CN113418512A - 一种基于差压法的波向测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于差压法的波向测量方法，属于海洋监测技术测量领域，包括：在水下布放呈几何形状的多点压力传感器；同步获取多个压力点的压力值，并将各压力值转换为各压力点对应的水深值；分析在同一时刻多点压力值的压差变化，根据压差变化规律判断波浪方向。该方法将压力传感器布放在水下，不需在海面布放浮标，有利于提高测量设备的安全性及设备的稳定性；压力传感器不会受海流、风及锚系等环境影响，不易产生测量波向失真的问题；解决了波浪浮标使用安全性低、容易丢失、被盗和被渔船撞坏的问题；相比浪浮标测量法每次使用需要租船，本发明使用、维护成本更低。

Description

一种基于差压法的波向测量方法

技术领域

本发明属于海洋监测技术测量领域，具体涉及一种基于差压法的波向测量方法。

背景技术

波浪是海洋最基本的要素之一，是海洋科学研究的重要内容和海洋工程设计的重要参数，同时海浪也是水文气象要素中最难获取的参数之一。海浪有三要素：波高、波周期及波向。目前测量波高和波周期的方法很多，但波向的测量是世界技术难题，一般是采用基于重力加速度原理的波浪浮标测量。

目前世界上能测量波浪的仪器及方法主要有：1.光学测波浮筒；2.波浪浮标(含GPS测波浮标)；3.压力式测波仪；4.声学式测波仪；5.悬线测波杆；6.雷达测波仪。以上测量仪器主要用来测量波高和波周期，仅有波浪浮标和声学式测波仪可实现波向的测量。例如国际上有挪威NORTEK公司的声学测波仪AWAC(浪龙)可以测量波向。但是声学测波仪目前存在着在大浪情况下测量误差太大的问题，主要原因是当海况变大时，波浪破碎产生浪花同时水中产生气泡，导致声波遇到气泡和破碎波也会产生反射波，导致测量误差。近年来，新出现的岸用雷达测波仪由于原理自身的缺陷，使用起来不是很理想，还处在调试完善阶段，主要存在在小浪和大浪情况下误差太大的缺点。

国际主要测量波浪的方法是采用重力式波浪浮标，世界上最有代表性的波浪浮标是荷兰Datawell公司的波浪骑士。由于波浪浮标在使用过程中，海流、风及锚系等环境对浮标体自身运动的影响会造成测量的波向失真，并且波浪浮标使用安全性低、容易丢失、被盗和被渔船撞坏，很难实现波浪浮标在海上长期使用的目的。

因此，本申请提出一种基于差压法的波向测量方法。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于差压法的波向测量方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于差压法的波向测量方法，包括以下步骤：

在水下布放呈几何形状的多点压力传感器；

同步获取多个压力点的压力值，并将各压力值转换为各压力点对应的水深值；

分析在同一时刻多点压力值的压差变化，根据压差变化规律判断波浪方向。

优选地，所述压力传感器的数量为两个，将两个所述压力传感器在水下间隔布放，通过检测两个压力传感器的压差变化，统计一个波浪时序内的压差变化规律，判断一维波浪的方向。

优选地，所述几何形状为成对称结构的圆形、等边三角形、正方形中的任一种。

优选地，当所述几何形状为圆形时，所述波向测量方法具体包括：

将多个所述压力传感器绕中心点呈圆形排布；

根据不同方向来的波浪同步获取多个压力点的压力值，并将各压力值转换为各压力点对应的水深值；

分析在同一时刻多点压力值的压差变化，求出圆周上分布的压力传感器与圆心O点之间压力差的变化规律；

通过最小二乘法拟合出压力差变化曲线，得出压力差变化曲线为一近似正弦波，其正弦波变化规律与波向变化成正比，以此得出波浪方向。

优选地，波向变化规律经过曲线拟合得出的正弦函数表达式为：

y＝x₀sin(x₁t+x₂)+x₃ (1)

式中，t为时间，x₀-x₃均为函数系数。

优选地，函数系数x₀-x₃具体计算步骤如下：

对于一系列的n个点(n≥3)：

(t_i,y_i),i＝0,1,…,n-1 (2)

用点(t_i,y_i),i＝0,1,…,n-1拟合计算上述方程，则使：

最小；

要使得S最小，应满足：

即：

又x₀≠0，

所以

解上述4元非线性方程组，即可得到正弦函数的一般表达式的系数：x₀,x₁,x₂,x₃；

记：F(X)＝[f₀(X),f₁(X),f₂(X),f₃(X)]^T,X＝[x₀,x₁,x₂,x₃]

以及雅克比矩阵：

逐次线性化构造Newton迭代法，在某个近似解X_k处，将向量函数F(X)作Taylor展开，则有：F(X)≈F(X_k)+F'(X_k)(X_k+1-X_k)

