本發(fā)明涉及一種實(shí)測(cè)海浪情況篩選及針對(duì)實(shí)測(cè)海浪頻譜的擬合方法，尤其涉及一種基于P-M譜和JONSWAP譜的實(shí)測(cè)風(fēng)浪情況篩選及其頻譜擬合方法。涉及專利分類號(hào)G06計(jì)算；推算；計(jì)數(shù)G06F電數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理G06F19/00專門適用于特定應(yīng)用的數(shù)字計(jì)算或數(shù)據(jù)處理的設(shè)備或方法。

背景技術(shù)：

在海浪能量的預(yù)測(cè)及應(yīng)用中，研究理論頻譜模型是一種重要的分析手段。理論頻譜模型能夠根據(jù)實(shí)測(cè)或假設(shè)得到的海浪要素，確定對(duì)應(yīng)的海浪能量在各頻率位置的分布，以此提供峰值能量的頻率位置、各頻率處的能量大小等信息。目前，通常使用的海浪理論頻譜包括：Bretschneider(布氏)譜、Pierson-Moskowitz(P-M)譜、JONSWAP譜等。這些頻譜通常都是根據(jù)特定海域的實(shí)測(cè)風(fēng)浪數(shù)據(jù)擬合得到，雖然能夠較好地表達(dá)一些海域的海浪能量分布情況，但是由于其修改余地小，對(duì)于部分海域的頻譜擬合效果不夠理想。同時(shí)，這些方法在擬合之前沒(méi)有給出根據(jù)海浪要素的風(fēng)浪篩選方法。

布氏譜是Bretschneider(1959)根據(jù)無(wú)因次的波高和波長(zhǎng)聯(lián)合分布，導(dǎo)出的一種適用于已充分成長(zhǎng)或正處于成長(zhǎng)階段海浪的頻譜。

P-M譜是Pierson和Moskowitz(1964)利用1955-1960年之間的北大西洋觀測(cè)資料，找出已經(jīng)充分成長(zhǎng)的波浪數(shù)據(jù)，根據(jù)Kitaigorodskii相似定律，通過(guò)擬合無(wú)因次譜得到適合于充分成長(zhǎng)海浪的風(fēng)浪頻譜。該譜即有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的依據(jù)，又有一定的理論基礎(chǔ)，至今依舊得到廣泛使用。

JONSWAP譜是Hasselmann等(1973)通過(guò)對(duì)北海的觀測(cè)資料進(jìn)行分析而提出的。實(shí)際上，JONSWAP譜是在P-M譜的基礎(chǔ)上多乘了一項(xiàng)譜峰因子γ，因此其譜形較P-M譜而言更集中于譜峰附近，譜峰形狀更為尖突。這說(shuō)明JONSWAP譜的提出者認(rèn)為，頻譜峰值附近應(yīng)該包含著更多的波浪能量。

這三種譜在一定程度上都能夠表達(dá)海浪的能量分布情況。但是由于其可修改項(xiàng)過(guò)少，導(dǎo)致在部分海況下擬合效果不好，甚至完全失靈。因此在實(shí)際海浪頻譜的擬合中，需要一種可以根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)理論頻譜形式進(jìn)行一定程度修改，以得到合適形式的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)以上問(wèn)題的提出，而研制的一種基于P-M譜的實(shí)測(cè)風(fēng)浪情況篩選方法，包括如下步驟：

—獲取目標(biāo)海區(qū)內(nèi)選定時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行一定頻率的海面高程；得到一組海面高程的時(shí)間序列x(t)；對(duì)所述的時(shí)間序列x(t)進(jìn)行分塊，得到多個(gè)時(shí)間分塊；

—通過(guò)對(duì)每個(gè)時(shí)間分塊進(jìn)行傅里葉變換DFT，將每個(gè)時(shí)間分塊轉(zhuǎn)化成頻譜函數(shù)S(f)；通過(guò)插值得到每個(gè)時(shí)間分塊中頻譜的實(shí)測(cè)頻譜譜峰頻率；

