[发明专利]一种用于多普勒三维数据处理方法

说明书

本发明提供一种用于多普勒三维数据处理方法及软件。所述用于多普勒三维数据处理方法，包括以下步骤：(一)采用稳健估算法对数据进行一次过滤；(二)使用三次样条插值法对剔除野点进行插值；(三)采用三维相空间法对数据进行二次过滤；(四)使用三次样条插值法对剔除野点进行插值。所述用于多普勒三维数据处理软件包括中位数计算模块、稳健中窗模块、野点赋值模块、非野点赋值模块、导数计算模块、相空间计算模块、运行模块。本发明通过优化耦合稳健估算法与三维相空间法，可进行三维同测且适用于野点含量高的数据，在避免迭代、降低过处理现象的同时提高野点检测精度，可应用于流体动力学实验中。

技术领域

本发明涉及一种数据处理软件，尤其涉及一种用于多普勒三维数据处理方法及软件。

背景技术

声学多普勒流速仪是一种遥感三维速度传感器，可在三维空间中进行瞬时速度测量，由于其量程宽，反应快，方便易操作等优点，目前广泛应用于各种实验室或海洋，湖泊等野外水文实验中。声学多普勒流速仪及其他基于声学多普勒移频效应的流速测量装置受多普勒噪声影响，数据记录时会产生记录局外值(野点，outliers)。多普勒频移的原理为声波从运动物体反弹后经历与物体的速度成比例的相移。这种相移只能在+180°到-180°的范围内测量，任何超出此范围的偏移都会导致速度记录过程中出现记录局外值。因此，在进行数据分析前，需对数据进行野点检测及剔除。

现行的野点检测算法主要有三维相空间法，稳健估算法，小波滤波法，双变量核密度估算法，奇异频谱分析技术等。其中稳健估算法与相空间法是多普勒数据检测算法中最重要的两个方法。

三维相空间法运用了三维庞加莱图和相空间图的概念。在图中，变量，速度v与其一阶导数Δv，二阶导数Δ²v相互对立。变量与导数点通过全局阈值被构筑成椭球体，位于球体外部的点被视为野点。相空间法通过不断迭代，并收缩全局阈值进行野点检测，直到椭球体外野点个数为零。

稳健估算法利用估算定位值和尺度估算值标准化样本数据，通过对标准化后数据与所设定最小通过值的比较，进行数据中野点的检测。估算定位值即为样本数据的中位值，尺度估算值则是基于样本数据与其中位值的绝对偏差所产生的新的绝对偏差中位值(Median of Absolute Deviations,MAD)。当确定估算定位值和尺度估算值后，需划定检测阈值，超过检测阈值的点则视为野点。

相空间法主要缺点为过处理现象，即由于离散化，野点附近的一些有效数据点可能被错误地标记为野点并因此被剔除。另外，有学者指出相空间法适用于野点含量较少的实验室水流数据，当野点含量超过6.7％时，相空间法检测准确度下降。

稳健估算法中极值野点的存在会影响平均值和MAD两个参数从而使其检测阈值受极值野点影响。当存在与真实值差异较大的野点时，其平均值和MAD受野点影响，估算定位值向野点偏移并远离真实数据，尺度估算值增大，导致部分野点被视为真实数据而未检测出。

此外，上述两种方法仅适用于单维度流速数据检测，一般流速仪测得流速含有三个方向的速度分量，三个维度数据相互正交，任一维度数据受到影响，都应将与之关联的另两组数据进行删除。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种用于多普勒三维数据处理方法及软件，可进行三维同测且适用于野点含量高的数据，在避免迭代、降低过处理现象的同时提高野点检测精度，可应用于流体动力学实验中。

本发明具体采用如下技术方案：

本发明提供一种用于多普勒三维数据处理方法，包括以下步骤：

(一)采用稳健估算法对数据进行一次过滤，检测出野点，检测出的野点视为野点剔除；

(二)使用三次样条插值法对剔除野点进行插值；

(三)采用三维相空间法对数据进行二次过滤，检测出野点，检测出的野点视为野点剔除；