CN109612441B - 一种基于最优分类和矢量平均的波浪方向浮标主波向计算方法 - Google Patents

Abstract

一种基于最优分类和矢量平均的波浪方向浮标主波向计算方法，属于海洋监测技术领域。包括：(1)数据预处理；(2)针对每个波浪周期，先计算出该区间内每个采样点的瞬时波向，再通过分类和矢量平均方法对这些采样点的瞬时波向数据进行处理，得到单个波浪波向；(3)划分角度区间，统计每个区间内单个波浪波向出现的个数并计数比例；(4)选择计数比例值最大的角度区间的中值作为主波向。本方法不仅在实际测量中有效，与人工观测结果吻合度更高，且在精度上更加优于浮标传统算法测量的主波向结果，提高了波浪浮标测量主波向的稳定性和准确率，可在海洋观测设备中进行广泛的推广和应用。

Description

一种基于最优分类和矢量平均的波浪方向浮标主波向计算 方法

技术领域

本发明属于海洋监测技术领域，具体涉及一种基于最优分类和矢量平均的波浪方向浮标主波向计算方法。

背景技术

当今世界，科学与经济技术迅猛发展，人口急剧增加，地球上陆地自然资源日趋紧张，能源和矿产资源匮乏成为如今各国可持续发展所需解决的重要问题之一。其中蕴藏量丰富的海洋已经成为目前研究最多的科学领域之一，并且已经获得了一些可观的成果。海洋能源包括潮汐能、波浪能、海水温差能、海流能及盐度差能。因此，发展与开发海洋能源，成为了世界上众多沿海国家的战略性选择。海浪监测是人类认识、研究、开发利用海洋的重要任务之一，现代航海、造船、军事、海洋工程、灾害监测预警等领域，都需要获取高精度的实时海浪资料，用来描述海浪特征的量，如波高、波向、周期、相速、波长等，统称为海浪要素。其中海浪的波向参数特性的研究对于广泛的海洋工程和海洋科学研究来说是十分重要的，例如对海洋工程的开发、泥沙运输计算和海浪预测模型的验证都具有重大意义。由于海洋开发己经向较深的水域挺进,因此,海洋工程设计中采用过份冗余的安全系数设计所付出的代价越来越难以承受，在设计要求中所使用的环境数据必须体现海洋要素与波浪传播方向的关系,而不能笼统地假设在各个方向上都会遇到最恶劣的情况，例如利用波浪能量进行发电,在可行性研究中需要考虑海浪波向资料；对海岸开发来说,在设计诸如防波堤之类的建筑物时,波向资料亦十分重要。

目前国内外进行海浪的波向数据观测主要是采用波浪方向浮标的方式。波浪方向浮标是一种无人值守的自动、定点、定时的对海面波浪的各要素进行遥测的小型浮标测量系统。在测量波向方面，因为浮标在随波浪升沉的同时也在进行水平方向的运动，所以能够反映出海浪方向的变化，且不易受其它因素的影响。国内外公开文献上能够查到的利用波浪浮标进行波向测量的仪器原理上主要分成如下两类：第一类是利用浮标体内的三轴加速度传感器和电子罗盘，测得浮标体的方位角和水平两个垂直方向的瞬时位移，进而计算出主波向，国产的SBF型波浪浮标即属于该类型；第二类是利用浮标内的波高倾斜一体化传感器和方位传感器，分别测得浮标体的瞬时方位角、横倾角和纵倾角信息，进而计算出主波向，国产的SZF型波浪浮标即属于该类型。

针对第一类工作原理的浮标，目前能够从公开文献上查到的测量波向方法如下：以国产的SBF型波浪浮标为例，该浮标是由山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制完成的，测量波向方法是采用浮标体内的三轴加速度传感器和电子罗盘相结合的方式，在一个波浪周期内的跨零点处，计算浮标的水平矢量合成加速度方向作为单个波浪周期的参考方向。以加速度x轴正轴和y轴正轴建立相对正交坐标系，计算出水平矢量合成加速度与x轴的夹角即为相对波向，再结合电子罗盘计算得到的方位角就可得到波浪的地理波向。

