[发明专利]基于惯性测量的海浪谱计算方法

说明书

本发明公开一种基于惯性测量的海浪谱计算方法，包括以下步骤，获取预设时间内的N组水平系加速度；对水平系的X轴和Y轴加速度进行矢量分解，得到地理坐标系正东方向和正北方向的加速度分量，分别定义为东方向加速度A_E以及北方向加速度A_N；计算各变量之间的协交谱和自交谱，获得对应的序列；根据序列C₁₁、Q₁₂、Q₁₃、C₂₂、C₃₃和C₂₃计算方向谱的傅里叶分解的前M个系数，M≥2，将M个系数合成方向谱，并对方向谱进行平滑。本发明采用东方向加速度、北方向加速度、水平系垂直位移序列3个时间序列间的交叉谱来获取方向谱、平均波向和主波向，相对于传统方法，可解决因浮标尺寸形状较大而造成浮标晃动倾斜角较小甚至无倾斜状况而造成的方向谱计算误差。

技术领域

本发明涉及海洋观测应用领域，尤其涉及一种基于惯性测量的海浪谱计算方法。

背景技术

研究海洋波浪，通常将波浪视为多组随机的正弦波叠加而成，每一组正弦波的频率不同但高度均值为零，从而叠加得到波面高度的平均值为零，即不随时间发生变化。通常来说，波浪在很短的观测时间间隔内(10-30分钟)，高度方差的变化很缓慢，可将海浪在此期间变化视为准平稳随机过程。因此，利用谱方法以随机过程来描述海浪成为一种非常重要研究途径。海浪谱包括功率谱S(f)和方向谱S(f,θ)。海浪功率谱S(f)是反应能量的密度分度，给出不同频率组成波提供的能量相对于频率的分布。一般来说，对于海浪组成波中，能量主要由集中在一狭窄频率带内的组成波提供，而功率谱两端的频率很小或很大者，提供的能量很小。这种海浪谱特征反映到海洋的肉眼客观的表现为：某海区海浪高低长短不齐，但其中小频率(长周期重力波)和高频率(短周期毛细波、碎杂波等)的波高很小，而其中会有一些周期性明显的大浪占据着主要地位。方向谱S(f,θ)为反应海浪内部方向结构的能谱，可给出不同方向上各组成波的能量相对于频率的分布。就给定波浪频率而言，方向谱可给出不同方向间隔内的能量，也就是给定频率的组成波能量相对于波向的分布。

国内外主要将波浪测量系统(惯性波浪传感器、压力式波浪传感器等)安装在浮标内用于获取波浪特征参数，通过横滚角(roll)、俯仰角(pitch)、垂直方向位移(D_Z)这3个时间序列间的交叉谱计算来获取方向谱、平均波向和主波向(称为PRZ方法)。但当浮标尺寸形状较大时，容易造成浮标晃动倾斜角较小甚至无倾斜的状况，导致方向谱计算出现误差。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于惯性测量的海浪谱计算方法，主要解决大尺寸浮标晃动倾斜角较小或无倾斜导致方向谱计算存在误差的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于惯性测量的海浪谱计算方法，包括以下步骤：

获取预设时间内的N组水平系加速度，N≥2；对所述水平系的X轴和Y轴加速度进行矢量分解，得到地理坐标系正东方向和正北方向的加速度分量，分别定义为东方向加速度A_E以及北方向加速度A_N；对所述水平系的Z轴加速度进行2次频域数值积分得到水平系垂直位移序列D_Z，计算所述水平系垂直位移序列D_Z的自交谱，得到序列C₁₁；计算所述水平系垂直位移序列D_Z与所述东方向加速度A_E的正交谱，得到序列Q₁₂；计算所述水平系垂直位移序列D_Z与所述北方向加速度A_N的正交谱，得到序列Q₁₃；计算所述东方向加速度A_E的自交谱，得到序列C₂₂；计算所述北方向加速度A_N的自交谱，得到序列C₃₃；计算所述东方向加速度A_E和所述北方向加速度A_N的协交谱，得到序列C₂₃；根据序列C₁₁、Q₁₂、Q₁₃、C₂₂、C₃₃和C₂₃计算方向谱S(f,θ)的傅里叶分解的前M个系数，M≥2，将M个所述系数合成所述方向谱S(f,θ)，并对所述方向谱S(f,θ)进行平滑。