[發明專利]一種基于最優分類和矢量平均的波浪方向浮標主波向計算方法

有效

• 申請號: 201811504331.3
• 申請日: 2018-12-10
• 公開（公告）號: CN109612441B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 盧志忠;吳鑫;殷庭巍;孫雷;陳世同;黃玉;孟琳琳
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 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

一種基于最優分類和矢量平均的波浪方向浮標主波向計算方法，屬于海洋監測技術領域。包括：(1)數據預處理；(2)針對每個波浪周期，先計算出該區間內每個采樣點的瞬時波向，再通過分類和矢量平均方法對這些采樣點的瞬時波向數據進行處理，得到單個波浪波向；(3)劃分角度區間，統計每個區間內單個波浪波向出現的個數并計數比例；(4)選擇計數比例值最大的角度區間的中值作為主波向。本方法不僅在實際測量中有效，與人工觀測結果吻合度更高，且在精度上更加優于浮標傳統算法測量的主波向結果，提高了波浪浮標測量主波向的穩定性和準確率，可在海洋觀測設備中進行廣泛的推廣和應用。

技術領域

本發明屬于海洋監測技術領域，具體涉及一種基于最優分類和矢量平均的波浪方向浮標主波向計算方法。

背景技術

當今世界，科學與經濟技術迅猛發展，人口急劇增加，地球上陸地自然資源日趨緊張，能源和礦產資源匱乏成為如今各國可持續發展所需解決的重要問題之一。其中蘊藏量豐富的海洋已經成為目前研究最多的科學領域之一，并且已經獲得了一些可觀的成果。海洋能源包括潮汐能、波浪能、海水溫差能、海流能及鹽度差能。因此，發展與開發海洋能源，成為了世界上眾多沿海國家的戰略性選擇。海浪監測是人類認識、研究、開發利用海洋的重要任務之一，現代航海、造船、軍事、海洋工程、災害監測預警等領域，都需要獲取高精度的實時海浪資料，用來描述海浪特征的量，如波高、波向、周期、相速、波長等，統稱為海浪要素。其中海浪的波向參數特性的研究對于廣泛的海洋工程和海洋科學研究來說是十分重要的，例如對海洋工程的開發、泥沙運輸計算和海浪預測模型的驗證都具有重大意義。由于海洋開發己經向較深的水域挺進,因此,海洋工程設計中采用過份冗余的安全系數設計所付出的代價越來越難以承受，在設計要求中所使用的環境數據必須體現海洋要素與波浪傳播方向的關系,而不能籠統地假設在各個方向上都會遇到最惡劣的情況，例如利用波浪能量進行發電,在可行性研究中需要考慮海浪波向資料；對海岸開發來說,在設計諸如防波堤之類的建筑物時,波向資料亦十分重要。

目前國內外進行海浪的波向數據觀測主要是采用波浪方向浮標的方式。波浪方向浮標是一種無人值守的自動、定點、定時的對海面波浪的各要素進行遙測的小型浮標測量系統。在測量波向方面，因為浮標在隨波浪升沉的同時也在進行水平方向的運動，所以能夠反映出海浪方向的變化，且不易受其它因素的影響。國內外公開文獻上能夠查到的利用波浪浮標進行波向測量的儀器原理上主要分成如下兩類：第一類是利用浮標體內的三軸加速度傳感器和電子羅盤，測得浮標體的方位角和水平兩個垂直方向的瞬時位移，進而計算出主波向，國產的SBF型波浪浮標即屬于該類型；第二類是利用浮標內的波高傾斜一體化傳感器和方位傳感器，分別測得浮標體的瞬時方位角、橫傾角和縱傾角信息，進而計算出主波向，國產的SZF型波浪浮標即屬于該類型。

針對第一類工作原理的浮標，目前能夠從公開文獻上查到的測量波向方法如下：以國產的SBF型波浪浮標為例，該浮標是由山東省科學院海洋儀器儀表研究所研制完成的，測量波向方法是采用浮標體內的三軸加速度傳感器和電子羅盤相結合的方式，在一個波浪周期內的跨零點處，計算浮標的水平矢量合成加速度方向作為單個波浪周期的參考方向。以加速度x軸正軸和y軸正軸建立相對正交坐標系，計算出水平矢量合成加速度與x軸的夾角即為相對波向，再結合電子羅盤計算得到的方位角就可得到波浪的地理波向。