国内针对第二类工作原理的浮标，目前能够从公开文献上查到的测量波向方法如下：以国产的SZF型波浪浮标为例，该浮标是由中国海洋大学研制生产的，测量波向方法与国外文献公布的方法类似，首先根据上跨零点来确定单个波浪周期，再找到每一个单个波浪周期的下跨零点，利用浮标测得的这一时刻瞬时方位角、横倾角和纵倾角信息，计算得到该单个波浪周期的参考波向；然后把各个波浪周期测得的单个波浪波向进行归并统计，将360°分成16个角度区间，统计16个角度区间中每个区间内单个波浪波向出现的个数，进而得到波向出现率，最后，选择波向出现率最大的角度区间的中值作为主波向。国外针对第二类工作原理的浮标，目前能够从公开文献上查到的测量波向方法与上述国内相关文献的方法基本一致，最早查到的文献是由美国国家数据浮标中心公布了一种采用横倾、纵倾传感器进行波浪波向测量的研究工作，但未公布具体的算法。测量波向的方法由KennethSteele,DW Wang等人首次公布，该方法首先测得浮标的方位角、横倾和纵倾，然后根据这些参数计算浮标体的北向和东向斜度，最后得到波向。通过比对，国内针对第二类原理浮标的波向测量方法与Kenneth Steele方法类似。本发明涉及的方法适用于上述第二类工作原理的波浪方向浮标，通过传感器测得的载体原始方位、横倾和纵倾数据，波浪浮标在测量过程中，会受到回复力矩的随机性、受力因素的随机性、浮标摇摆与受力不同步等多种因素的影响，导致传统的单个波浪波向测量算法所计算的随机误差较大。对Kenneth Steele和唐原广团队等提出的方法进行了改进，实现了一种基于浮标测得的方位角、横倾角和纵倾角信息进行波浪主波向计算的新方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于最优分类和矢量平均的波浪方向浮标主波向计算方法，提高主波向测量的可靠性和准确性，更加精确地进行海洋监测。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于最优分类和矢量平均的波浪方向浮标主波向计算方法，包括如下步骤：

步骤1：读取浮标测量记录的一组连续原始数据，采用上跨零点法将该组数据切分成若干个单个波浪周期，并确定单个波浪周期的总个数；

步骤2：计算步骤一中每一个单个波浪周期的单个波浪波向；

步骤3：统计步骤三中单个波浪波向测量结果在角度区间的计数比例；

步骤4：选择步骤四中计数比例值最大的角度区间的中值作为主波向。

所述的步骤1中上跨零点法为根据浮标测得的波高信息，将瞬时波高数据由小于0变至大于0的点作为起点，在瞬时波高出现了小于0的情况后，将其后再次波浪上升与零点的相交点作为终点；并将起点与终点之间作为一个单个波浪周期。

所述的步骤2具体包括，

2.1根据步骤1切分好的单个波浪周期，在一个波浪周期内，选择波高数据大于0的范围作为参与计算单个波浪波向的采样点区间；

2.2对步骤2.1确定的采样点区间内的所有采样点，计算所有采样点的瞬时波向；利用浮标测得这些采样点的瞬时方位角，横倾角和纵倾角信息，先计算出采样点瞬时东向斜度和北向斜度，再计算出该采样点的瞬时波向；

浮标体采样点瞬时东向斜度

的计算公式为：

式中A为方位角，P为横倾角，R为纵倾角；

浮标体采样点瞬时北向斜度

的计算公式为：

采样点瞬时波向θ_p的计算公式为：

2.3对步骤2.2计算得到的采样点瞬时波向在空间域上进行分类；

2.4利用矢量叠加法处理步骤2.3获得的分类后的采样点瞬时波向，得到瞬时波向北向分量Δθ_N和瞬时波向东向分量Δθ_E，计算出单个波浪波向θ_w；

瞬时波向北向分量Δθ_N的计算公式为：

式中：θ_pi为分类后的第i个采样点瞬时波向；

瞬时波向东向分量Δθ_E的计算公式为：

单个波浪波向θ_w的计算公式为：

所述的步骤2.3中分类方法如下，

2.3.1设置固定夹角为θ_c的扇形作为初试分类区，统计采样点瞬时波向值落在0～θ_c区间的个数U，其中θ_c取值为90°～180°；

2.3.2分类区从0°开始，顺时针旋转并保持夹角为θ_c，每旋转1°统计一次该分类区中采样点瞬时波向的个数值U并记录类中的采样点瞬时波向值，旋转360°后，得到U₁,...,U₃₆₀；

