉谱、第四交叉谱、第五交叉谱以及第六交叉谱，海浪方向交叉谱包括实部和虚部；根据第一交叉谱、第二交叉谱、第三交叉谱、第四交叉谱、第五交叉谱以及第六交叉谱，确定海浪方向谱的海浪方向参数及海浪方向谱，包括：根据第一交叉谱实部的实部参数、第四交叉谱实部的实部参数、第五交叉谱实部的实部参数、第六交叉谱实部的实部参数、第二交叉谱虚部的虚部参数，以及第三交叉谱虚部的虚部参数，确定海浪方向谱的海浪方向参数；根据海浪方向参数，确定海浪方向谱。
[0063]
通常交叉谱可由复数表示，其中实部为同相谱，虚部为正交谱，o，p为三个方向(x，y，z)中的任意位移序列。假设第一交叉谱表示为,第二交叉谱表示为,第三交叉谱表示为,第四交叉谱表示为,第五交叉谱表示为,第六交叉谱表示为。
[0064]
海浪方向参数为：海浪方向参数为：（公式8）。
[0065]
将上述海浪方向交叉谱中的实部和虚部参数代入公式8中，得到海浪方向谱的海浪方向参数。
[0066]
在一种实施例中，海浪方向谱的海浪方向参数包括第一海浪方向参数、第二海浪方向参数、第三海浪方向参数、第四海浪方向参数以及第五海浪方向参数；根据第一交叉谱实部的实部参数、第四交叉谱实部的实部参数、第五交叉谱实部的实部参数、第六交叉谱实部的实部参数、第二交叉谱虚部的虚部参数，以及第三交叉谱虚部的虚部参数，确定海浪方向谱的海浪方向参数，包括：根据第六交叉谱实部的实部参数，确定第一海浪方向参数；根据第四交叉谱实部的实部参数、第五交叉谱实部的实部参数、第六交叉谱实部的实部参数、第二交叉谱虚部的虚部参数，确定第二海浪方向参数；根据第四交叉谱实部的实部参数、第五交叉谱实部的实部参数、第六交叉谱实部的实部参数、第三交叉谱虚部的虚部参数，确定第三海浪方向参数；根据第四交叉谱实部的实部参数和第五交叉谱实部的实部参数，确定第四海浪方向参数；根据第四交叉谱实部的实部参数、第五交叉谱实部的实部参数，以及第一交叉谱实部的实部参数，确定第五海浪方向参数。
[0067]
206：根据海浪方向谱确定目标海面的风向。
[0068]
在实际确定方向的过程中，可以通过自适应的方式根据海浪的方向谱自动确定目标海面的方向，也可以根据公式计算得到目标海面的方向。
[0069]
在一种实施例中，将海浪方向谱输入到训练好的方向确定模型中进行处理，得到目标海面的方向。
[0070]
其中，方向确定模型是通过大量的样本数据进行训练得到的，可以将大量海浪方向谱作为深度神经网络的训练样本，同时获取标注的海浪方向谱对应的方向，将训练样本输入到方向确定模型中，得到预测的方向，根据预测方向和标注的方向，采用深度学习方法进行迭代训练，直至方向确定模型收敛时，得到训练好的方向确定模型。
[0071]
由于从风到波的大部分能量转换发生在海浪谱的高频段，故可以合理将波传播方向近似为风向。使用谱分析方法、傅里叶级数法，来估算方向的分布函数：
（公式9），其中，等于海浪的波浪角度，f为波浪频率，波浪在频率f下对应的角度，b1(f)在数值上等于公式8中的b1，即b1(f)等于第三海浪方向参数，a1(f)在数值上等于公式8中的a1，即a1(f)等于第二海浪方向参数。由于海浪的方向计算公式为：（公式10）。
[0072]
其中，为海浪的方向，为海浪的平均波向，n为高频段的个数。因此，首先需要先计算得到波浪的平均角度，可以取高频段中多个频率f1、f2、f3
……
fn分别对应的海浪波向，则。最后将代入公式10中，得到目标海面的风向。
[0073]
在一种实施例中，根据海浪方向谱确定目标海面的风向，包括：根据第二海浪方向参数以及第三海浪方向参数，确定目标海面的风向。
[0074]
其中，根据第二海浪方向参数以及第三海浪方向参数，确定目标海面的风向，包括：根据第二海浪方向参数以及第三海浪方向参数，确定目标海面多个频率对应的海浪波向；根据多个海浪波向，确定海浪波向的平均值；根据海浪波向的平均值，确定目标海面的风向。
[0075]
本技术实施例提供一种海面风场反演方法，该方法首先获取目标海面中浮标的运动参数序列，根据浮标的运动参数序列，确定浮标在笛卡尔坐标系的第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列、第二竖直加速度序列，再根据第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪能量谱，根据海浪能量谱确定目标海面的风速，再根据第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列以及第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪方向谱，最后根据海浪方向谱确定目标海面的风向。由于本技术只需要通过传感器等设备获取浮标的运动参数序列就能反演出目标海面的风速和方向，节省了海洋观测的成本。且本技术是先根据浮标的运动参数序列得到了目标海面的海浪方向谱和能量谱，再根据海浪方向谱和能量谱计算得到了海面的风速和方向，因此，实现了对海浪、风要素小范围、高时空分辨率的观测。
