一种利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法技术

一种利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法，包括：S1.利用压力式测波仪测量得到距离水底处的原始压强时间序列；S2.对原始的压强时间序列进行初步处理得到水下动力压强时间序列；S3.对水下动力压强时间序列进行傅里叶变换得到压强的频率振幅谱；S4.采用经验压力传递函数对水下动力压强振幅频率谱进行计算和矫正，得到表面波浪振幅频率谱；S5.对表面波浪振幅频率谱进行傅里叶反变换得到表面波浪时间序列；S6.从表面波浪时间序列中统计分析得出波浪波高和周期信息，从而实现反演；上述方法引入了一种新的无量纲参数，以该无量纲参数为基础拟合得出表面波浪振幅和水下动力压力关系表达式，大幅提高了对基于压力式测波仪的近岸波浪观测的准确度。波仪的近岸波浪观测的准确度。波仪的近岸波浪观测的准确度。

【技术实现步骤摘要】
一种利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法


[0001]本专利技术涉及海洋观测领域，更具体地涉及一种利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法。

技术介绍

[0002]21世纪，人类进入了大规模开发利用海洋的时期，人类对海洋资源、空间的依赖程度大幅提高。自古以来人类对海洋的探索从未停止，但面对变化莫测的庞然大物人类知之甚少，又因为某些限制因素止步不前。以海洋中表面波浪的测量为例，表面波的精确测量对于航行、海岸洪水防治和近海平台的安全防护或波浪引起的环流和泥沙输送等诸多应用都是至关重要的，但在海洋中直接测量表面波动是极其困难与昂贵的，一个常用的替代方法就是利用水下压力传感器的测量数据进行表面波浪特征的反演。
[0003]压力传感器长期以来一直都是实验室和现实海况下测量波浪的常用设备，尤其在近岸海域其应用十分普遍。相对于浮标等其他测量设备，压力传感器不易受到倾侧波浪和沿岸海流的影响，同时压力传感器部署在水下不会受到海上交通、捕鱼养殖等人为活动的破坏。即使现在已经有一些方法可以直接测量海面波动，如声表面跟踪技术或激光雷达扫描技术，压力传感器仍然是沿海波浪测量中非常有用的工具。坚固、成本低、操作简便、对气泡或水体浑浊不敏感，而且不需要依靠近岸基础设施、易于部署等等优点使其在各种海洋观测系统中逐步普及。此外，水下流体动力学对水工建筑物、海底地形特征的形成、泥沙运移等都有重要影响，而这些有明显实际意义的研究数据也由水下压力传感器获取。随着经济简便的压力式测波仪在各种海洋观测系统中的普遍应用，如何将水下压力准确反演为表面波浪特征就成为亟待解决的问题。
[0004]现有技术中的反演方法包括如下缺点与问题：1.现有部分技术简单地将表面波浪振幅和水下动力压力之间建立为静水压力传递关系或线性波动理论压力传递关系，这种简单的理论近似在不同的波动条件和海况下误差不可控，极易造成较大偏差，导致反演表面波浪振幅出现错误情况。
[0005]2.现有部分研究的试验波动条件不够广泛，其反演方法具有一定的局限性，难以普遍适用于变化范围较大的波动条件和海况。
[0006]3.现有技术多数没有考虑到近岸环境和水工建筑物对水下动力压力与表面波浪振幅之间关系的影响，这一因素对于在近岸海域受到广泛应用的压力式测波仪是不容忽视的。