2.3.3从U₁,...,U₃₆₀选出最大值U_M，此最大值所对应分类中的采样点瞬时波向即为分类后的采样点瞬时波向θ_p1,...,θ_pa(a＝1,2,3...U_M)。

所述的步骤3具体包括，

3.1以22.5°为间隔将360°均匀分成16个角度区间，以地理正北方位为零度，按照顺时针方向来划分；

3.2统计步骤2得到的所有单个波浪波向θ_w1…θ_wN在16个角度区间内分别出现的个数n₁…n₁₆；

3.3计算波浪波向在16个角度区间的计数比例，计数比例p_i的计算公式为：

式中：n_i为单个波浪波向在第i个角度区间出现的个数，N为波浪周期的总个数。

本发明有益效果在于：

(1)本发明通过选取单个波浪过程中的多点波向数据进行融合处理的改进方法，有效提高了单个波浪波向测量的精度；

(2)本发明采用国产的SZF型波浪浮标在海上进行了现场比测试验，结果表明本发明计算的结果与现场实测波向结果的吻合度更高，改进方法优于浮标自身计算输出结果，即唐原广团队提出的波向测量方法，提高了主波向测量的可靠性和准确性。

附图说明

图1为上跨零点划分波浪方法图；

图2为某一个波浪周期的实测波高数据；

图3为计算的某一单个波浪周期中全部采样点的瞬时波向；

图4为计数比例柱状图；

图5为本发明实施方式流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步描述。

本发明公开了一种基于最优分类和矢量平均的波浪方向浮标主波向计算方法，目的在于提高主波向测量的可靠性和准确性，更加精确地进行海洋监测。其实施步骤如下：

步骤1，数据预处理：

读取浮标测量记录的一组连续原始数据(包含瞬时波高、方位角、纵倾角、横倾角等)，根据浮标测得的波高信息，利用上跨零点将该组数据切分成若干个单个波浪周期，并确定单个波浪周期的总个数。

步骤2，计算单个波浪波向：

针对每一个切分好的单个波浪周期，首先选取参与计算单个波浪波向的采样点区间，然后利用浮标测得区间内采样点的瞬时方位角、横倾角和纵倾角信息，计算出该区间内每个采样点的瞬时波向，再通过分类和矢量平均方法对这些采样点的瞬时波向数据进行处理，从而计算得到单个波浪波向。重复该步骤，直到得到该组数据中所有的单个波浪波向。

步骤3，统计上述单个波浪波向测量结果在16个角度区间的计数比例：

先将360°划分成16个角度区间，统计16个角度区间中每个区间内单个波浪波向出现的个数，进而得到计数比例。

步骤4，计算主波向：

选择计数比例值最大的角度区间的中值作为主波向。

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1，读取波浪浮标在海上进行海浪监测时测得的一组连续实验数据(包含瞬时波高、方位角、纵倾角、横倾角等)，根据浮标测得的波高信息，采用上跨零点法，把波面上升与零点的交点，即瞬时波高数据由小于0变至大于0的点作为起点，当波浪运行到零点以下，即瞬时波高出现了小于0的情况后，将其后再次波浪上升与零点的相交点作为终点，则起点与终点之间为一个单个波浪周期。

步骤1.2，重复步骤1.1的方法，从第一个上跨零点开始，将该组实验数据切分成若干个单个波浪周期，并统计出该组数据中单个波浪周期的个数为N。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1，根据步骤1切分好的单个波浪周期，在一个波浪周期内，选择波高数据大于0m的范围，作为参与计算单个波浪波向的采样点区间。

步骤2.2，对步骤2.1确定的采样点区间内的所有采样点，重复下列操作直至获得所有采样点的瞬时波向：利用浮标测得这些采样点的瞬时方位角，横倾角和纵倾角信息，先计算出采样点瞬时东向斜度和北向斜度，再计算出该采样点的瞬时波向。