[0076]
如图3a所示为本技术实施例提供的浮标的主视图，如图3b所示为本技术实施例提供的浮标的剖视图。
[0077]
浮标主要包括天线罩2、柔性太阳能板3、仪器舱9和配重底托12。卫星通信模组1置于天线罩2内，仪器舱9与天线罩2通过о型圈4密封连接。系统采集和处理电路6、mems运动传感器采集与调理电路8、电池组11置于仪器舱9内，通过支撑板7与仪器舱9固定，泡沫浮体5通过仪器舱9底端配置双头螺杆10与配重底托12配合夹紧固定。
[0078]
在上述实施例方法的基础上，本实施例将从海面风场反演装置的角度进一步进行描述，请参阅图4，图4具体描述了本技术实施例提供的海面风场反演装置的结构示意图，其可以包括：
获取模块401，用于获取目标海面中浮标的运动参数序列，运动参数序列包括浮标角度参数序列和浮标在东北天坐标系的东北天坐标参数序列，浮标角度参数序列包括横摇角参数序列、纵摇角参数序列、艏摇角参数序列，东北天坐标参数序列包括第一横向加速度序列、第一纵向加速度序列、第一竖直加速度序列；第一确定模块402，用于根据浮标的运动参数序列，确定浮标在笛卡尔坐标系的笛卡尔坐标参数序列，笛卡尔坐标参数序列包括第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列、第二竖直加速度序列；第二确定模块403，用于根据第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪能量谱；在一种实施例中，第二确定模块403，包括：第一积分子模块，用于对第二竖直加速度序列进行积分，得到浮标在竖直方向上的位移序列；分段子模块，用于将浮标在竖直方向上的位移序列分段，得到多个位移子序列；第一确定子模块，用于确定多个位移子序列的能量谱密度；第二确定子模块，用于根据多个位移子序列的能量谱密度，确定目标海面的海浪能量谱。
[0079]
第三确定模块404，用于根据海浪能量谱确定目标海面的风速；在一种实施例中，第三确定模块404，包括：反演子模块，用于基于海浪作用方程、目标海面的波浪与风场耦合关系，以及海浪能量谱确定目标海面的风速。
[0080]
第四确定模块405，用于根据第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列以及第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪方向谱；在一种实施例中，第四确定模块405，包括：第二积分子模块，用于对第二横向加速度序列进行积分，得到浮标在横向上的位移序列；第三积分子模块，用于对第二纵向加速度序列进行积分，得到浮标在纵向上的位移序列；第四积分子模块，用于对第二竖直加速度序列进行积分，得到浮标在竖直方向的位移序列；第三确定子模块，用于根据浮标在横向上的位移序列、浮标在纵向上的位移序列，以及浮标在竖直方向的位移序列，确定海浪方向谱的海浪方向参数及海浪方向谱。
[0081]
第五确定模块406，用于根据海浪方向谱确定目标海面的风向。
[0082]
相应的，本技术实施例还提供一种电子设备，如图5所示，该电子设备可以包括射频电路501、包括有一个或一个以上计算机可读存储介质的存储器502、输入单元503、显示单元504、传感器505、音频电路506、wifi模块507、包括有一个或者一个以上处理核心的处理器508、以及电源509等部件。本领域技术人员可以理解，图5中示出的电子设备结构并不构成对电子设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。其中：射频电路501可用于收发信息或通话过程中，信号的接收和发送，特别地，将基站的下行信息接收后，交由一个或者一个以上处理器508处理；另外，将涉及上行的数据发送
给基站。存储器502可用于存储软件程序以及模块，处理器508通过运行存储在存储器502的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。输入单元503可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与用户设置以及功能控制有关的键盘、鼠标、操作杆、光学或者轨迹球信号输入。
[0083]
显示单元504可用于显示由用户输入的信息或提供给用户的信息以及电子设备的各种图形用户接口，这些图形用户接口可以由图形、文本、图标、视频和其任意组合来构成。
