CN107101619A - 基于空间相邻波高数据相关性的海浪波长测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间相邻波高数据相关性的海浪波长测量方法，包括以下步骤：（1）、采集两组波高时间序列数据并预处理；（2）、对波高时间序列数据进行傅里叶变换，得到原始解析式；（3）、选取能量之和与总能量的比值大于M的前m个正弦函数，得到新解析式；（4）、将新解析式在时域进行插值，得到拟合波高数据；（5）、找到两组拟合波高数据相关度最高的延迟时间△t；（6）、计算依次通过所述空间相邻的两个波高采集装置的海浪的波长。本发明的波长测量方法，通过缩短两个波高计之间距离，提高测量准确度，同时通过只保留能量之和占总能量一定比例的波浪频率并插值，一方面减小了数据计算量，另外一方面可以提高采样间隔的分辨率。

Description

基于空间相邻波高数据相关性的海浪波长测量方法

技术领域

本发明涉及海洋海浪波长测量技术领域，具体地说，是涉及一种基于空间相邻波高数据相关性的波长测量方法。

背景技术

最常见的且与人类活动关系最密切建设有着十分重要的指导作用。同时，研究海浪对全球大洋的海气相互作用及气候变化也有着非常重要的意义。海浪的主要要素包括有效波高、波长、波周期等等，其中有效波高及波周期可以通过波高计测量得到(文圣常，1984)，比较简便，而波长的测量则较为复杂，这也成为众多学者研究的焦点，这一工作在海洋科学研究中已经成为一项极为关键的技术。

目前常用的波长测量方法分为以下几种：一.根据有限水深中的波浪频散关系，通过波周期计算得到；二.根据图像直接得到；三.根据不同波高计之间的相关关系计算得到。

李孟国(2002)介绍了用波浪弥散关系确定浅水波长的方法,讨论了水深、水流、波浪振幅对波长的影响。根据波浪谱间接计算波长的理论比较成熟，但需要假定波浪为线性且受水深等因素的影响。因此，为了得到更精确、更可靠的数据，直接测量方法有着不可替代的作用。

随着科技发展，卫星数据的增多，许多中外学者开始研究如何根据雷达或卫星图片分析大范围甚至全球波长分布。使用卫星观测对于研究全球大洋波长分布有着十分重要的意义，具体到小尺度研究，却存在测量精度比较低及无法实时监测的缺点。

冯越(2016)提出了利用两个海浪测量杆，测量通过两个测量杆之间波浪的传播时间计算波速与波长的方法。这些方法能够方便且有效的测量波长，在实际应用中还存在一些需要解决的问题，若两个波高计之间距离过长，由于波浪状况一直在变化，很难找到对应的波浪确定时间；若波高计之间距离过短，分辨率太低导致结果误差较大，实际海面的波浪是在不停变化，根据两个波高计测量波长需要解决准确测量通过两个波高计之间的时间的问题。

发明内容

本发明为了解决现有通过波高计测量海浪波长的方式存在测量精度低或者分辨率低的技术问题，提出了一种基于空间相邻波高数据相关性的海浪波长测量方法，可以解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于空间相邻波高数据相关性的海浪波长测量方法，包括以下步骤：

(1)、设置空间相邻的两个波高采集装置，用于同时采集两组波高时间序列数据，若两个波高计不是同时启动，记录两个波高采集装置启动的时间差Δt₁，分别将该两组波高时间序列数据进行预处理，两个波高采集装置的采样周期为t1；

(2)、分别对所述两组波高时间序列数据进行傅里叶变换，将各组波高时间序列数据从时域转换至频域，得到一系列不同频率的正弦函数的叠加，为波高时间序列数据在频域的原始解析式；

(3)、原始解析式中将各频率的正弦函数按其振幅从大到小排序，选取能量之和与总能量的比值大于M的前m个正弦函数，该前m个正弦函数之和即为波高时间序列数据在频域的新解析式，其中，0＜M＜1，m为正整数；

(4)、将所述新解析式与所述原始解析式进行比较，判断标准差是否小于N，若是，则将所述新解析式进行重采样，否则，返回步骤(3)，增加m的值，直至满足标准差小于N，其中，0＜N＜0.05