浮标体采样点瞬时东向斜度

的计算公式为：

式中：A为方位角，P为横倾角，R为纵倾角；

浮标体采样点瞬时北向斜度

的计算公式为：

式中：A为方位角，P为横倾角，R为纵倾角；

采样点瞬时波向θ_p的计算公式为：

式中：

为浮标体采样点瞬时东向斜度，

为浮标体采样点瞬时北向斜度；

步骤2.3，对步骤2.2计算得到的采样点瞬时波向在空间域上进行分类，分类方法如下：

(1)设置固定夹角为θ_c的扇形作为初试分类区，统计采样点瞬时波向值落在0～θ_c区间的个数U，通常θ_c取90°～180°；

(2)分类区从0°开始，顺时针旋转并保持夹角仍为θ_c，每旋转1°统计一次该分类区中采样点瞬时波向的个数值U并记录类中的采样点瞬时波向值，旋转360°后，得U₁,...,U₃₆₀；

(3)从U₁,...,U₃₆₀选出最大值U_M，则此最大值所对应分类中的采样点瞬时波向即为分类后的采样点瞬时波向θ_p1,...,θ_pa(a＝1,2,3...U_M)。

步骤2.4，利用矢量叠加法处理步骤2.3获得的分类后的采样点瞬时波向，可得到瞬时波向北向分量Δθ_N和瞬时波向东向分量Δθ_E，进而计算出单个波浪波向θ_w。

瞬时波向北向分量Δθ_N的计算公式为：

式中：θ_pi为分类后的第i个采样点瞬时波向；

瞬时波向东向分量Δθ_E的计算公式为：

式中：θ_pi为分类后的第i个采样点瞬时波向；

单个波浪波向θ_w的计算公式为：

式中：Δθ_E为瞬时波向东向分量，Δθ_N为瞬时波向北向分量；

步骤2.5，重复步骤2.1、步骤2.2、步骤2.3和步骤2.4，直到得到该组数据中所有的单个波浪波向θ_w1…θ_wN。式中N为切分的单个波浪周期个数。

所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1，以22.5°为间隔将360°均匀分成16个角度区间，以地理正北方位为零度，按照顺时针方向来划分。

步骤3.2，统计步骤2得到的所有单个波浪波向θ_w1…θ_wN在16个角度区间内分别出现的个数n₁…n₁₆。

步骤3.3，计算波浪波向在16个角度区间的计数比例。

计数比例p_i的计算公式为：

式中：n_i为单个波浪波向在第i个角度区间出现的个数，N为波浪周期的总个数；

所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1，根据步骤3得到的计数比例，得到计数比例最大值K。

步骤4.2，将计数比例最大值K所对应的角度区间的中值作为主波向θ。

本发明实施方式流程图见图5，具体可以分为以下几步,第一步为数据预处理，第二步为计算单个波浪波向，第三步为统计单个波浪波向测量结果在16个角度区间的计数比例，第四步为计算主波向。

本发明实施例所用的波浪浮标为国产的SZF型波浪浮标，部署在平潭海域进行海上测波实验。工作方位为1小时定时测量方式，浮标在每天的整时进行波浪测量工作，采样间隔为0.5s，采样点为2048，浮标每1小时会连续采集1024秒的波浪数据，即一组实验数据。

上述SZF型波浪浮标的主要技术参数如表一所示：

表一 SZF型波浪浮标的技术参数

该方法充分考虑到波浪浮标在测量过程中，会受到回复力矩的随机性、受力因素的随机性、浮标摇摆与受力不同步等多种因素的影响，导致传统的单个波浪波向测量算法所计算的随机误差较大，通过选取单个波浪过程中的多点波向数据进行融合处理的改进方法，有效提高了单个波浪波向测量的精度，然后统计单个波浪波向在16个角度区间的计数比例并计算主波向的算法步骤与传统算法相同。采用国产的SZF型波浪浮标在海上进行了现场比测试验，结果表明本发明计算的结果与现场实测波向结果的吻合度更高，改进方法优于浮标自身计算输出结果，即唐原广团队提出的波向测量方法，提高了主波向测量的可靠性和准确性。该方法适用的波浪方向浮标类型，其工作原理是采用方位角、横倾角和纵倾角传感器进行系统设计。