—根據(jù)所述的海面高程時(shí)間序列，求出所述每個(gè)時(shí)間分塊中的三分之一大波高，作為時(shí)間分塊中的有義波高Hs；

—根據(jù)P-M譜和有義波高Hs求得各所述的時(shí)間分塊對(duì)應(yīng)的P-M譜譜峰頻率；

—計(jì)算所述實(shí)測(cè)頻譜譜峰頻率和對(duì)應(yīng)的P-M譜譜峰頻率的差值的絕對(duì)值；選取絕對(duì)值接近零的數(shù)值，作為風(fēng)浪數(shù)據(jù)，完成實(shí)測(cè)風(fēng)浪的篩選。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述的相鄰兩時(shí)間序列分塊的起始時(shí)間接近，每塊內(nèi)部持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，兩塊之間允許出現(xiàn)重疊。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述的x(n)的N點(diǎn)離散傅立葉變換DFT方法為：

海面高程的時(shí)域序列x(t)經(jīng)過(guò)上述離散傅立葉變換，轉(zhuǎn)為表達(dá)能量的頻譜函數(shù)S(f)。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述的P-M譜的表達(dá)式如下。

一種基于JONSWAP譜的理論風(fēng)浪擬合方法，包括如下步驟：

—對(duì)JONSWAP譜增加可變參數(shù)，形成如下理論譜表達(dá)式；

—根據(jù)權(quán)利要求1中得到的風(fēng)浪譜數(shù)據(jù)，采用最小二乘法對(duì)理論風(fēng)浪譜進(jìn)行雙參數(shù)擬合得到k和γ值；

—根據(jù)得到的k和γ值分布散點(diǎn)分布，采用最小二乘法擬合k和γ值，得到使γ為k的二次函數(shù)；將k寫為k＝f(γ)；

—將雙參數(shù)的修改JONSWAP譜重新退化為單參數(shù)形式：

—針對(duì)γ進(jìn)行單參數(shù)擬合，擬合方法為最小二乘法，求出所述每個(gè)時(shí)間分塊對(duì)應(yīng)的γ值；

—對(duì)各時(shí)間分塊的γ值取平均數(shù)作為最終的γ值；根據(jù)擬合得到S(ω)表達(dá)式和所述最終的γ值得到最終的理論風(fēng)浪譜表達(dá)式。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明公開(kāi)的基于P-M譜和JONSWAP譜的實(shí)測(cè)風(fēng)浪情況篩選和理論頻譜擬合方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)與現(xiàn)實(shí)海浪情況中只有部分為充分成長(zhǎng)的風(fēng)浪情況，本發(fā)明提出的實(shí)測(cè)頻譜的譜峰頻率和P-M譜的譜峰頻率之間的關(guān)系可以很好地篩選風(fēng)浪情況，為風(fēng)浪譜擬合工作提供準(zhǔn)確的實(shí)測(cè)頻譜資料。通過(guò)為JONSWAP譜增加可修改參數(shù)，重新進(jìn)行擬合處理，能夠提高該理論譜的適用范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)浪情況下頻譜的準(zhǔn)確表達(dá)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚的說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是根據(jù)P-M譜與實(shí)測(cè)譜的譜峰周期關(guān)系篩選風(fēng)浪數(shù)據(jù)的計(jì)算方法的流程圖。

圖2為P-M譜譜峰頻率與實(shí)測(cè)譜譜峰頻率差值的絕對(duì)值分布散點(diǎn)圖。

圖3為參數(shù)k和γ分布散點(diǎn)及擬合線圖。

圖4為應(yīng)用實(shí)例的典型擬合結(jié)果。

圖5為基于JONSWAP譜的理論風(fēng)浪擬合方法流程圖

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚完整的描述：

如圖1-5所示：

結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明：

本風(fēng)浪情況篩選及頻譜擬合方法以海域定點(diǎn)實(shí)際測(cè)量為依據(jù)，根據(jù)實(shí)測(cè)資料中的海面高程時(shí)間域序列實(shí)現(xiàn)。