从而得到近似方程：F(X_k)+F'(X_k)(X_k+1-X_k)＝0

令ΔX_k＝X_k+1-X_k，将Newton迭代法的迭代公式改写为：

每一步迭代均需解Newton方程组：

上述线性方程组用高斯消去法求解；

即：

根据Newton迭代法，先给出x₀,x₁,x₂,x₃的初值X₀，带入公式(5)求得：

ΔX_k＝[Δx₀,Δx₁,Δx₂,Δx₃]^T

k＝0,1,2,…为迭代顺序号；

再根据公式(4)进行迭代计算，直到ΔX_k＝[Δx₀,Δx₁,Δx₂,Δx₃]^T达到指定的收敛精度：Δx₀ ²+Δx₁ ²+Δx₂ ²+Δx₃ ²＜ε

则X_k+1＝X_k+ΔX_k就是最终的线性方程的解。

本发明提供的基于差压法的波向测量方法具有以下有益效果：

1、该方法是将压力传感器布放在水下，不需在海面布放浮标，有利于提高测量设备的安全性及设备的稳定性。

2、压力传感器不会受海流、风及锚系等环境影响，不易产生测量波向失真的问题。

3、解决了波浪浮标使用安全性低、容易丢失、被盗和被渔船撞坏的问题。

4、相比波浪浮标测量法每次使用需要租船，本发明使用、维护成本更低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，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为两点压力法判波浪方向原理图；

图2为本发明实施例1的基于差压法的波向测量方法的测量原理图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

海浪在某一时刻，其浪向在360°上均有分布，只是来自不同方向上波浪的幅度和频率不一样，分布的能量不同，海浪在某一时刻某一点上的变化是不规则的，但从远处看一个区域范围内多个海浪，通过观测连续多个波的传播及波浪的波形可分辨出浪的主要传播方向，这也是本发明提出的多点压力式波向测量的依据。

基于此，本发明提出了一种基于差压法的波向测量方法，具体如图1所示，包括以下步骤：

S1、先解决一维海浪的方向测量问题，在水下布放一定间距的两个压力传感器，通过检测两个压力传感器的压差变化，统计一个波浪时序内的压差变化规律，可判断出波浪的方向，见图1两点压力法判波浪方向。其中，波浪时序主要是指波浪采样的个数，按波浪统计方法，一般要满足采样2048或1024个波浪值。

S2、将两点扩展到多点，在水下布放呈几何形状的多点压力传感器，并分析在同一时刻多点压力值的压差变化，判断360°全方向波浪方向。几何形状可以为成对称结构的圆形、等边三角形、正方形中的任一种。

具体地，本实施例中几何形状采用圆形。如图2所示，当几何形状为圆形时，在水下布放呈几何形状的多点压力传感器，并分析在同一时刻多点压力值的压差变化，图中O点在圆心上，A、C、F在X、Y两轴上，B、D、E、G分布在四个象限的45°角上，具体操作包括：

S2.1、在水下布放呈圆形的多点压力传感器，根据不同方向来的波浪同步获取多个压力点的压力值，并将各压力值转换为各压力点对应的水深值。

S2.2、分析在同一时刻多点压力值的压差变化，求出圆周上分布的A-G 6个点的压力传感器与圆心O点之间压力差的变化规律。

S2.3、通过最小二乘法拟合出压力差变化曲线，得出压力差变化曲线为一近似正弦波，其正弦波变化规律与波向变化成正比，以此得出波浪方向。

具体的，根据所得的各点与圆心的压力差，采用下列方程进行曲线拟合，可以得出正弦函数的一般表达式为：

y＝x₀sin(x₁t+x₂)+x₃ (1)

式中，t为时间，x₀-x₃均为函数系数，该表达式的曲线与波向成正比关系。

函数系数x₀-x₃具体计算步骤如下：

对于一系列的n个点(n≥3)：

(t_i,y_i),i＝0,1,…,n-1 (2)

要用点(t_i,y_i),i＝0,1,…,n-1拟合计算上述方程，则使：

最小。

要使得S最小，应满足：

即：

又x₀≠0，

所以

解上述4元非线性方程组，即可得到正弦函数的一般表达式的系数：x₀,x₁,x₂,x₃。

记：F(X)＝[f₀(X),f₁(X),f₂(X),f₃(X)]^T,X＝[x₀,x₁,x₂,x₃]

以及雅克比矩阵：

逐次线性化构造Newton迭代法。在某个近似解X_k处，将向量函数F(X)作Taylor展开，则有：F(X)≈F(X_k)+F'(X_k)(X_k+1-X_k)

从而得到近似方程：F(X_k)+F'(X_k)(X_k+1-X_k)＝0

令ΔX_k＝X_k+1-X_k，将Newton迭代法的迭代公式改写为：

每一步迭代均需解Newton方程组：

F'(X_k)(ΔX_k)＝-F(X_k)

