基于波数谱的风涌分离算法研究

摘要

海浪在海洋活动中是非常常见的一种表现形式。大多数情况下，海况都是受到风浪和涌浪的共同影响，但是风浪和涌浪的外在表现形式和内部机制差别很大。在不同沿海海域和受到不同气象环境作用下，风浪和涌浪在海浪谱中通常以双峰谱或者多峰谱的表现形式居多。海况由于受到风浪和涌浪的共同影响，将导致海浪参数波向、波高和波周期等改变了原来的物理意义，因此研究风涌的分离和识别就变得尤为迫切。本文基于“舰载X波段航海雷达海浪反演技术”科研项目，对雷达图像数据的风涌分离做出了研究。
　　本文在研究分析国内外大量文献后发现，现有对风涌分离进行分析研究的谱方法所进行实验的海浪数据全部采用的是浮标数据，几乎没有依据X波段航海雷达图像反演海浪谱来进行风涌分离的研究，因此本文基于航海雷达数据对实现风浪和涌浪的分离方法进行了研究。目前，利用谱方法对风涌实现分离主要有两种方法:一维谱方法和二维谱方法。由于利用一维谱方法进行风涌分离考虑的信息相对较少，因此在实际应用中较为广泛。利用二维谱方法进行风涌分离的效果最明显、最可靠，但是使用二维谱方法进行风涌分离需要考虑的信息相对较多，因此在实际应用中做起来相对而言比较困难。
　　本文首先介绍了利用航海雷达图像数据提取海浪谱的方法，先预处理选取的图像序列，然后对图像中的干扰信号进行滤除，接着对处理过后的雷达图像序列进行傅里叶变换等其它一系列操作，最终得到海浪谱。在只有风浪与风涌共存混合浪两种不同的海况下，使用PM和OP这两种方法分别对得到的航海雷达一维谱进行谱分割，并将频率和波向之间的变化关系作为参考对分离结果进行检验。实验结果表明，相对于PM方法，使用OP方法进行分离的效果比较明显。在风浪和涌浪分离的基础上计算出风浪系统和涌浪系统的有效波高和波周期参数。
　　对二维方向谱的表示方法和相关知识进行了简要描述。然后设计流程图，根据设计的流程图来详细研究算法的步骤。首先是波峰的分割，把海浪谱分为不同的分区，然后是风浪的识别与合并，用波龄的方法把风浪系统从所有波系统里识别出来，然后是涌浪系统的识别与合并，最后通过能量阈值检测滤除虚假的分区。对纯风浪和混合浪的分离结果表明能够实现风浪和涌浪的分离。
　　对相同时间和相同区域的雷达和浮标数据进行风涌分离，计算并对比分离后的海浪参数。结果表明两种平台下的海浪参数相关系数较高。最后由风浪波高和风信息之间的关系验证了在X波段航海雷达平台下可以实现风涌分离。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1本文的研究目的、背景和意义

1．2风涌分离的研究现状

1．2．1国外的研究现状

1．2．2国内的研究现状

1．3本文的主要研究内容

1．4本文的章节安排

第2章基于X波段航海雷达图像的海浪谱提取技术

2．1 X波段航海雷达简介

2．1．1雷达作用距离

2．1．2雷达的分辨力

2．1．3雷达散射截面积

2．1．4 X波段航海雷达成像原理

2．2海浪监测设备组成及工作原理

2．3图像预处理

2．3．1图像的预处理

2．3．2傅里叶变换

2．3．3波数-频率能量谱的获取

2．3．4海表层流的反演

2．3．5调制传递函数

2．3．6坐标变换

2．4雷达图像反演海浪谱

2．4．1区域选取

2．4．2海浪谱的提取

2．5本章小结

第3章一维海浪谱风涌分离的方法研究

3．1海浪谱模型

3．1．1 PM谱模型

3．1．2 JONSWAP谱模型

3．2一维海浪谱风涌分离方法

3．2．1 PM方法

3．2．2 OP方法

3．3一维海浪谱的波系统参数

3．4纯风浪海况下的风涌分离

3．5风涌混合浪海况下的风涌分离

3．6本章小结

第4章基于X波段航海雷达图像的二维风涌分离算法

4．1二维海浪谱的风涌分离方法

4．2频率方向谱的表示方法

4．3二维海浪谱的风涌分离算法

4．3．1波峰分割

4．3．2风浪波峰的识别与合并

4．3．3相交涌浪波峰的识别与合并

4．3．4能量阈值检测

4．4基于X波段航海雷达的风涌分离算法实现

4．5本章小结

第5章风涌分离算法性能验证

5．1风涌分离的验证设计

5．2计算海浪参数及误差分析方法

5．2．1计算海浪参数

5．2．2误差分析方法

5．3．1实验数据的选取

5．3．2风涌分离的算法验证

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