(5)、将新解析式在时域进行插值，计算出在时域插值后的波高数据，拟合波高数据时，每一组波高时间序列数据对应一组拟合波高数据；

(6)、将两组拟合波高数据做延迟相关，找到两组拟合波高数据相关度最高的延迟时间△t，为同一海浪依次通过所述空间相邻的两个波高采集装置的时间；

(7)、根据延迟时间△t计算依次通过所述空间相邻的两个波高采集装置的海浪的波长λ。

进一步的，步骤(3)中，按振幅从大到小排序后的原始解析式的表达方程为：

h＝A₀+A₁sin(B₁t+C₁)+…+A_nsin(B_nt+C_n)

其中A₀，A₁…A_n代表振幅，B₀，B₁…B_n代表频率，C₀，C₁…C_n为相位，n为波高时间序列数据的长度，为正整数。

进一步的，步骤(3)中，满足其中，m＜n；

步骤(3)中新解析式为：h_m＝A₀+A₁sin(B₁t+C₁)+…+A_msin(B_mt+C_m)。

进一步的，步骤(5)中将新解析式在时域进行插值的方法为：将新解析式中时间步长设定为采样周期的K倍，其中，0＜K＜0.05，拟合波高数据的数据量为其所对应波高时间序列数据的数据量的1/K倍。

进一步的，步骤(2)中分别对所述两组波高时间序列数据进行傅里叶变换后还包括计算其频谱谱峰周期T_p的步骤。

进一步的，步骤(7)中，波长λ的计算方法为：

c＝L/(Δt+Δt₁)

λ＝c·T_p

其中，c为波动相速度，L为两个波高采集装置之间距离。

进一步的，所述两个波高采集装置之间的距离为5cm～20cm。

进一步的，所述两个波高采集装置为波高计。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的基于空间相邻波高数据相关性的海浪波长测量方法，通过缩短两个波高计之间距离，提高测量准确度，同时通过只保留能量之和占总能量一定比例的波浪频率，并进行插值，一方面减小了数据计算量，另外一方面可以提高采样间隔的分辨率。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。

图1是本发明所提出的海浪波长测量方法的一种实施例流程图；

图2是本发明所提出的海浪波长测量方法的一种实施例中插值前后波形对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，本实施例提出了一种基于空间相邻波高数据相关性的海浪波长测量方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、设置空间相邻的两个波高采集装置，用于同时采集两组波高时间序列数据，若两个波高计不是同时启动，记录两个波高采集装置启动的时间差Δt₁，分别将该两组波高时间序列数据进行预处理，两个波高采集装置的采样周期为t1；

在实际测量过程中，一般通过向海洋里投放检测浮标的方式，浮标上搭载有波高采集装置，进行波高的测量，为了保证两个波高采集装置之间距离恒定，同一浮标上可以搭载有两个或者以上波高采集装置，在选取数据时，选择其中的两组数据进行处理，海浪在传递过程中，依次经过两个相邻的波高采集装置，波高采集装置周期性采集其当前位置的波高并记录保存，实时上传至地面站或者定期上传，由地面进行数据处理。本申请中，两个波高采集装置之间的距离为5cm～20cm，距离较近，利于提高测量的准确度。

其中，波高采集装置可以采用波高计实现。

S2、分别对所述两组波高时间序列数据进行傅里叶变换，将各组波高时间序列数据从时域转换至频域，得到一系列不同频率的正弦函数的叠加，为波高时间序列数据在频域的原始解析式；海浪在频域实际由若干频率的正弦函数叠加而成，且每个正弦函数根据能量大小都有各自的振幅，振幅越大，相应的能量越大，通过将波高采集装置所采集的离散的波高时间序列数据转换至频域，便于从中选取能量最集中的若干频率的波形。

S3、原始解析式中将各频率的正弦函数按其振幅从大到小排序，选取能量之和与总能量的比值大于M的前m个正弦函数，该前m个正弦函数之和即为波高时间序列数据在频域的新解析式，其中，0＜M＜1，m为正整数；通过滤除掉能量占比较小频率的波形，而往往能量占比较小的频率的正弦波数量极其庞大，因此，将其滤除掉后可以极大的减小计算量。