这是一个线性方程组，可用高斯消去法求解。

即：

根据Newton迭代法，先给出x₀,x₁,x₂,x₃的初值X₀，带入公式(5)求得：

ΔX_k＝[Δx₀,Δx₁,Δx₂,Δx₃]^T

k＝0,1,2,…为迭代顺序号。

再根据公式(4)进行迭代计算，直到ΔX_k＝[Δx₀,Δx₁,Δx₂,Δx₃]^T达到指定的收敛精度：Δx₀ ²+Δx₁ ²+Δx₂ ²+Δx₃ ²＜ε

则X_k+1＝X_k+ΔX_k就是最终的线性方程的解。

本发明提出利用水下多点压力传感器的压差获取波浪的传播方向(波向)，目的就是独辟蹊径形成一套不同于重力式波浪浮标原理测量的压力式波向测量方法，以弥补波浪浮标测量的不足。

该方法解决了波向测量问题，不需在海面布放浮标，有利于提高测量设备的安全性及设备的稳定性；解决波浪浮标在使用过程中，由于浮标体自身受海流、风及锚系等环境对其运动的影响造成测量波向的失真；波浪浮标使用安全性低、容易丢失、被盗和被渔船撞坏；波浪浮标成本高；每次使用需要租船，使用维护成本高等问题。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于差压法的波向测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

在水下布放呈几何形状的多点压力传感器；

同步获取多个压力点的压力值，并将各压力值转换为各压力点对应的水深值；

分析在同一时刻多点压力值的压差变化，根据压差变化规律判断波浪方向。

2.根据权利要求1所述的基于差压法的波向测量方法，其特征在于，所述压力传感器的数量为两个，将两个所述压力传感器在水下间隔布放，通过检测两个压力传感器的压差变化，统计一个波浪时序内的压差变化规律，判断一维波浪的方向。

3.根据权利要求1所述的基于差压法的波向测量方法，其特征在于，所述几何形状为成对称结构的圆形、等边三角形、正方形中的任一种。

4.根据权利要求3所述的基于差压法的波向测量方法，其特征在于，当所述几何形状为圆形时，所述波向测量方法具体包括：

将多个所述压力传感器绕中心点呈圆形排布；

根据不同方向来的波浪同步获取多个压力点的压力值，并将各压力值转换为各压力点对应的水深值；

分析在同一时刻多点压力值的压差变化，求出圆周上分布的压力传感器与圆心O点之间压力差的变化规律；

通过最小二乘法拟合出压力差变化曲线，得出压力差变化曲线为一近似正弦波，其正弦波变化规律与波向变化成正比，以此得出波浪方向。

5.根据权利要求4所述的基于差压法的波向测量方法，其特征在于，波向变化规律经过曲线拟合得出的正弦函数表达式为：

y＝x₀sin(x₁t+x₂)+x₃ (1)

式中，t为时间，x₀-x₃均为函数系数。

6.根据权利要求5所述的基于差压法的波向测量方法，其特征在于，函数系数x₀-x₃具体计算步骤如下：

对于一系列的n个点(n≥3)：

(t_i,y_i),i＝0,1,…,n-1 (2)

用点(t_i,y_i),i＝0,1,…,n-1拟合计算上述方程，则使：

最小；

要使得S最小，应满足：

即：

又x₀≠0，

所以

解上述4元非线性方程组，即可得到正弦函数的一般表达式的系数：x₀,x₁,x₂,x₃；

记：F(X)＝[f₀(X),f₁(X),f₂(X),f₃(X)]^T,X＝[x₀,x₁,x₂,x₃]

以及雅克比矩阵：

逐次线性化构造Newton迭代法，在某个近似解X_k处，将向量函数F(X)作Taylor展开，则有：F(X)≈F(X_k)+F'(X_k)(X_k+1-X_k)

从而得到近似方程：F(X_k)+F'(X_k)(X_k+1-X_k)＝0

令ΔX_k＝X_k+1-X_k，将Newton迭代法的迭代公式改写为：

每一步迭代均需解Newton方程组：

上述线性方程组用高斯消去法求解；

即：

根据Newton迭代法，先给出x₀,x₁,x₂,x₃的初值X₀，带入公式(5)求得：

ΔX_k＝[Δx₀,Δx₁,Δx₂,Δx₃]^T

k＝0,1,2,…为迭代顺序号；

再根据公式(4)进行迭代计算，直到ΔX_k＝[Δx₀,Δx₁,Δx₂,Δx₃]^T达到指定的收敛精度：Δx₀ ²+Δx₁ ²+Δx₂ ²+Δx₃ ²＜ε

则X_k+1＝X_k+ΔX_k就是最终的线性方程的解。

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