圖1是P-M譜與實(shí)測(cè)譜的譜峰周期關(guān)系篩選風(fēng)浪數(shù)據(jù)的計(jì)算方法的流程圖。本實(shí)施例以已知海面高程時(shí)間序列來(lái)舉例說(shuō)明該方法可以包括以下幾個(gè)步驟。

在步驟101中，將實(shí)測(cè)資料中的海面高程時(shí)間序列分塊。其分塊原則為：相鄰兩塊的起始時(shí)間接近，每塊內(nèi)部持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，兩塊之間允許出現(xiàn)重疊。例如：兩塊起始時(shí)間間隔可以設(shè)為2分鐘，每塊內(nèi)包含30分鐘的數(shù)據(jù)資料。

在步驟102中，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)分塊進(jìn)行離散傅立葉變換(DFT)，以使資料中的時(shí)間序列轉(zhuǎn)化成頻域系列。x(n)的N點(diǎn)離散傅立葉變換DFT方法為：

海面高程的時(shí)域序列x(t)經(jīng)過(guò)上述離散傅立葉變換可以轉(zhuǎn)為表達(dá)能量的頻譜函數(shù)S(f)。

在步驟103中，根據(jù)102中得出的頻域形式，通過(guò)插值求出每個(gè)時(shí)間塊中頻譜的譜峰頻率。

在步驟104中，根據(jù)海面高程的時(shí)間序列x(t)，求出每時(shí)間塊中的三分之一大波高，記為有義波高Hs。

在步驟105中，根據(jù)P-M譜的表示：

和有義波高Hs求得每個(gè)時(shí)間塊對(duì)應(yīng)的P-M譜譜峰頻率。

在步驟106中，繪制實(shí)測(cè)頻譜譜峰頻率和P-M譜譜峰頻率差的絕對(duì)值散點(diǎn)圖，如圖2。能夠發(fā)現(xiàn)在0附近有一組呈直線趨勢(shì)的散點(diǎn)，將這組散點(diǎn)篩選出來(lái)，組成風(fēng)浪數(shù)據(jù)。

根據(jù)挑選出的風(fēng)浪資料，進(jìn)一步完成理論風(fēng)浪頻譜的擬合，步驟如下：

通常的，在用未增加參數(shù)的理論表達(dá)式時(shí)發(fā)現(xiàn)，理論譜在高頻處較實(shí)測(cè)譜低，需要抬高理論譜，通過(guò)增加可變參數(shù)可以更好的完成擬合，故作為優(yōu)選的實(shí)施方式，對(duì)JONSWAP譜增加可變參數(shù)k，形成如下理論譜表達(dá)式：

根據(jù)風(fēng)浪譜數(shù)據(jù)，對(duì)上述理論譜進(jìn)行雙參數(shù)擬合，擬合方法使用最小二乘法。

根據(jù)擬合結(jié)果，得到k和γ的值并畫出它們的分布散點(diǎn)圖，如圖3。

根據(jù)k和γ的分布散點(diǎn)圖擬合兩者函數(shù)關(guān)系，擬合方法根據(jù)特定函數(shù)形式進(jìn)行最小二乘擬合，通常可以使γ為k的二次函數(shù)，于是可以將k寫為k＝f(λ)。在本實(shí)例中：該函數(shù)為擬合后二次函數(shù)的反函數(shù)形式。

將雙參數(shù)的修改JONSWAP譜重新退化為單參數(shù)形式，如下：

然后針對(duì)γ進(jìn)行單參數(shù)擬合，擬合方法為最小二乘法，求出每個(gè)時(shí)間塊對(duì)應(yīng)γ值。

最后對(duì)各時(shí)間分塊的γ值取平均數(shù)作為最終的γ值。

根據(jù)擬合得到S(ω)表達(dá)式和γ值得到最終的理論風(fēng)浪譜表達(dá)式。

應(yīng)用實(shí)例得到的典型擬合結(jié)果圖如圖4，其中藍(lán)線為該時(shí)間段內(nèi)的實(shí)測(cè)頻譜情況，紅線為對(duì)應(yīng)的理論頻譜形狀。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。