海面微结构图像数据处理算法与系统集成

摘要

海面微尺度波主要是指毛细波和毛细重力波，通常骑行在长重力波上，它是影响海-气界面动量、热量和物质交换的重要因素。国家海洋局第一海洋研究所在国家863项目的支持下研制出基于颜色编码原理的“海面微结构光学测量装置”，并进行了大型动力实验水槽和海洋现场实验，获取了大量的海面微结构图像数据。 本文利用“微结构光学测量装置”获取的图像数据开展了数据处理方法研究，给出了微结构图像波面斜率校准、斜率波数谱提取和频率谱提取方法。首先进行了海面微结构图像的波面斜率校准研究，分析了标准定标小球两次折射的影响，给出了利用净水面图像提取微尺度波斜率时系统误差修正方法。在此基础上，指出标准小球定标过程中噪声点对定标结果的影响不可忽视，实际处理时必须将噪声点滤除，并给出滤除阈值。其次，利用校准后的斜率计算得到微尺度波的有效波高，进而计算微尺度波的斜率波数谱和频率谱。但由于海面微结构图像大小有限，这样长重力波被有限截断，导致在谱分析时出现频率混叠，即Gibbs现象。因此本文引入二维EMD(经验模态分解)方法滤除造成频率混叠的长重力波，然后进行傅立叶变换，得到海面微尺度波谱，进一步处理得到斜率波数谱和频率谱。斜率波数谱提取结果表明i波数在约小于37rad/cm时，波数谱以波数的-3次方下降；在波数约为3rad/cm时，出现了“dip”现象，此现象与国外已有结果一致。频率谱提取结果表明：频率谱按照频率的幂指数率下降，但利用实验计算结果和半经验模式结果的幂指数的值有差异。再次，分析了微尺度波斜率波数谱以及频率谱对风速的依赖性，得到了共同的变化特征：谱值随风速的增加而增加，但增加的幅度随风速增加而减小。最后，将上述算法集成为“海面局部微尺度图像数据处理系统”。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1研究意义

1.2国内外研究进展

1.3本文工作

第2章海面微结构图像的波面斜率校准

2.1海面微结构光学测量装置简介

2.2标准定标小球定标过程中采样的影响

2.3标准定标小球二次折射的影响

2.4标准定标小球在视场中的位置对定标的影响

2.5小结

第3章微结构图像中微尺度波斜率波数谱提取以及对风速的依赖性研究

3.1斜率波数谱的定义

3.2斜率波数谱计算

3.2.1根据定义直接计算

3.2.1使用二维EMD方法获取微尺度波数谱

3.3斜率波数谱关于风速的依赖性分析

3.4小结

第4章微结构图像中微尺度波频率谱提取以及对风速的依赖性研究

4.1频率谱的定义

4.2频率谱计算与结果分析

4.2.1频率谱计算

4.2.2结果分析

4.3频率谱关于风速的依赖性分析

4.4小结

第5章微结构数据处理算法系统集成

5.1需求分析及平台选择

5.2系统设计

5.2.1系统结构组成

5.2.2系统功能设计

5.3系统界面与应用

5.4小结

第6章结论与下一步工作

6.1结论

6.2下一步工作

参考文献

完成学术论文情况

致谢