波浪浮标海浪谱估计及风涌分离技术研究

作     者：王佳昕 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：卢志忠

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0816[工学-测绘科学与技术] 

主      题：SZF型波浪浮标 功率谱估计 方向谱估计 风涌分离 

摘      要：随着我国海洋力量的不断发展壮大,海洋观测在我国海洋强国的建设中起到了越来越大的作用。海浪谱是随机海浪的一个重要的统计特征,对于海洋观测来说具有重要的意义。海洋表面的浪在大绝部分时间、区域内都是由风浪和涌浪混合组成的,风浪与涌浪的内部性质与外部表观均有着很大的差异,两者对于海上的科学研究、舰船航行等也有着完全不同的影响。因此,对于海浪谱估计和风涌分离的技术研究具有重要的意义。故本文以科研项目获得的SZF型波浪浮标实测海浪数据为依托,对波浪浮标的海浪谱估计及风涌分离技术进行研究。本文查阅了大量的国内外论文,发现大多数进行海浪谱估计的研究中都是使用经典的谱估计法来实现的,几乎很少使用现代的海浪谱估计方法。故本文利用波浪浮标采集的海浪数据,使用AR模型法、扩展本征矢法进行海浪功率谱估计和方向谱估计研究。为实现风、涌浪的分离并选取一种更适用于工程应用的风涌分离方法。本文利用估计得到的海浪谱分别使用四种具有表性的风涌分离方法进行实验,将分离结果对比分析,得出一种更适用于工程应用的风涌分离方法。首先本文使用3σ异常值检测原则与基于权重的异常值替代方法对浮标采集到的海浪数据进行预处理。提出AR模型法对处理后的数据进行海浪功率谱估计并得到性能较好的海浪功率谱。使用扩展本征矢法实现海浪方向谱的反演,得到性能较好的海浪方向谱。利用估计得到的海浪谱实现了对海浪波要素的求取计算。其次对具有典型代表意义的几个风涌分离方法:频谱积分法、固定频率法、OP法和PM法的方法原理与分离步骤进行了详细地介绍。在纯风浪和风涌浪混合的两种海况下,使用上述四种方法对估计得到的海浪功率谱进行处理,将波向、频率变化趋势图作为对参考检测四种方法的分离性能,进行风涌分离实验研究。结果表明,浮标平台下频谱积分法进行风涌分离可以得到很好的效果,更适用于工程应用中。最后使用PM谱模型作为真实的靶谱对估计得到的海浪功率谱进行谱估计质量的衡量,结果表明使用AR模型法进行海浪谱估计可以得到性能很好的海浪功率谱。以二维谱风涌分离方法进行风涌分离实验后得到的海浪波要素作为对比项与频谱积分法进行对比,结果表明它们的相关性较好。通过大量的实验对比,表明使用一维的频谱积分法可以得到满意的分离结果。