本發(fā)明涉及海洋中海浪要素測量領(lǐng)域，具體涉及一種基于水壓力反演海浪波高與周期的方法。

背景技術(shù)：

海浪的波高與周期是海洋觀測研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一，現(xiàn)場觀測海浪的波高與周期過程最基本的就是要明確波浪的時(shí)空變化規(guī)律，為海洋波動(dòng)規(guī)律提供基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)。早期的海浪觀測是對(duì)海浪施行目測，易產(chǎn)生較大誤差、數(shù)據(jù)資料不連續(xù)、費(fèi)時(shí)費(fèi)力。之后采用數(shù)字記錄，即以數(shù)字記錄波面的高低，精度上欠缺。利用水壓式波高儀的水壓力強(qiáng)度信號(hào)反演海浪的波高與周期的測量技術(shù)具有較高精度，實(shí)施方便，并且能夠得到高時(shí)空分辨率的波浪要素資料，為海洋波動(dòng)觀測奠定基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于水壓力反演海浪波高與周期的方法及其操作方法，目的在于提高海浪要素測量精度與避免資料處理復(fù)雜的問題，實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率海浪波高與周期的測量，詳見下文描述。

一種基于水壓力反演海浪波高與周期的方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)將壓力式波高儀放置在水下z處進(jìn)行定點(diǎn)長期觀測，通過測量水體壓力變化得到壓力強(qiáng)度信息。

2)對(duì)壓力強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，去除其線性變化的趨勢，得到水壓力強(qiáng)度時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

3)通過對(duì)水壓力強(qiáng)度時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換得到壓力頻譜；

4)考慮水壓力的線性趨勢變化和壓力波在深度上、水層過濾作用的衰減，計(jì)算出表面波浪的壓力校正系數(shù)，對(duì)水壓力進(jìn)行校正；

5)依據(jù)譜矩法或者對(duì)壓力頻譜進(jìn)行傅里葉反變換利用上跨零點(diǎn)分波法，反演出高時(shí)空分辨率的海浪波高與周期。

本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案的有益效果是：

本發(fā)明的基于水壓力反演海浪波高與周期的方法，在接收到水壓力強(qiáng)度和小振幅與波動(dòng)振幅理論技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜合考慮壓力波的作用隨著深度在衰減，水層的過濾作用是非線性且隨頻率變異，對(duì)壓力頻譜進(jìn)行校正和水壓力線性趨勢變化的去除等過程，得到較為精確的海浪波高與周期。同時(shí)，此方法對(duì)于水體干擾小，具有較強(qiáng)的抗附著能力。并且可以定點(diǎn)連續(xù)長時(shí)間高頻率測量水壓力強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率的海浪波高與周期的測量。

附圖說明

圖1為一種基于水壓力反演海浪波高與周期的方法示意圖；

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

本發(fā)明實(shí)施例介紹了一種基于水壓力反演海浪波高與周期的方法，目的在于實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率海浪波高與周期的測量。具體實(shí)施步驟如下：

1、將壓力式波高儀放置在水下z處(海底最佳)進(jìn)行定點(diǎn)長期觀測，通過測量水體壓力變化得到壓力強(qiáng)度信息。

2、對(duì)壓力強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，去除其線性變化的趨勢；比如2分鐘一段，利用每段測量數(shù)據(jù)減去該段的平均值之后，即可去除其線性變化趨勢。

3、壓力頻譜的計(jì)算。通過接收到的水壓力強(qiáng)度時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換得到壓力頻譜。

4、對(duì)壓力頻譜進(jìn)行校正，需要計(jì)算出表面波浪的壓力校正系數(shù)。

依小振幅理論，水下z處壓力隨時(shí)間t的變化為：

其中，z為深度，波沿x軸傳播，k為波數(shù)，σ為圓頻率，a為自由表面上的振幅，h為水深。

表面波浪的波動(dòng)振幅η隨時(shí)間t的變化為：

η(x,t)＝asin(kx-σt)

綜合上述關(guān)系式，可得：

η(x,t)＝p(x,z,t)/kp(z)

其中，即為表面波浪的壓力校正系數(shù)。下面的關(guān)鍵問題是如何求得kh，kh的計(jì)算方法如下：

其中，根據(jù)頻散關(guān)系σ²＝gktanh(kh)，并且d1＝0.6666，d2＝0.3555，d3＝0.1608465608，d4＝0.0632098765，d5＝0.0217540484，d6＝0.0065407983。為防止校正系數(shù)對(duì)波譜在高頻段的過度校正，需要對(duì)校正頻率范圍設(shè)置一個(gè)限制點(diǎn)，通過對(duì)壓力數(shù)據(jù)和波浪的觀測對(duì)比，得出限制頻率為f＝0.39-0.0094dhz。

5、利用壓力校正系數(shù)校正壓力頻譜，能夠換算成波譜表示，可根據(jù)譜矩法計(jì)算海浪的波高與周期。

6、利用校正后的壓力頻譜，通過傅里葉反變換將壓力頻譜轉(zhuǎn)換成壓力信號(hào)時(shí)間序列表達(dá)，根據(jù)上跨零點(diǎn)分波法計(jì)算出海浪的波高與周期。

7、整個(gè)反演方法可通過matlab編程來實(shí)現(xiàn)，具體編程與操作步驟可按如下方法實(shí)現(xiàn)：

1)將觀測的長時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，比如2分鐘一段。

2)利用分段數(shù)據(jù)減去該段數(shù)據(jù)的平均值，去掉其線性變化的趨勢，再按順序合成新的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

3)對(duì)新的時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到壓力頻譜信號(hào)。

4)對(duì)壓力頻譜進(jìn)行校正，這里需要計(jì)算出表面波浪的壓力校正系數(shù)。

5)校正后的壓力頻譜信號(hào)，可以根據(jù)譜矩法計(jì)算海浪的波高與周期。

6)或者從第4步開始，對(duì)校正后的壓力頻譜信號(hào)進(jìn)行傅里葉反變換，將其轉(zhuǎn)換成壓力信號(hào)的時(shí)間序列。

7)根據(jù)上跨零點(diǎn)分波法，計(jì)算出海浪的波高與周期。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于水壓力反演海浪波高與周期的方法，包括：用水壓式波高儀測量得到水下壓力強(qiáng)度；得到水壓力強(qiáng)度時(shí)間序列數(shù)據(jù)；通過對(duì)水壓力強(qiáng)度時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換得到壓力頻譜；考慮水壓力的線性趨勢變化和壓力波在深度上、水層過濾作用的衰減，計(jì)算出表面波浪的壓力校正系數(shù)，對(duì)水壓力進(jìn)行校正；依據(jù)譜矩法或者對(duì)壓力頻譜進(jìn)行傅里葉反變換利用上跨零點(diǎn)分波法，反演出高時(shí)空分辨率的海浪波高與周期。

技術(shù)研發(fā)人員：凡仁福;趙偉;聶紅濤;汪嘉寧;趙亮
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.03.15
技術(shù)公布日：2017.07.21