[0084]
电子设备还可包括至少一种传感器505，比如光传感器、运动传感器以及其他传感器。音频电路506包括扬声器，扬声器可提供用户与电子设备之间的音频接口。
[0085]
wifi属于短距离无线传输技术，电子设备通过wifi模块507可以帮助用户收发电子邮件、浏览网页和访问流式媒体等，它为用户提供了无线的宽带互联网访问，虽然图5示出了wifi模块507，但是可以理解的是，其并不属于电子设备的必须构成，完全可以根据需要在不改变申请的本质的范围内而省略。
[0086]
处理器508是电子设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个手机的各个部分，通过运行或执行存储在存储器502内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器502内的数据，执行电子设备的各种功能和处理数据，从而对手机进行整体监控。
[0087]
电子设备还包括给各个部件供电的电源509（比如电池），优选的，电源可以通过电源管理系统与处理器508逻辑相连，从而通过电源管理系统实现管理充电、放电、以及功耗管理等功能。
[0088]
尽管未示出，电子设备还可以包括摄像头、蓝牙模块等，在此不再赘述。具体在本实施例中，电子设备中的处理器508会按照如下的指令，将一个或一个以上的应用程序的进程对应的可执行文件加载到存储器502中，并由处理器508来运行存储在存储器502中的应用程序，从而实现以下功能：获取目标海面中浮标的运动参数序列，运动参数序列包括浮标角度参数序列和浮标在东北天坐标系的东北天坐标参数序列，浮标角度参数序列包括横摇角参数序列、纵摇角参数序列、艏摇角参数序列，东北天坐标参数序列包括第一横向加速度序列、第一纵向加速度序列、第一竖直加速度序列；根据浮标的运动参数序列，确定浮标在笛卡尔坐标系的笛卡尔坐标参数序列，笛卡尔坐标参数序列包括第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列、第二竖直加速度序列；根据第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪能量谱；根据海浪能量谱确定目标海面的风速；根据第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列以及第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪方向谱；根据海浪方向谱确定目标海面的风向。
[0089]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见上文的详细描述，此处不再赘述。
[0090]
本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。
[0091]
为此，本技术实施例提供一种存储介质，其中存储有多条指令，该指令能够被处理
器进行加载，以实现以下功能：获取目标海面中浮标的运动参数序列，运动参数序列包括浮标角度参数序列和浮标在东北天坐标系的东北天坐标参数序列，浮标角度参数序列包括横摇角参数序列、纵摇角参数序列、艏摇角参数序列，东北天坐标参数序列包括第一横向加速度序列、第一纵向加速度序列、第一竖直加速度序列；根据浮标的运动参数序列，确定浮标在笛卡尔坐标系的笛卡尔坐标参数序列，笛卡尔坐标参数序列包括第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列、第二竖直加速度序列；根据第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪能量谱；根据海浪能量谱确定目标海面的风速；根据第二横向加速度序列、第二纵向加速度序列以及第二竖直加速度序列，确定目标海面的海浪方向谱；根据海浪方向谱确定目标海面的风向。
[0092]
以上各个操作的具体实施可参见前面的实施例，在此不再赘述。
[0093]
其中，该存储介质可以包括：只读存储器（rom，read only memory）、随机存取记忆体（ram，random access memory）、磁盘或光盘等。
[0094]
由于该存储介质中所存储的指令，可以执行本技术实施例所提供的任一种海面风场反演方法中的步骤，因此，可以实现本技术实施例所提供的任一种海面风场反演方法所能实现的有益效果，详见前面的实施例，在此不再赘述。
[0095]
以上对本技术实施例所提供的一种海面风场反演方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例的技术方案的范围。