一种基于变分模态分解的风浪与涌浪分离方法技术

本发明专利技术提供了一种基于变分模态分解的风浪与涌浪分离方法，涉及海浪分离技术领域，包括如下步骤通过波浪浮标测得海洋波面连续的波高位移

【技术实现步骤摘要】
一种基于变分模态分解的风浪与涌浪分离方法


[0001]本专利技术涉及海浪分离
，具体而言，尤其涉及一种基于变分模态分解的风浪与涌浪分离方法。

技术介绍

[0002]在海洋中出现的海浪通常是由风浪和涌浪组成的混合浪，风浪是指当地风产生，并一直处在风作用下的波浪，而涌浪对应那些当地风减小或转向后海面上遗留下来的或是其他海区传来的波浪。在外形特征上，风浪表现为：背风面较迎风面陡峭，两侧不对称，周期较小，波峰线较短；涌浪表现为：波面平缓，两侧对称，周期较大，波峰线较长，规律性较显著。
[0003]现有的风浪与涌浪分离方法采用二维谱方法。二维谱方法根据风与洋面相互作用产生能量进而向洋面输送生成波浪的特性，判断波浪方向谱与风速矢量之间的关系。在进行风涌浪分离时考虑到波向、风向、波速、风速四个要素，能够有效地区分波浪中的风浪和涌浪成分。由于二维谱方法得到的分离结果更为稳定可信，通常被认定是风涌浪分离的标准值。
[0004]然而，现有的分离方法在海浪谱的基础上进行分割，所得结果亦为谱的形式及波浪的统计特征，无法得到风浪及涌浪位移数据，而在实际工程应用，特别是对于波浪的演化预测、水池造波、波浪对船舶等海洋结构物的作用等研究中需要连续的波高位移数据，故此现有方法在实际的工程应用中存在一定的限制。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种基于变分模态分解的风浪与涌浪分离方法，以解决现有仅可进行风浪与涌浪的划分而无法得到风浪及涌浪位移数据的技术问题。
[0006]本专利技术采用的技术手段如下：
[0007]一种基于变分模态分解的风浪与涌浪分离方法，包括：
[0008]通过波浪浮标测得海洋波面连续的波高位移
‑
时间历程数据；
[0009]使用二维谱方法求得风浪与涌浪的分割频率；
[0010]对所述波高位移
‑
时历数据进行模态分解并求得每个构成波的中心频率；
[0011]以所述分割频率为判据对构成波进行划分，得到风浪及涌浪的波面曲线。
[0012]进一步地，使用二维谱方法求得风浪与涌浪的分割频率包括如下步骤：
[0013]将二维海浪谱进行平滑处理，对相邻谱峰进行平均加权做二维离散卷积运算，公式如下：
[0014][0015]其中，S(i,j)为原始谱；为经过二维离散卷积运算的谱；i和j为元素个数；为卷积；κ为卷积维数；
[0016]通过平滑处理后的二维海浪谱获得风浪与涌浪的分割频率，公式如下：
[0017][0018]其中，f
s
为分割频率；θ为波向；U
10
为10m高度处的风速；θ
wind
为风向；T为阈值。
[0019]进一步地，对所述波高位移
‑
时历数据进行模态分解并求得每个构成波的中心频率包括如下步骤：
[0020]采用变分模态分解算法将原始输入信号分解为多个本征模态函数之和的形式，分解过程为：
[0021][0022][0023]其中：{u
K
}＝{u1,...,u
K
}表示分解所得的K个分量；{ω
K
}＝{ω1,...,ω
K
}表示各个分量中的中心频率，δ(t)为输入信号，t为时间，j表示第j个分量。
[0024]进一步地，风浪与涌浪的判定方法为：
[0025]以风浪与涌浪的分割频率为划分标准对构成波的中心频率进行判定，当该构成波的中心频率小于分割频率时，该构成波为涌浪，当该构成波的中心频率大于分割频率时，该构成波为风浪。
[0026]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0027]本专利技术采用单点浮标的数据即可求得海浪中风浪与涌浪的波面位移，解决了传统方法只能求得风浪与涌浪谱的形式而无法得到波面位移曲线的问题，对工程应用及科学研究提供了便利。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1为本专利技术方法流程图。
[0030]图2为本专利技术二维实测海浪谱图。
[0031]图3为本专利技术经过二维卷积变换后的海浪谱图。
[0032]图4为本专利技术海浪谱的风浪涌浪分割频率结果图。
[0033]图5为本专利技术基于频率的风向划分结果图。
[0034]图6为本专利技术海浪波高位移
‑
时间序列图。
[0035]图7为本专利技术变分模态分解对波高位移的12个分解结果第1
‑
6部分图。
[0036]图8为本专利技术变分模态分解对波高位移的12个分解结果第7
‑
12部分图。
[0037]图9为本专利技术分离所得涌浪成分波面图。
[0038]图10为本专利技术分离所得风浪成分波面图。
[0039]图11为本专利技术原始海浪的幅度频谱图。
[0040]图12为本专利技术分离所得涌浪成分的幅度频谱图。
[0041]图13为本专利技术分离所得风浪成分的幅度频谱图。
具体实施方式
[0042]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都应当属于本专利技术保护的范围。
[0043]需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0044]本专利技术提供了一种基于变分模态分解的风浪与涌浪分离方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0045]步骤一、自海浪二维谱获得分割频率f
s
[0046]二维谱方法在划分风涌浪时首先将二维海浪谱进行平滑，需对相邻谱峰进行平均加权做二维离散卷积运算，方法为：
[0047][0048]式中，S(i,j)是原始谱，是经过二维离散卷积运算的谱，都具有i
×
j个元素；符号表示卷积。当卷积维数κ取式(2)所示的3x3常数矩阵：
[0049][0050]在已经过平滑处理的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于变分模态分解的风浪与涌浪分离方法，其特征在于，包括：通过波浪浮标测得海洋波面连续的波高位移
‑
时间历程数据；使用二维谱方法求得风浪与涌浪的分割频率；对所述波高位移
‑
时历数据进行模态分解并求得每个构成波的中心频率；以所述分割频率为判据对构成波进行划分，得到风浪及涌浪的波面曲线。2.根据权利要求1所述的基于变分模态分解的风浪与涌浪分离方法，其特征在于，使用二维谱方法求得风浪与涌浪的分割频率包括如下步骤：将二维海浪谱进行平滑处理，对相邻谱峰进行平均加权做二维离散卷积运算，公式如下：其中，S(i,j)为原始谱；为经过二维离散卷积运算的谱；i和j为元素个数；为卷积；κ为卷积维数；通过平滑处理后的二维海浪谱获得风浪的分割频率，公式如下：其中，f
s
为分割频率；θ为波向；U
10
为10m高度处的风速；θ
wind
为风向；T为阈值。...

【专利技术属性】
技术研发人员：张佳宁，王元良，辛翔宇，郭志扬，危远辉，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：