CN106969755B - 一种基于水压力反演海浪波高与周期的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于水压力反演海浪波高与周期的方法，包括：用水压式波高仪测量得到水下压力强度；得到水压力强度时间序列数据；通过对水压力强度时间序列数据进行傅里叶变换得到压力频谱；考虑水压力的线性趋势变化和压力波在深度上、水层过滤作用的衰减，计算出表面波浪的压力校正系数，对水压力进行校正；依据谱矩法或者对压力频谱进行傅里叶反变换利用上跨零点分波法，反演出高时空分辨率的海浪波高与周期。

Description

一种基于水压力反演海浪波高与周期的方法

技术领域

本发明涉及海洋中海浪要素测量领域，具体涉及一种基于水压力反演海浪波高与周期的方法。

背景技术

海浪的波高与周期是海洋观测研究的重点内容之一，现场观测海浪的波高与周期过程最基本的就是要明确波浪的时空变化规律，为海洋波动规律提供基础认识。早期的海浪观测是对海浪施行目测，易产生较大误差、数据资料不连续、费时费力。之后采用数字记录，即以数字记录波面的高低，精度上欠缺。利用水压式波高仪的水压力强度信号反演海浪的波高与周期的测量技术具有较高精度，实施方便，并且能够得到高时空分辨率的波浪要素资料，为海洋波动观测奠定基础。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于水压力反演海浪波高与周期的方法及其操作方法，目的在于提高海浪要素测量精度与避免资料处理复杂的问题，实现高时空分辨率海浪波高与周期的测量，详见下文描述。

一种基于水压力反演海浪波高与周期的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将压力式波高仪放置在水下z处进行定点长期观测，通过测量水体压力变化得到压力强度信息。

2)对压力强度数据进行分段，去除其线性变化的趋势，得到水压力强度时间序列数据。

3)通过对水压力强度时间序列数据进行傅里叶变换得到压力频谱；

4)考虑水压力的线性趋势变化和压力波在深度上、水层过滤作用的衰减，计算出表面波浪的压力校正系数，对水压力进行校正；

5)依据谱矩法或者对压力频谱进行傅里叶反变换利用上跨零点分波法，反演出高时空分辨率的海浪波高与周期。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

本发明的基于水压力反演海浪波高与周期的方法，在接收到水压力强度和小振幅与波动振幅理论技术的基础上，综合考虑压力波的作用随着深度在衰减，水层的过滤作用是非线性且随频率变异，对压力频谱进行校正和水压力线性趋势变化的去除等过程，得到较为精确的海浪波高与周期。同时，此方法对于水体干扰小，具有较强的抗附着能力。并且可以定点连续长时间高频率测量水压力强度，最终实现高时空分辨率的海浪波高与周期的测量。

附图说明

图1为一种基于水压力反演海浪波高与周期的方法示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例介绍了一种基于水压力反演海浪波高与周期的方法，目的在于实现高时空分辨率海浪波高与周期的测量。具体实施步骤如下：

1、将压力式波高仪放置在水下z处(海底最佳)进行定点长期观测，通过测量水体压力变化得到压力强度信息。

2、对压力强度数据进行分段，去除其线性变化的趋势；比如2分钟一段，利用每段测量数据减去该段的平均值之后，即可去除其线性变化趋势。

3、压力频谱的计算。通过接收到的水压力强度时间序列数据进行傅里叶变换得到压力频谱。

4、对压力频谱进行校正，需要计算出表面波浪的压力校正系数。

依小振幅理论，水下z处压力随时间t的变化为：

其中，z为深度，波沿x轴传播，k为波数，σ为圆频率，a为自由表面上的振幅，h为水深。

表面波浪的波动振幅η随时间t的变化为：

η(x,t)＝asin(kx-σt)

综合上述关系式，可得：

η(x,t)＝p(x,z,t)/K_p(z)

其中，即为表面波浪的压力校正系数。下面的关键问题是如何求得kh，kh的计算方法如下：

其中，根据频散关系σ²＝gktanh(kh)，并且d₁＝0.6666，d₂＝0.3555，d₃＝0.1608465608，d₄＝0.0632098765，d₅＝0.0217540484，d₆＝0.0065407983。为防止校正系数对波谱在高频段的过度校正，需要对校正频率范围设置一个限制点，通过对压力数据和波浪的观测对比，得出限制频率为F＝0.39-0.0094DHz。

5、利用压力校正系数校正压力频谱，能够换算成波谱表示，可根据谱矩法计算海浪的波高与周期。

6、利用校正后的压力频谱，通过傅里叶反变换将压力频谱转换成压力信号时间序列表达，根据上跨零点分波法计算出海浪的波高与周期。

7、整个反演方法可通过Matlab编程来实现，具体编程与操作步骤可按如下方法实现：

1)将观测的长时间序列数据进行分段，比如2分钟一段。

2)利用分段数据减去该段数据的平均值，去掉其线性变化的趋势，再按顺序合成新的时间序列数据。

3)对新的时间序列数据进行傅里叶变换，得到压力频谱信号。

4)对压力频谱进行校正，这里需要计算出表面波浪的压力校正系数。

5)校正后的压力频谱信号，可以根据谱矩法计算海浪的波高与周期。

6)或者从第4步开始，对校正后的压力频谱信号进行傅里叶反变换，将其转换成压力信号的时间序列。

7)根据上跨零点分波法，计算出海浪的波高与周期。

Claims (1)

1.一种基于水压力反演海浪波高与周期的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将压力式波高仪放置在水下z处进行定点长期观测，通过测量水体压力变化得到压力强度信息；

2)对压力强度数据进行分段，去除其线性变化的趋势，得到水压力强度时间序列数据；

3)通过对水压力强度时间序列数据进行傅里叶变换得到压力频谱；

4)考虑水压力的线性趋势变化和压力波在深度上、水层过滤作用的衰减，计算出表面波浪的压力校正系数，对水压力进行校正，

所述的表面波浪的压力校正系数其中，z为深度，k为波数，a为自由表面上的振幅，h为水深，式中，其中，根据频散关系：σ²＝gktanh(kh)，而且d₁＝0.6666，d₂＝0.3555，d₃＝0.1608465608，d₄＝0.0632098765，d₅＝0.0217540484，d₆＝0.0065407983；

5)依据谱矩法或者对压力频谱进行傅里叶反变换利用上跨零点分波法，反演出高时空分辨率的海浪波高与周期。