[發(fā)明專利]一種基于波群識(shí)別的畸形波短期預(yù)報(bào)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910237497.1
• 申請(qǐng)日: 2019-03-27
• 公開（公告）號(hào): CN109946763B
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬玉祥;付睿麗;董國(guó)海
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01W1/10
• 分類號(hào): G01W1/10;G08B21/10
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠(yuǎn)

本發(fā)明屬于海洋水動(dòng)力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，提供一種基于波群識(shí)別的二維畸形波短期預(yù)報(bào)方法。本發(fā)明針對(duì)接收到的實(shí)時(shí)海浪信息進(jìn)行小波變換處理，基于小波變換提出一種新的波群識(shí)別方法，建立了新的波群判斷參數(shù)，該方法能夠準(zhǔn)確地分離出隨機(jī)波浪中的波群；基于大量數(shù)值模型試驗(yàn)，確定了能夠演化出畸形波的波群特征參數(shù)，應(yīng)用該參數(shù)可以對(duì)可能畸形波的出現(xiàn)發(fā)出預(yù)警，并預(yù)報(bào)出畸形波的到達(dá)時(shí)刻和波高。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)、對(duì)極端海況預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度高。運(yùn)用本方法可以實(shí)時(shí)對(duì)海域的波面進(jìn)行分析，對(duì)能夠發(fā)生畸形波的波群進(jìn)行檢測(cè)并預(yù)警，及時(shí)預(yù)報(bào)畸形波的出現(xiàn)位置和到達(dá)時(shí)間，從而可以減小極端海況對(duì)生命安全、海上結(jié)構(gòu)物安全造成的危害。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于海洋水動(dòng)力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種為預(yù)報(bào)突發(fā)災(zāi)害性海浪的方法。

背景技術(shù)

畸形波是指海面上波高超過2倍有效波高的大波，其能量高度集中，發(fā)生前沒有明顯征兆，能對(duì)生命安全、海上結(jié)構(gòu)物等造成嚴(yán)重的威脅。它不僅發(fā)生在深水中，在近岸淺水區(qū)域也時(shí)常發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年全球都有大量的由于畸形波導(dǎo)致的災(zāi)難事故發(fā)生。因此，如何準(zhǔn)確、快速的預(yù)測(cè)畸形波是亟待解決的問題。

實(shí)際海洋環(huán)境中，波浪常常以波群的形式出現(xiàn)，以往研究表明，畸形波往往在單一波群中演化而成。在傳統(tǒng)的波群識(shí)別方法中，波群往往通過波列中波高超過某個(gè)閾值的連續(xù)波高來確定，受人為因素影響較大，識(shí)別出來的只是部分大波，而不是完整的波群，而小波變換能夠獲得能量在時(shí)-頻上的分布，從能量角度可以清晰的識(shí)別出隨機(jī)波浪中的波群。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，定義了“尺度不均勻小波能量”，該值基于小波變換得到，根據(jù)它的局部極小值來識(shí)別波群。精確提取波群后，本發(fā)明又定義了一個(gè)新的表征波群參數(shù)的物理量：無量綱“最大尺度不均勻小波能量”，當(dāng)該值超過閾值220時(shí)，即可預(yù)計(jì)該波群會(huì)演化出畸形波。根據(jù)傅里葉變換提取出該波群各組成波的振幅和相位，通過線性波浪理論，即可推算出該波群可能產(chǎn)生的最大波高、發(fā)生時(shí)刻及持續(xù)時(shí)間。根據(jù)超過1000個(gè)波群的驗(yàn)證，該方法預(yù)報(bào)畸形波的準(zhǔn)確率可以達(dá)到80％以上，因此，本發(fā)明可以有效的實(shí)現(xiàn)畸形波的短期預(yù)報(bào)。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種基于波群識(shí)別的畸形波短期預(yù)報(bào)方法，步驟如下：

A、海洋實(shí)時(shí)波浪序列的波群識(shí)別

波浪由許多連續(xù)的波群組成，而畸形波常在某個(gè)單一的波群中演化而成。因此，準(zhǔn)確、快速的識(shí)別、分離波群是預(yù)報(bào)畸形波的前提與基礎(chǔ)。小波變換能夠快速得到波浪時(shí)-頻信息，在能量的角度對(duì)波群進(jìn)行很好的判別，但小波能量圖的生成速度較慢，且數(shù)據(jù)讀取不夠方便。因此，本發(fā)明基于波面的小波變換結(jié)果，建立了一種新型的波群識(shí)別方法，該方法能夠以二維坐標(biāo)圖的形式，直觀快速地進(jìn)行波群識(shí)別，步驟如下：

步驟1：對(duì)實(shí)時(shí)接收到的波浪時(shí)間序列x_n用小波變換處理，見公式(1)：

其中：*號(hào)表示復(fù)共軛，s是尺度參數(shù)，x(t)為實(shí)測(cè)波面序列，τ為與小波對(duì)應(yīng)的局部時(shí)間參數(shù)，ψ是由母小波ψ₀量綱一化所得結(jié)果，t為時(shí)間；

在波浪分析中，選用Morlet小波，如公式(2)所示：

其中：ω₀是母小波的譜峰頻率，取6.0；

步驟2：求出不同尺度s下小波能量的平均值，見公式(3)；接著得到每一時(shí)刻所有尺度能量最大值與平均值的差，定義為“尺度不均勻小波能量”，見公式(4)；圖1為一隨機(jī)波序列和對(duì)應(yīng)的小波能量圖，可以看出，在波群兩端，能量分布較為均勻，即各個(gè)尺度的能量最大值與平均值非常接近，因此，“尺度不均勻小波能量”取得極小值。而在波群內(nèi)，“尺度不均勻小波能量”較大。因此可以根據(jù)公式(4)，有效地提取波群；