【技术实现步骤摘要】
本申请涉及海洋观测和探测，特别是涉及一种基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法、系统、台风观测设备及计算机可读存储介质。
技术介绍
1、台风是严重威胁人类生活活动的灾害性天气之一，观测和预报台风风速等参数可以为人类提供及时的信息，进而有效制定应急措施，对降低台风的灾害影响具有重要的意义。
2、在现有技术中，台风观测和预报主要是通过卫星遥感技术和气象侦察飞机，利用卫星遥感技术虽然可以大范围有效监测台风形成及移动路径，但对于台风风速等参数的预报精度仍待提高；而利用侦察飞机实地观测台风实施难度大，且成本高昂，飞机和人员安全都存在很高的风险，因此，侦察飞机也很少使用。
技术实现思路
1、有鉴于此，本申请提供了一种单基于矢量水听器的台风风速实时观测方法、系统、台风观测设备及计算机可读存储介质，以解决现有技术中通过卫星遥感技术进行台风观测和预报，带来的观测和预报精度差，通过气象侦察飞机进行台风观测和预报带来的实施难度大，成本高，安全性低的问题。
2、本申请提出一种基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法，所述基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法包括：
3、将台风观测设备布放在台风风场外围海上，使用台风观测设备的单个矢量水听器采集台风环境下所述矢量水听器布放深度处的噪声声场数据；
4、根据所述噪声声场数据实时计算噪声复声强垂向分量实部；
5、根据经验公式，建立风成噪声源谱强度模型；
6、根据所述风成噪声源谱强度模型，建立简正
7、根据所述简正波水声传播模型和所述噪声复声强垂向分量实部，建立矢量水听器上方海表面风速的代价函数，估计所述矢量水听器上方海表面的风速；
8、通过卫星实时接收岸基中心发送的台风眼气压和台风眼壁半径信息，结合所述矢量水听器上方海表面估计的实时风速，动态计算距离台风中心不同距离上的海表面风速。
9、可选地，所述噪声声场数据包括声压分量和垂直振速分量；所述根据所述噪声声场数据实时计算噪声复声强垂向分量实部，具体包括：
10、获取第一时间长度的噪声声场数据，对所述声压分量和所述垂直振速分量进行傅里叶变换，得到第一时间长度的声压复频谱和垂直振速复频谱；
11、根据所述声压复频谱和所述垂直振速复频谱，计算所述矢量水听器的实测噪声复声强垂向分量实部；
12、其中，所述实测噪声复声强垂向分量实部的计算公式为：
13、
14、其中，iz实测(f,zr)为实测噪声复声强垂向分量实部；f为信号的中心频率；re为复数量的实部；*为复共轭符号；<·>表示滑动窗平均周期图；zr为矢量水听器布放水深，r为矢量水听器距离台风中心水平距离，sp(f,zr)为声压复频谱，svz(f,zr)为垂直振速复频谱。
15、可选地，所述根据经验公式，建立风成噪声源谱强度模型，具体包括：
16、根据海洋环境风成噪声源的频率和风速，以及风成噪声源经验公式，建立台风环境下海表面的风成噪声源谱强度模型；
17、所述风成噪声源谱强度模型计算公式为：
18、siw(u,f,zs)＝c×fq×un；
19、zs＝cw/4f；
20、其中，siw(u,f,zs)为风成噪声源谱强度；u为海表面风速，u的参数寻优范围为4-16；zs为噪声源设置水深；cw为声源处声波在水体中的传播速度；c为第一参数；q为第二参数；n为第三参数，zs为台风激发下的各个风成噪声源均匀分布在大海平面的深度。
21、可选地，所述根据所述风成噪声源谱强度模型，建立简正波水声传播模型，具体包括：
22、根据台风环境下海表面的所述风成噪声源谱强度模型和简正波理论，建立矢量水听器接收位置处台风激发下风成噪声源的水下简正波水声传播模型；
23、所述水下简正波水声传播模型的计算公式为：
24、
25、
26、km＝αm+iβm；
27、其中，iz(f,zr)为水下简正波水声传播数据，ρ＝1.0，ρ为水体密度，ψm为噪声源信号中心频率为f时第m个垂直模态特征函数，km为相应的模态水平传播特征值，αm为km的实部，βm为km的虚部，ψm′为特征函数导数，i为虚数单位，re为复数量的实部，siw(u,f,zs,zr)为水听器接收点上方海表面风速对应的风成噪声源谱强度，ur为水听器上方海表面风速。
28、可选地，所述根据所述简正波水声传播模型和所述噪声复声强垂向分量实部，建立矢量水听器上方海表面风速的代价函数，估计所述矢量水听器上方海表面的风速，具体包括：
29、根据所述简正波水声传播模型和所述噪声复声强垂向分量实部，利用多频联合反演的方式，采用多参数并行粒子群遗传优化算法，建立所述矢量水听器上方海表面风速的关于所述第一参数、所述第二参数和所述第三参数的代价函数，得到最优的所述第一参数、所述第二参数和所述第三参数；
30、所述代价函数的计算公式为：
31、
32、其中，e(c,q,n)为代价函数，j表示用于反演计算的频率的个数，n的参数寻优范围为2.5-3.5。
33、可选地，所述通过卫星实时接收岸基中心发送的台风眼气压和台风眼壁半径信息，结合所述矢量水听器上方海表面估计的实时风速，动态计算距离台风中心不同距离上的海表面风速，具体包括：
34、获取最优的所述第一参数、所述第二参数和所述第三参数，得到所述矢量水听器上方海表面的风速；
