被动声学测波新方法的实验研究及应用

摘要

海浪是海洋中最常见的现象之一,是岸滩演变的重要动力和海岸工程结构物设计施工的主要考虑因素,对海洋经济、海洋资源的开发利用,海上军事活动,海洋工程的选址、规划、设计、施工和日常营运等均有重大影响。海浪的观测与计算不仅有助于了解海浪的生成、生长机制,搞清海浪的内部结构和外在特征,还可为港口与桥梁的设计及海洋石油平台的建造等海洋工程提供所必需的海浪参数。随着科技的不断发展,以及海洋环境的特殊性,对测波仪器的性能提出了更高的要求。
　　 根据传统测波方法的现状和现场监测的需要,基于水听器和同步压力传感器在波浪频率范围内带通滤波后的信号一致这一观测事实,本文提出了一种简便快捷和经济实用的被动声学测波方法。该方法通过对滤波后的声学信号进行谱估计,得到的声压谱经传递函数和补偿因子修正后,即可得到表面波谱,进而计算统计波浪要素。基于该原理,借助于虚拟仪器开发平台,通过软硬件的合理结合,设计开发出了一套准确高效、界面友好的便携式声学测波系统。在实验室初步验证后,先后两次分别将该系统应用于莱州湾及芝罘岛的海上监测,并对比压力测波法同步测量数据,表明被动声学测波方法所测的波浪要素是合理可靠的。
　　 该系统具有较强的可扩展移植性,满足海洋观测任务多样性的需求。结合水听器测量波面破碎的原理,本文扩展了该被动声学测波系统,使之可同时获得波面破碎和波群信息;根据现有观测资料,对前人提出的破碎和群性之间的定性关系进行了验证。由于破碎和波群信息均由同一个水听器获得,保证了测量信息的同步性,使二者关系的分析更加可靠,结果更加可信。
　　 基于风浪破碎统计特征的理论模式,结合水听器测量波浪破碎的原理,本文进一步将该被动声学测波系统应用至海面天气的探测。通过水听器测量平均周期和破碎率等参数,合理的反演出海面局地风速;通过水听器信号的方差分析,估计海面的降雨信息。该系统充分发挥了其水下无接触测量的优势,具有安全、隐蔽和易于移动的优越性,尤其适合于海洋军事的需要。

目录

文摘

英文文摘

1.绪论

1.1 现场波浪观测技术综述

1.1.1 重力式测波法

1.1.2 压力式测波法

1.1.3 测波杆法

1.1.4 声学测波法

1.2 水上测波方法综述

1.2.1 立体摄影法

1.2.2 激光测波法

1.2.3 雷达测波

1.3 卫星遥感测波方法综述

1.4 波浪测量技术发展趋势

1.5 本文的研究内容

2.被动声学测波方法

2.1 方法的提出

2.2 观测数据处理方法

2.2.1 预处理

2.2.2 快速带通滤波

2.2.3 谱估计

3.被动声学测波系统的开发

3.1 虚拟仪器概述

3.1.1 虚拟仪器的产生与发展

3.1.2 虚拟仪器的特点

3.1.3 虚拟仪器的结构及分类

3.1.4 面向对象的图形化编程语言——LabVIEW

3.2 系统硬件组成

3.3 系统软件设计

3.3.1 软件功能设计

3.3.2 程序实现

3.4 仪器率定与实验室验证

3.4.1 仪器率定

3.4.2 测波系统验证

4.海上观测验证

4.1 莱州湾船基观测

4.1.1 观测方案

4.1.2 结果分析

4.2 芝罘岛岸基观测

4.2.1 观测方案

4.2.2 结果分析

5.被动声学测波方法的应用

5.1 海浪群性与破碎的定性关系验证

5.1.1 声学测量海面破碎原理

5.1.2 系统扩展设计及结果

5.2 声学探测海面天气

5.2.1 海面风速的测量

5.2.2 海面降雨的识别

5.2.3 系统扩展设计

6.结论

附录公式(5.4)的推导和个例验证

参考文献

创新点

个人简历

发表的学术论文

致谢