一種基於水壓力反演海浪波高與周期的方法與流程

2023-06-02 19:02:01

本發明涉及海洋中海浪要素測量領域，具體涉及一種基於水壓力反演海浪波高與周期的方法。

背景技術：

海浪的波高與周期是海洋觀測研究的重點內容之一，現場觀測海浪的波高與周期過程最基本的就是要明確波浪的時空變化規律，為海洋波動規律提供基礎認識。早期的海浪觀測是對海浪施行目測，易產生較大誤差、數據資料不連續、費時費力。之後採用數字記錄，即以數字記錄波面的高低，精度上欠缺。利用水壓式波高儀的水壓力強度信號反演海浪的波高與周期的測量技術具有較高精度，實施方便，並且能夠得到高時空解析度的波浪要素資料，為海洋波動觀測奠定基礎。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明提供了一種基於水壓力反演海浪波高與周期的方法及其操作方法，目的在於提高海浪要素測量精度與避免資料處理複雜的問題，實現高時空解析度海浪波高與周期的測量，詳見下文描述。

一種基於水壓力反演海浪波高與周期的方法，其特徵在於，包括以下步驟：

1)將壓力式波高儀放置在水下z處進行定點長期觀測，通過測量水體壓力變化得到壓力強度信息。

2)對壓力強度數據進行分段，去除其線性變化的趨勢，得到水壓力強度時間序列數據。

3)通過對水壓力強度時間序列數據進行傅立葉變換得到壓力頻譜；

4)考慮水壓力的線性趨勢變化和壓力波在深度上、水層過濾作用的衰減，計算出表面波浪的壓力校正係數，對水壓力進行校正；

5)依據譜矩法或者對壓力頻譜進行傅立葉反變換利用上跨零點分波法，反演出高時空解析度的海浪波高與周期。

本發明實施例提供的技術方案的有益效果是：

本發明的基於水壓力反演海浪波高與周期的方法，在接收到水壓力強度和小振幅與波動振幅理論技術的基礎上，綜合考慮壓力波的作用隨著深度在衰減，水層的過濾作用是非線性且隨頻率變異，對壓力頻譜進行校正和水壓力線性趨勢變化的去除等過程，得到較為精確的海浪波高與周期。同時，此方法對於水體幹擾小，具有較強的抗附著能力。並且可以定點連續長時間高頻率測量水壓力強度，最終實現高時空解析度的海浪波高與周期的測量。

附圖說明

圖1為一種基於水壓力反演海浪波高與周期的方法示意圖；

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步地詳細描述。

本發明實施例介紹了一種基於水壓力反演海浪波高與周期的方法，目的在於實現高時空解析度海浪波高與周期的測量。具體實施步驟如下：

1、將壓力式波高儀放置在水下z處(海底最佳)進行定點長期觀測，通過測量水體壓力變化得到壓力強度信息。

2、對壓力強度數據進行分段，去除其線性變化的趨勢；比如2分鐘一段，利用每段測量數據減去該段的平均值之後，即可去除其線性變化趨勢。

3、壓力頻譜的計算。通過接收到的水壓力強度時間序列數據進行傅立葉變換得到壓力頻譜。

4、對壓力頻譜進行校正，需要計算出表面波浪的壓力校正係數。

依小振幅理論，水下z處壓力隨時間t的變化為：

其中，z為深度，波沿x軸傳播，k為波數，σ為圓頻率，a為自由表面上的振幅，h為水深。

表面波浪的波動振幅η隨時間t的變化為：

η(x,t)＝asin(kx-σt)

綜合上述關係式，可得：

η(x,t)＝p(x,z,t)/kp(z)

其中，即為表面波浪的壓力校正係數。下面的關鍵問題是如何求得kh，kh的計算方法如下：

其中，根據頻散關係σ2＝gktanh(kh)，並且d1＝0.6666，d2＝0.3555，d3＝0.1608465608，d4＝0.0632098765，d5＝0.0217540484，d6＝0.0065407983。為防止校正係數對波譜在高頻段的過度校正，需要對校正頻率範圍設置一個限制點，通過對壓力數據和波浪的觀測對比，得出限制頻率為f＝0.39-0.0094dhz。

5、利用壓力校正係數校正壓力頻譜，能夠換算成波譜表示，可根據譜矩法計算海浪的波高與周期。

6、利用校正後的壓力頻譜，通過傅立葉反變換將壓力頻譜轉換成壓力信號時間序列表達，根據上跨零點分波法計算出海浪的波高與周期。

7、整個反演方法可通過matlab編程來實現，具體編程與操作步驟可按如下方法實現：

1)將觀測的長時間序列數據進行分段，比如2分鐘一段。

2)利用分段數據減去該段數據的平均值，去掉其線性變化的趨勢，再按順序合成新的時間序列數據。

3)對新的時間序列數據進行傅立葉變換，得到壓力頻譜信號。

4)對壓力頻譜進行校正，這裡需要計算出表面波浪的壓力校正係數。

5)校正後的壓力頻譜信號，可以根據譜矩法計算海浪的波高與周期。

6)或者從第4步開始，對校正後的壓力頻譜信號進行傅立葉反變換，將其轉換成壓力信號的時間序列。

7)根據上跨零點分波法，計算出海浪的波高與周期。