[發明專利]一種基于非線性動力學特征的內波監測系統及方法

有效

• 申請號: 201711364206.2
• 申請日: 2017-12-18
• 公開（公告）號: CN108225283B
• 公開（公告）日: 2020-03-31
• 發明（設計）人: 張賽;童佳慧;何惠子;許伯強
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G01C13/00
• 分類號: G01C13/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于非線性動力學特征的內波監測系統，其特征在于：包括壓力數據獲取及傳輸模塊、數據分析與處理模塊和內波判別模塊；所述壓力數據獲取及傳輸模塊，用來實現壓力的數據采集與傳輸；所述數據分析與處理模塊，將壓力數據獲取及傳輸模塊傳輸至工作平臺的數據進行潮位濾除及非線性動力學特征分析；所述內波判別模塊，根據數據分析與處理模塊的分析結果，判別內波是否到來；所述數據分析與處理模塊中，非線性動力學分析方法使用關聯維D₂，所述關聯維D₂能定量地刻畫重構相空間的復雜程度。

2.根據權利要求1所述一種基于非線性動力學特征的內波監測系統，其特征在于：所述數據分析與處理模塊中，通過置于海水中一定深度的壓力傳感器記錄海浪壓力數據，再利用實時數據傳輸或歷時數據傳輸兩種方式傳到工作平臺。

3.根據權利要求1所述一種基于非線性動力學特征的內波監測系統，其特征在于：所述數據分析與處理模塊中，利用高通數字濾波器進行濾波。

4.根據權利要求1所述一種基于非線性動力學特征的內波監測系統，其特征在于：所述內波判別模塊依據關聯維D₂異常變化提示內波到來。

5.根據權利要求1所述一種基于非線性動力學特征的內波監測系統，其特征在于：內波經過時，海浪壓力信號時間序列的關聯維D₂隨嵌入維數的增加將收斂為一個較低的穩定值，即關聯維D₂小于4。

6.根據權利要求1至5任一項所述的基于非線性動力學特征的內波監測系統的方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟一)：壓力數據獲取及傳輸模塊中，利用潮波儀中的壓力傳感器記錄水壓數據，數據傳輸通過衛星實時數據傳輸或者歷時數據集中傳輸方式傳至工作平臺；

步驟二)：數據處理與分析方法模塊中，將步驟一)傳至工作平臺的數據進行潮位濾波，濾波后的壓力信號構成一組時間序列x(t_i),其中，i為正整數，t_i表示第i個采樣時間點；當i＝1時，t₁為第一個采樣時間點；顯然，t_i＝t₁+(i-1)*Δt，Δt為壓力傳感器的采樣時間間隔，對于壓力波時間序列x(t_i)，采用非線性動力學分析方法，通過延遲時間序列重構相空間，由重構的相空間矢量，計算關聯維D₂這一非線性動力學參數的具體分析步驟如下：

由時間序列x(t_i)，可得重構相空間X_i：

X_i＝[x(t_i),x(t_i-τ),...,x(t_i-(d-1)τ)]^T, (1)

其中，τ為延遲時間，d為嵌入維；延遲時間τ通過互信息法確定，通過Cao-Method可確定最小嵌入維d，利用非線性動力學參數關聯維D₂定量地描述重構相空間的復雜程度；通過長度為N的時間序列計算關聯維D₂，計算方法如下：

其中，r為計算中所取的搜索半徑，C(W,N,r)為關聯積分，其計算方法如下：

其中，W的取值為最優延遲τ；X_i+n是相空間X_i的延時變換；θ(x)為Heaviside函數，滿足：

通過計算lnC(W,N,r)-lnr空間內曲線的斜率可以得到D₂，當時間序列長度N足夠大時，D₂的值會隨嵌入維數的增大而增大，最終收斂于一個穩定值，此值即為所求的關聯維D₂；

步驟三)：對步驟二)中濾波后的壓力波時間序列，采用窗口寬度為2000點的滑動窗截取時間序列，滑動步長為1000個數據點，計算關聯維D₂隨時間的變化；正常無內波時，關聯維D₂持續保持較大值，即取嵌入維D₂為12時，關聯維D₂大于8；當有內波到來時，關聯維D₂的值將隨嵌入維的增大收斂為較低值，關聯維D₂小于4。

7.根據權利要求6所述的基于非線性動力學特征的內波監測系統的方法，其特征在于，步驟二中，去除潮位信息的高通濾波器為二階巴特沃斯數字濾波器。