S4、将所述新解析式与所述原始解析式进行比较，判断标准差是否小于N，若是，则将所述新解析式进行重采样，否则，返回步骤(3)，增加m的值，直至满足标准差小于N，其中，0＜N＜0.05；得到新解析式后，与原始解析式对比，若误差较大，需选取更多的组成波叠加，直到标准差控制在N以内。通过将新解析式与所述原始解析式之间的标准差限定在一定范围内，保证保留下来数据的波形与原波形不会产生大失真，例如，N可以取值5％。

S5、将新解析式在时域进行插值，计算出在时域插值后的波高数据，拟合波高数据时，每一组波高时间序列数据对应一组拟合波高数据；由于波高采集装置的采集频率有限，因此波高时间序列数据的数据量也有限，考虑到波浪状况一直在变化，数据量小导致计算波长时分辨率太低，通过插值的方式提高数据分辨率。

S6、将两组拟合波高数据做延迟相关，找到两组拟合波高数据相关度最高的延迟时间△t，为同一海浪依次通过所述空间相邻的两个波高采集装置的时间；由前面记载可知，两个波高采集装置周期采集其位置处当前的波高数据，而海浪从一个波高采集装置传递至另一个波高采集装置具有一定的时间延迟，因此，为了找到海浪从一个波高采集装置传递至另一个波高采集装置的时间延迟，需要根据波形特征将两组拟合波高数据的波形对齐，也即，本申请中采用延迟相关的方式，其中一组拟合波高数据不动，另外一组拟合波高数据在时间上做延迟，选取的延迟时间分别为△t1、△t2…，只选取其延迟后的时间段的拟合波高数据，然后与未做延迟的拟合波高数据进行相关计算，找到相关值最大的一组延迟拟合波高数据，其所对应的延迟时间记为△t。

S7、根据延迟时间△t计算依次通过所述空间相邻的两个波高采集装置的海浪的波长λ。

本发明的基于空间相邻波高数据相关性的海浪波长测量方法，通过缩短两个波高计之间距离，提高测量准确度，同时通过只保留能量之和占总能量一定比例的波浪频率，并进行插值，一方面减小了数据计算量，另外一方面可以提高采样间隔的分辨率。

作为一个优选的实施例，步骤S3中，按振幅从大到小排序后的原始解析式的表达方程为：

h＝A₀+A₁sin(B₁t+C₁)+…+A_nsin(B_nt+C_n)

其中A₀，A₁…A_n代表振幅，B₀，B₁…B_n代表频率，C₀，C₁…C_n为相位，n为波高时间序列数据的长度，为正整数。

步骤S3中，满足其中，m＜n；由于波浪能量与振幅平方成正比，因此，为波动的总能量，将所有分解出的组成波按振幅排序。通常情况下，波浪的大部分能量主要集中在几个谱峰周围，经过对所有波浪情况的计算，振幅前10％的波浪的能量约为波浪总能量的95％，因此本申请中可以选取总能量95％的组成波叠加能够较完整的保留波浪信息并减少计算量，也即，M取值为95％。

因此，步骤S3中新解析式为：h_m＝A₀+A₁sin(B₁t+C₁)+…+A_msin(B_mt+C_m)。

步骤S5中将新解析式在时域进行插值的方法为：将新解析式中时间步长设定为采样周期的K倍，其中，0＜K＜0.05，拟合波高数据的数据量为其所对应波高时间序列数据的数据量的1/K倍。

例如，将新解析式中时间步长选取为采样周期的1％，得到的数据量为原数据量的100倍，相应可提高100倍分辨率。通过该方法得到的拟合波高数据与原波高时间序列数据的对比如图2所示。由图2可知，在分辨率提高100倍时，该方法得到的数据与原波浪数据基本吻合，不会因为分辨率提高产生偏差。拟合数据与原数据的偏差是由于只选取95％的能量，因此采样间隔只提高100倍，减少误差的产生。若选取更多的能量叠加，可以在提高更多分辨率时得到更精确的结果，但计算量会增加。同时，由于原始数据可能存在由于仪器产生的误差或其他随机误差，过多的提高分辨率得到的结果并不一定准确。兼顾计算量、准确性以及更多的提高分辨率后，提高100倍分辨率为较好的选择。

