一种基于波浪能量加权的波浪浮标主波向计算方法技术

本发明专利技术涉及一种基于波浪能量加权的波浪浮标主波向计算方法，包括读取浮标所测原始数据，根据上跨零点进行波浪划分，计算相应的波浪周期值，统计波浪周期个数，并计算每个波浪周期的波高；针对切分好的波浪周期，利用下跨零点处浮标所测信息，计算该周期的单个波浪波向，从而得到所有的单个波浪波向；统计每个角度区间内单个波浪波向出现的个数，进而得到波向出现率；选取最大波向出现率所在角度区间，计算区间内各个波浪的波浪能量大小，将获得的波浪能量作为权重进行加权矢量平均处理，从而计算出主波向。本发明专利技术基于波浪能量对于波浪运动的主导作用，充分利用波浪能量对于波向测量的影响，从而得到更加精确的主波向，提高了波向测量的准确率。向测量的准确率。向测量的准确率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于波浪能量加权的波浪浮标主波向计算方法


[0001]本专利技术属于海洋监测


技术介绍

[0002]发展与开发海洋是世界上众多沿海国家的战略性选择，我国也正在努力进行海洋监测技术的研究。目前关于提高海洋监测技术的研究课题与研讨会越来越多，在《波浪浮标数据处理算法研究》中(唐厂，王楠楠，何改云等.计量学报，2013，34(4)：315
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319)提出波向信息测量一直都是提高海洋监测技术的重点与难点问题
[0003]目前国内外进行波向数据观测主要有两类方法：第一类采用遥感技术，其中有代表性的是利用X波段航海雷达海浪回波反演计算波向等信息，参考文献《Acurvelet
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based method to determine wave directions from nautical X
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band radar images》(Guozhen,Qingyou,GUAN,et al.ActaOceanologicaSinica,2018,37(1):11
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19)。第二类采用接触式传感器，目前的技术主流是利用波浪浮标测量波向，这是一种自动、定点、定时的测量系统，具有更高的准确性和置信度，参考文献《SZF2
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1A型多参数波浪试验浮标波浪要素海上比测试验与初步分析》(刘建国,周辉云,王晓亮,et al.海洋技术学报,2016,35(3):74
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77.)
[0004]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，见参考文献《波浪浮标测波方法比较》(唐原广,康倩，现代电子技术,2014,v.37；No.422(15):121
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122.)；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、纵倾角和横倾角信息，进而计算出主波向，国产的SZF型波浪浮标即属于该类型。见参考文献《我国近海波浪浮标的历史、现状与发展》(毛祖松.海洋技术学报,2007,26(2):23
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27.)。
[0005]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该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，见参考文献《基于三轴加速度的波浪测量技术研究》(赵杰,惠力,初士博,等.海洋技术学报,2015,34(5):66
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70.)、《波浪浮标数据处理方法研究》(刘国栋.天津大学,2012:49
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50.)。
[0006]国内针对第二类工作原理的浮标，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波浪周期，再找到每一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、纵倾角和横倾角信息，计算得到该波浪周期的参考
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，见参考文献《SZF型波浪浮标系统》(唐原广,王金平.海洋技术学报,2008,27(2):31
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33.)、《波浪浮标传感器综合测试系统》(王娟.中国海洋大学,2010:28
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30.)、《SZF型波浪浮标数据采集系统及数据处理软件设计》(王金平.中国海洋大学,2008:14
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15.)、《SZF型波浪浮标数据采集、处理与无线传输系统》(张莹.中国海洋大学,2010:8
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9.)、《海浪谱估计方法研究及SZF型波浪浮标数据分析软件设计》(贺成柱.中国海洋大学,2007:42
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43.)。
[0007]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，见参考文献《Theory and application of calibration techniques for an NDBC directional wave measurements buoy》(Steele K,Lau J,Hsu Y H.IEEE Journal of Oceanic Engineering,1985,10(4):382
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396.)。测量波向的方法由Kenneth Steele,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，见参考文献《Pitch
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roll buoy mean wave directions from heave acceleration,bow magnetism,and starboard magnetism》(Steele K E.Ocean Engineering,2003,30(17):2179
‑
2199.)、《Buoy pitch and roll computed using three angular rate sensors》(Steele K E,Wang D W,M.D.Earle,et al.Coastal Engineering,1998,35(1
–
2):123
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139.)、《Directional ocean wave spectra using buoy azimuth,pitch,and roll derived from magnetic field components》(Steele K E,Earle M D.IEEE Journal of Oceanic Engineering,1991,16(4):427
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433.)。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。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供了一种基于波浪能量加权的波浪浮标主波向计算方法，目的在于提高主波向测量结果的准确度，能够更加可靠与精确地进行海本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于波浪能量加权的波浪浮标主波向计算方法，其特征在于：步骤1：波浪划分与波高计算：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，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波浪周期，计算出相应的各个波浪周期值，统计波浪周期的总个数，并计算出每个波浪周期的波高；步骤2：计算单个波浪波向：针对每一个切分好的波浪周期，先找到下跨零点，再利用浮标测得的该点这一时刻瞬时方位角、纵倾角和横倾角信息，计算得到该周期的单个波浪波向；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：统计波向出现率：先将360
°
划分成十六个角度区间，统计十六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；步骤4：基于波浪能量计算主波向：选取最大波向出现率所在的角度区间，计算该角度区间内各个波浪的波浪能量大小，利用获得的波浪能量作为权重进行加权矢量平均处理所选角度区间内的单个波浪波向，从而计算出主波向；步骤4.1：根据步骤3统计的波向出现率，得到最大波向出现率r
max
，选取最大波向出现率所在的角度区间；步骤4.2：根据选取的角度区间，针对其中各个波浪的波高H和波浪周期值T，计算得到各个波浪的波浪能量大小E：式中：T为波浪周期值，H为波高；步骤4.3：将获得的波浪能量大小作为比例权重，再根据步骤2计算得到的所选各个波浪的波浪波向，采用加权矢量平均的方法计算得到主波向的正北分量和正东分量；主波向正北分量
△
d
N
的计算公式为：式中：E
i
为所选区间内第i个波浪的波浪能量大小，θ
wi
为所选区间内第i个波浪的波浪波向，a为所选区间内波浪的总个数；主波向正东分量
△
d
E
的计算公式为：式中：E
i
为所选区间内第i个波浪的波浪能量大小，θ
wi
为所选区间内第i个波浪的波浪波向，a为所选区间内波浪的总个数；步骤4.4：由得到的主波向正北分量
△
d
N
和正东分量
△
d
E
，计算主波向θ；主波向计算公式为：
式中：
△
d
N
为主波向正北分量，
△
d
E
为主波向正东分量。2.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴鑫，管志强，杨学岭，孟凡君，张卓伟，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七二四研究所，
类型：发明
国别省市：