结合附图1～5，本发明具体实施步骤为：

步骤1，数据预处理：

读取浮标测量记录的一组连续原始数据(包含瞬时波高、方位角、纵倾角、横倾角等)，根据浮标测得的波高信息，利用上跨零点将该组数据切分成若干个单个波浪周期，并确定单个波浪周期的总个数。

步骤1.1，读取波浪浮标在海上进行海浪监测时测得的一组连续实验数据(包含瞬时波高、方位角、纵倾角、横倾角等)，读取波浪浮标在海上进行海洋监测测得的实验数据，本例选取的一组连续实验数据观测时间为2010年12月25日00:59，根据浮标测得的波高信息，采用上跨零点法，把波面上升与零点的交点，即瞬时波高数据由小于0变至大于0的点作为起点，当波浪运行到零点以下，即瞬时波高出现了小于0的情况后，将其后再次波浪上升与零点的相交点作为终点，则起点与终点之间为一个单个波浪周期。附图1为上跨零点划分波浪周期方法，图示中标注的圆圈所示的点为上跨零点，双箭头所示的区间为上跨零点法确定的单个波浪周期。

步骤1.2，重复步骤1.1的方法，利用上跨零点法，从第一个上跨零点开始，将该组实验数据切分成若干个单个波浪周期，并统计出该组数据中单个波浪周期的个数为N。本列中可将该组实验数据切分成145个单个波浪周期，即统计该组数据中单个波浪周期的个数为145。

步骤2，计算单个波浪波向：

针对每一个切分好的单个波浪周期，首先选取参与计算单个波浪波向的采样点区间，然后利用浮标测得区间内采样点的瞬时方位角、横倾角和纵倾角信息，计算出该区间内每个采样点的瞬时波向，再通过分类和矢量平均方法对这些采样点的瞬时波向数据进行处理，从而计算得到单个波浪波向。重复该步骤，直到得到该组数据中所有的单个波浪波向。

步骤2.1，根据步骤1切分好的单个波浪周期，在一个波浪周期内，选择波高数据大于0m的范围，作为参与计算单个波浪波向的采样点区间。附图2为某一个波浪周期的实测波高数据，图示中标注了参与计算单个波浪波向的采样点区间。

步骤2.2，对步骤2.1确定的采样点区间内的所有采样点，重复下列操作直至获得所有采样点的瞬时波向：利用浮标测得这些采样点的瞬时方位角，横倾角和纵倾角信息，先计算出采样点瞬时东向斜度和北向斜度，再计算出该采样点的瞬时波向。

浮标体采样点瞬时东向斜度

的计算公式为：

式中：A为方位角，P为横倾角，R为纵倾角；

浮标体采样点瞬时北向斜度

的计算公式为：

式中：A为方位角，P为横倾角，R为纵倾角；

采样点波向θ_p的计算公式为：

式中：

为浮标体采样点瞬时东向斜度，

为浮标体采样点瞬时北向斜度；

步骤2.3，对步骤2.2计算得到的采样点瞬时波向在空间域上进行分类，分类方法如下：

(1)设置固定夹角为θ_c的扇形作为初试分类区，统计采样点瞬时波向值落在0～θ_c区间的个数U，通常θ_c取90°～180°；

(2)分类区从0°开始，顺时针旋转并保持夹角仍为θ_c，每旋转1°统计一次该分类区中采样点瞬时波向的个数值U并记录类中的采样点瞬时波向值，旋转360°后，得U₁,...,U₃₆₀；

(3)从U₁,...,U₃₆₀选出最大值U_M，则此最大值所对应类中的采样点瞬时波向为分类后的采样点瞬时波向θ_p1,...,θ_pa(a＝1,2,3...U_M)。

本例中θ_c取90°，根据分类方法本例中得到某一采样点波向个数最大值U_M为5，则分类后的各采样点瞬时波向为74°，81°，95°，100°，121°。附图3为计算的某一单个波浪周期中全部采样点的瞬时波向，分类后的5个采样点波向落在60-150°之间。