步骤S2中分别对所述两组波高时间序列数据进行傅里叶变换后还包括计算其频谱谱峰周期T_p的步骤。

步骤S7中，波长λ的计算方法为：

c＝L/(Δt+Δt₁)

λ＝c·T_p

其中，c为波动相速度，L为两个波高采集装置之间距离。

为了保证两个波高采集装置的同步性，去除因为两个波高计不同时启动产生的误差，计算波长λ时应当考虑到两个波高采集装置启动的时间差。当两个波高采集装置同时启动时，Δt₁＝0。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于空间相邻波高数据相关性的海浪波长测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、设置空间相邻的两个波高采集装置，用于同时采集两组波高时间序列数据，若两个波高计不是同时启动，记录两个波高采集装置启动的时间差Δt₁，分别将该两组波高时间序列数据进行预处理，两个波高采集装置的采样周期为t1；

(2)、分别对所述两组波高时间序列数据进行傅里叶变换，将各组波高时间序列数据从时域转换至频域，得到一系列不同频率的正弦函数的叠加，为波高时间序列数据在频域的原始解析式；

(3)、原始解析式中将各频率的正弦函数按其振幅从大到小排序，选取能量之和与总能量的比值大于M的前m个正弦函数，该前m个正弦函数之和即为波高时间序列数据在频域的新解析式，其中，0＜M＜1，m为正整数；

(4)、将所述新解析式与所述原始解析式进行比较，判断标准差是否小于N，若是，则将所述新解析式进行重采样，否则，返回步骤(3)，增加m的值，直至满足标准差小于N，其中，0＜N＜0.05；

(5)、将新解析式在时域进行插值，计算出在时域插值后的波高数据，拟合波高数据时，每一组波高时间序列数据对应一组拟合波高数据；

(6)、将两组拟合波高数据做延迟相关，找到两组拟合波高数据相关度最高的延迟时间△t，为同一海浪依次通过所述空间相邻的两个波高采集装置的时间；

(7)、根据延迟时间△t计算依次通过所述空间相邻的两个波高采集装置的海浪的波长λ。

2.根据权利要求1所述的基于空间相邻波高数据相关性的海浪波长测量方法，其特征在于，步骤(3)中，按振幅从大到小排序后的原始解析式的表达方程为：

h＝A₀+A₁ sin(B₁t+C₁)+…+A_n sin(B_nt+C_n)

其中A₀，A₁…A_n代表振幅，B₀，B₁…B_n代表频率，C₀，C₁…C_n为相位，n为波高时间序列数据的长度，为正整数。

3.根据权利要求2所述的基于空间相邻波高数据相关性的海浪波长测量方法，其特征在于，步骤(3)中，满足其中，m＜n；

步骤(3)中新解析式为：h_m＝A₀+A₁ sin(B₁t+C₁)+…+A_m sin(B_mt+C_m)。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于空间相邻波高数据相关性的海浪波长测量方法，其特征在于，步骤(5)中将新解析式在时域进行插值的方法为：将新解析式中时间步长设定为采样周期的K倍，其中，0＜K＜0.05，拟合波高数据的数据量为其所对应波高时间序列数据的数据量的1/K倍。

5.根据权利要求1-3任一项所述的基于空间相邻波高数据相关性的海浪波长测量方法，其特征在于，步骤(2)中分别对所述两组波高时间序列数据进行傅里叶变换后还包括计算其频谱谱峰周期T_p的步骤。

6.根据权利要求5所述的基于空间相邻波高数据相关性的海浪波长测量方法，其特征在于，步骤(7)中，波长λ的计算方法为：

c＝L/(Δt+Δt₁)

λ＝c·T_p

其中，c为波动相速度，L为两个波高采集装置之间距离。

7.根据权利要求1-3任一项所述的基于空间相邻波高数据相关性的海浪波长测量方法，其特征在于，所述两个波高采集装置之间的距离为5cm～20cm。

8.根据权利要求1-3任一项所述的基于空间相邻波高数据相关性的海浪波长测量方法，其特征在于，所述两个波高采集装置为波高计。