35、通过卫星实时接收所述岸基中心发送的台风眼气压和台风眼壁半径信息；
36、结合所述矢量水听器上方海表面估计的实时风速、所述台风眼气压和所述台风眼壁半径，使用台风风场计算模型，得到距离台风中心不同距离的海表面风速的动态计算表达式，得到所述海表面风速。
37、可选地，所述海表面风速的动态计算表达式为：
38、
39、rw＝a1/b；
40、其中，u(d)为矢量水听器处海表面风速，pn为台风眼气压，pc为台风风场外围气压，rw为台风眼壁半径，e≈2.71828，为自然常数，ρa＝1.15，为空气密度，a为第一中间参数，b为第二中间参数，d为被观测风速处与台风中心的水平距离。
41、本申请还提出一种基于单矢量水听器的台风风速实时观测系统，所述基于单矢量水听器的台风风速实时观测系统包括：
42、噪声声场数据采集模块，用于将台风观测设备布放在台风风场外围海上，使用台风观测设备的单个矢量水听器采集台风环境下所述矢量水听器布放深度处的噪声声场数据；
43、噪声复声强垂向分量实部计算模块，用于根据所述噪声声场数据实时计算噪声复声强垂向分量实部；
44、风成噪声源谱强度模型建立模块，用于根据经验公式，建立风成噪声源谱强度模型；
45、简正波水本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法，其特征在于，所述基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法，其特征在于，所述噪声声场数据包括声压分量和垂直振速分量；所述根据所述噪声声场数据实时计算噪声复声强垂向分量实部，具体包括：
3.根据权利要求2所述的基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法，其特征在于，所述根据经验公式，建立风成噪声源谱强度模型，具体包括：
4.根据权利要求3所述的基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法，其特征在于，所述根据所述风成噪声源谱强度模型，建立简正波水声传播模型，具体包括：
5.根据权利要求4所述的基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法，其特征在于，所述根据所述简正波水声传播模型和所述噪声复声强垂向分量实部，建立矢量水听器上方海表面风速的代价函数，估计所述矢量水听器上方海表面的风速，具体包括：
6.根据权利要求5所述的基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法，其特征在于，所述通过卫星实时接收岸基中心发送的台风眼气压和台风眼壁半径
7.根据权利要求6所述的基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法，其特征在于，所述海表面风速的动态计算表达式为：
8.一种基于单矢量水听器的台风风速实时观测系统，其特征在于，所述基于单矢量水听器的台风风速实时观测系统包括：
9.一种台风观测设备，其特征在于，所述台风观测设备包括：单个矢量水听器、卫星通信模块、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于单矢量水听器的台风风速实时观测程序，所述基于单矢量水听器的台风风速实时观测程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有基于单矢量水听器的台风风速实时观测程序，所述基于单矢量水听器的台风风速实时观测程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法，其特征在于，所述基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法，其特征在于，所述噪声声场数据包括声压分量和垂直振速分量；所述根据所述噪声声场数据实时计算噪声复声强垂向分量实部，具体包括：
3.根据权利要求2所述的基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法，其特征在于，所述根据经验公式，建立风成噪声源谱强度模型，具体包括：
4.根据权利要求3所述的基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法，其特征在于，所述根据所述风成噪声源谱强度模型，建立简正波水声传播模型，具体包括：
5.根据权利要求4所述的基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法，其特征在于，所述根据所述简正波水声传播模型和所述噪声复声强垂向分量实部，建立矢量水听器上方海表面风速的代价函数，估计所述矢量水听器上方海表面的风速，具体包括：
6.根据权利要求5所述的基于单矢量水听器的台风风速实时观测方法，其特征在于，所述通过卫星实时接收岸基中心发送的...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔小明，杨华勇，李超，苍思远，
申请(专利权)人：南方海洋科学与工程广东省实验室广州，
类型：发明
国别省市：
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