步骤2.4，利用矢量叠加法处理步骤2.3获得的分类后的采样点瞬时波向，可得到瞬时波向北向分量Δθ_N＝-0.3438，瞬时波向东向分量Δθ_E＝4.7871，进而计算出单个波浪波向θ_w＝94°。

瞬时波向北向分量Δθ_N的计算公式为：

式中：θ_pi为分类后的第i个采样点瞬时波向；

瞬时波向东向分量Δθ_E的计算公式为：

式中：θ_pi为分类后的第i个采样点瞬时波向；

单个波浪波向θ_w的计算公式为：

式中：Δθ_E为瞬时波向东向分量，Δθ_N为瞬时波向北向分量；

步骤2.5，重复步骤2.1、步骤2.2、步骤2.3和步骤2.4，直到得到该组数据中所有的单个波浪波向θ_w1…θ_wN。式中N为切分的单个波浪周期个数。

步骤3，统计上述单个波浪波向测量结果在16个角度区间的计数比例：

先将360°划分成16个角度区间，统计16个角度区间中每个区间内单个波浪波向出现的个数，进而得到计数比例。

步骤3.1，以22.5°为间隔将360°均匀分成16个角度区间，以地理正北方位为零度，按照顺时针方向来划分。角度区间划分标准如表二所示。

表二 角度区间划分标准

步骤3.2，统计步骤2得到的所有单个波浪波向θ_w1…θ_wN在16个角度区间内分别出现的个数为1，8，11，34，45，32，12，2，0，0，0，0，0，0，0，0。

步骤3.3，计算波浪波向在16个角度区间的计数比例，附图4为计数比例柱状图。

计数比例p_i的计算公式为：

式中：n_i为单个波浪波向在第i个角度区间出现的个数，N为波浪周期的总个数，本例中为145；

步骤4，计算主波向：

选择计数比例值最大的角度区间的中值作为主波向。

步骤4.1，根据步骤3得到的计数比例，得到计数比例最大值K＝31.0％。

步骤4.2，计数比例最大值所对应的角度区间为第5角度区间，该角度区间的中值为90°，则主波向为90°。

在本海区的长期观测结果表明，利用wavex雷达测波仪测量的波峰峰向与具有多年观测经验的观测员人工观测结果一致性非常好，因此利用WAVEX实测的波峰峰向数据和本算法计算的浮标自测结果进行了比测，以检验算法性能。

1、在该时刻，wavex实测结果为93°。

2、传统的浮标测量波向方法如下：首先根据上跨零点来确定单个波浪周期，再找到每一个单个波浪周期的下跨零点，利用浮标测得的这一时刻瞬时方位角、横倾角和纵倾角信息，计算得到该单个波浪周期的参考波向；然后把各个波浪周期测得的单个波浪波向进行归并统计，将360°分成16个角度区间，统计16个角度区间中每个区间内单个波浪波向出现的个数，进而得到波向出现率，最后，选择波向出现率最大的角度区间的中值作为主波向。该算法计算的结果为67.5°。

误差分析表明，本发明反演结果与wavex实测结果的绝对误差E₁＝3°，浮标传统算法测量结果与wavex实测结果的绝对误差E₂＝25.5°。本发明反演结果与wavex实测结果基本吻合，表明本改进方法有效，且优于传统算法。

本发明反演结果与wavex实测结果的绝对误差E₁计算公式为：

E₁＝|θ-θ_wavex|

式中：θ为本发明反演结果，θ_wavex为wavex实测结果；

浮标传统算法测量结果与wavex实测结果的绝对误差E₂计算公式为：

E₂＝|θ_buoy-θ_wavex|

式中：θ_buoy为浮标传统算法测量结果，θ_wavex为wavex实测结果；

为避免偶然性，选取不同时段的多组实验数据，按照上述步骤进行实验验证。本用例选取了35组不同时段的波浪浮标实验数据进行实验验证，本发明反演结果、浮标传统算法测量结果和wavex实测结果对比如表三所示。