技术实现思路

[0007]为解决以上技术问题，本专利技术提供了一种利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法，所述方法包括如下步骤：S1.利用压力式测波仪测量得到距离水底处的原始压强时间序列数据；S2.对所述原始的压强时间序列数据进行初步处理得到水下动力压强时间序列数
据；S3.对水下动力压强时间序列进行傅里叶变换得到压强的频率振幅谱，基于快速傅里叶变换算法实现时域到频域的转换；S4.采用经验压力传递函数对水下动力压强振幅频率谱进行计算和矫正，得到表面波浪振幅频率谱；S5.对经过计算和矫正后得到的表面波浪振幅频率谱进行傅里叶反变换得到表面波浪时间序列；S6.从表面波浪时间序列中统计分析得出波浪波高和周期信息，从而实现反演。
[0008]进一步地，所述的利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法，步骤S2中的所述初步处理包括：系统分段、消除平均值去趋势化和频率域滤波。
[0009]进一步地，所述的利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法：所述系统分段包括：基于海浪观测数据时间长度和快速傅里叶变换需求的数据序列长度进行系统的数据分段；所述消除平均值去趋势化包括：在整体数据时间序列的基础上移除每一个波动中全部数据的平均值达到去趋势化的效果；所述频率域滤波包括：确定需要的波动周期范围，以此确定高、低截止频率，利用高通、低通滤波器实现频率域滤波。
[0010]进一步地，所述的利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法，步骤S4中的所述经验压力传递函数表示为：，其中a的取值范围为
‑
0.757至
‑
0.7306，b的取值范围为
‑
0.01158至
‑
0.002499，为波动角频率，z为压力式测波仪距水面的距离，，为水深，g为重力加速度。
[0011]进一步地，所述的利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法，其中，。
[0012]进一步地，所述的利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法，针对无近岸水工建筑物阻挡的宽阔自然海岸，选取系数组合进行计算。
[0013]进一步地，所述的利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法，针对近岸斜坡式防波堤阻挡的人工海岸，选取系数组合进行计算。
[0014]进一步地，所述的利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法，针对近岸潜堤式防波堤阻挡的人工海岸，选取系数组合进行计算。
[0015]进一步地，所述的利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法，其中步骤s6中，通过上跨零点法或下跨零点法从表面波浪时间序列中统计分析得出波浪波高和周期信息。
[0016]进一步地，所述的利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法，还包括：设置高频
范围内的截止频率，用于限制压力传递函数的最小值。
[0017]本专利技术的技术方案有益效果在于：引入了一种新的无量纲参数，以该无量纲参数为基础拟合得出表面波浪振幅和水下动力压力关系表达式（后称压力传递函数），进一步综合考虑近岸环境和水工建筑物情况，运用试验工况覆盖范围全面的实验室试验和实地的野外近岸海试对压力传递函数进行矫正，最终得到兼具综合性、准确性的近岸水下压力传递函数经验公式，以该压力传递函数和规范、统一、系统化的谱分析方法为核心实现“利用压力式测波仪反演近岸表面波浪”，对基于压力式测波仪的近岸波浪观测和相关研究工作的准确度提升具有一定意义。
附图说明
[0018]以下，通过示例的方式示出本专利技术的示例性实施例的附图，各附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或相似的元素。附图中：图1为本专利技术的表面波浪反演方法系统流程图；图2为本专利技术的压力传递函数经验公式；图3为本专利技术实施例一的水下压强变化时间序列；图4为本专利技术实施例一的水下动力压强变化时间序列；图5为本专利技术实施例一的水下动力压强变化经去趋势化和滤波处理后的时间序列；图6为本专利技术实施例一的水下动力压强振幅谱；图7为本专利技术实施例一的表面波浪振幅谱（由水下动力压强反演）；图8为本专利技术实施例一的表面波浪反演效果对比图；图9(a)为本专利技术的实施例二的原始压力数据时间序列；图9(b)为本专利技术的实施例二的表面波动振幅谱图（由水下动力压强反演）；图9(c)为本专利技术的实施例二的表面波浪反演效果对比图；图10(a)为本专利技术的实施例三的原始压力数据时间序列；图10(b)为本专利技术的实施例三的表面波动振幅谱图（由水下动力压强反演）；图10(c)为本专利技术的实施例三的表面波浪反演效果对比图；图11(a)为本专利技术的实施例四的原始压力数据时间序列；图11(b)为本专利技术的实施例四的表面波动振幅谱图（由水下动力压强反演）；图11(c)为本专利技术的实施例四的表面波浪反演效果对比图。
具体实施方式
[0019]为了更本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1.利用压力式测波仪测量得到距离水底处的原始压强时间序列数据；S2.对所述原始压强时间序列数据进行初步处理得到水下动力压强时间序列数据；S3.对水下动力压强时间序列进行傅里叶变换得到压强的频率振幅谱，基于快速傅里叶变换算法实现时域到频域的转换；S4.采用经验压力传递函数对水下动力压强振幅频率谱进行计算和矫正，得到表面波浪振幅频率谱；S5.对经过计算和矫正后得到的表面波浪振幅频率谱进行傅里叶反变换得到表面波浪时间序列；S6.从表面波浪时间序列中统计分析得出波浪波高和周期信息，从而实现反演。2.根据权利要求1所述的利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法，其特征在于，步骤S2中的所述初步处理包括：系统分段、消除平均值去趋势化和频率域滤波。3.根据权利要求2所述的利用水下动力压力反演表面波浪波高的方法，其特征在于：所述系统分段包括：基于海浪观测数据时间长度和快速傅里叶变换需求的数据序列长度进行系统的数据分段；所述消除平均值去趋势化包括：在整体数据时间序列的基础上移除每一个波动中全部数据的平均值达到去趋势化的效果；所述频率域滤波包括：确定需要的波动周期范围，以此确定高、低截止频率，利用高通、低通滤波器实现频率域滤波。4.根据权利要求1所述的利用水下动力压力反演表面波浪波高...

【专利技术属性】
技术研发人员：白晔斐，周一帆，房欣，刘金伟，魏笑然，支泓欢，刘英男，
申请(专利权)人：东海实验室，
类型：发明
国别省市：