表三 本发明反演结果，浮标传统算法测量结果和wavex实测结果对比

实验结果表明，与wavex实测结果对比，本发明反演结果的精度为13°，浮标传统算法计算结果的精度为45°。

本发明所提出的一种基于最优分类和矢量平均的波浪方向浮标主波向计算方法，不仅在实际测量中有效，与人工观测结果吻合度更高，且在精度上更加优于浮标传统算法测量的主波向结果，提高了波浪浮标测量主波向的稳定性和准确率，可在海洋观测设备中进行广泛的推广和应用。

Claims (3)

1.一种基于最优分类和矢量平均的波浪方向浮标主波向计算方法，其特征在于，包括：

(1)读取浮标测量记录的一组连续原始数据，采用上跨零点法将该组数据切分成若干个单个波浪周期，并确定单个波浪周期的总个数；

(2)计算步骤(1)中每一个单个波浪周期的单个波浪波向；

(2.1)根据步骤(1)切分好的单个波浪周期，在一个波浪周期内，选择波高数据大于0的范围作为参与计算单个波浪波向的采样点区间；

(2.2)对步骤(2.1)确定的采样点区间内的所有采样点，计算所有采样点的瞬时波向；利用浮标测得这些采样点的瞬时方位角，横倾角和纵倾角信息，先计算出采样点瞬时东向斜度和北向斜度，再计算出该采样点的瞬时波向；

浮标体采样点瞬时东向斜度

的计算公式为：

式中A为方位角，P为横倾角，R为纵倾角；

浮标体采样点瞬时北向斜度

的计算公式为：

采样点瞬时波向θ_p的计算公式为：

(2.3)对步骤(2.2)计算得到的采样点瞬时波向在空间域上进行分类；

(2.3.1)设置固定夹角为θ_c的扇形作为初试分类区，统计采样点瞬时波向值落在0～θ_c区间的个数U，其中θ_c取值为90°～180°；

(2.3.2)初试分类区从0°开始，顺时针旋转并保持夹角为θ_c，每旋转1°统计一次该分类区中采样点瞬时波向的个数值U并记录类中的采样点瞬时波向值，旋转360°后，得到U₁,...,U₃₆₀；

(2.3.3)从U₁,...,U₃₆₀选出最大值U_M，此最大值U_M所对应分类中的采样点瞬时波向即为分类后的采样点瞬时波向θ_p1,...,θ_pa，a＝1,2,3...U_M；

(2.4)利用矢量叠加法处理步骤(2.3)获得的分类后的采样点瞬时波向，得到瞬时波向北向分量Δθ_N和瞬时波向东向分量Δθ_E，计算出单个波浪波向θ_w；

瞬时波向北向分量Δθ_N的计算公式为：

式中：θ_pa为分类后的第a个采样点瞬时波向；

瞬时波向东向分量Δθ_E的计算公式为：

单个波浪波向θ_w的计算公式为：

(3)统计步骤(2)中单个波浪波向测量结果在角度区间的计数比例；

(4)选择步骤(3)中计数比例值最大的角度区间的中值作为主波向。

2.根据权利要求1所述的一种基于最优分类和矢量平均的波浪方向浮标主波向计算方法，其特征在于：所述的步骤(1)中上跨零点法为根据浮标测得的波高信息，将瞬时波高数据由小于0变至大于0的点作为起点，在瞬时波高出现了小于0的情况后，将其后再次波浪上升与零点的相交点作为终点；并将起点与终点之间作为一个单个波浪周期。

3.根据权利要求1所述的一种基于最优分类和矢量平均的波浪方向浮标主波向计算方法，其特征在于：所述的步骤(3)具体包括，

(3.1)以22.5°为间隔将360°均匀分成16个角度区间，以地理正北方位为零度，按照顺时针方向来划分；

(3.2)统计步骤(2)得到的所有单个波浪波向θ_w1…θ_wN在16个角度区间内分别出现的个数n₁…n₁₆；

(3.3)计算波浪波向在16个角度区间的计数比例，计数比例p_i的计算公式为：

式中：n_i为单个波浪波向在第i个角度区间出现的个数，N为波浪周期的总个数。

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