海浪谱估计方法分析与szf型波浪浮标数据分析软件设计

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1、海浪谱估计方法研究及SZF型波浪浮标数据分析软件设计0引言0．1海浪测量及海浪谱的重要意义当今世界，科学与经济技术迅猛发展，人口急剧增加，地球上陆地自然资源同趋紧张，能源和矿产资源匮乏成为如今各国可持续发展所需解决的重要问题之一。海洋，占地球表面积的70％多，蕴藏丰富的能源和矿产资源，具有丰富的渔业资源，海洋讵成为人类重要的资源来源，在解决资源匮乏这个问题的进程中必将扮演一个重要角色。另外，海洋对全球气候的变化有很大影响，甚至对全球气候起决定作用，而气候的变化又会反作用与海洋，只有对海洋作深入研究，爿‘能真J下系统的研究整个地球的气候。所以，近年来世界各国都十分重视对海洋的研究和丌发，纷纷

2、投入大量的人力物力，启动海洋研究计划，为可持续发展战略服务。海洋观测是研究海洋、丌发海洋和利用海洋的基础。海洋观测仪器是海洋观测的工具和手段。海洋资料是海洋观测、海洋调查的初步结果，是发展海洋事业的重要基础(孙仲汉1999)。海浪历来是重要的海洋水文要素之一，它与海上运输、海洋石油和其他矿产勘探开发、海洋渔业、海洋工程和海上军事活动等人类海上活动都有十分密切的关系；从科学的角度看，海浪与海气能量和物质交换有着十分密切的关系，研究海洋大气相互作用机理，必然要研究海浪。要研究海浪，掌握其产生、增长，消亡的规律，必然需要大量实测海浪资料，为获得准确得海浪实测资料，就需要精度较高的测量海浪的仪器，

3、因而研究海浪测量方法和仪器意义十分重大。海浪谱(功率谱和方向谱)是随机海浪的一个重要统计性质，它不仅包含着海浪的二阶信息，而且还直接给出海浪组成波能量相对于频率和方向的分御，这正是海洋工程和航海领域等特别关心的。谱方法已经成为研究海浪及其有关问题的有力工具，如何确定海浪谱(功率谱和方向谱)也成为海浪研究的中心问题之一。海浪频谱不仅给出固定点海浪组成波能量相对于频率的分和，而且由其谱矩可直接计算海浪两个最基本的特征量：平均波高，平均周期。所以获取海浪的频谱和方向谱具有理论和应用双重意义(徐德伦等，2001)。本文的目的是就是探索适用于SZF型波浪浮标海浪原始数据处理，获取海浪功率谱和方向谱的

4、方法，在此基础上编写SZF型波浪浮标实时数据分析软件。海浪谱估计方法研究及SZF型波浪浮标数据分析软件设计0．2测波仪的发展现状及其谱估计方法介绍九五期间，由国家863计划支持研制波浪方向浮标，2000年底研制成功，随后在国内推广(唐原广，2000)，九血期间取得的成果是SZF型波浪浮标标准化定型的基础。在国外，己推向市场，具有波向测量功能的浮标可分为两大类：水下测鼍浮标和表面测量浮标。水下测量浮标最具代表性的是美国InterOcean公司出品的S4电磁海流、波浪方向浮标以及美国WoodsHole研究所出品SeaPac2100电磁海流、波浪方向浮标，英国ValePort公司出品的730D方

5、向浮标。表面测量浮标主要有美国的1156波浪跟踪浮标、荷兰的波浪骑士方向浮标以及加拿大AXYS公司出品的波浪方向浮标。目前国外的这几种表面波浪方向浮标技术较为成熟，尤其是荷兰DATAWELL公司的波浪骑士方向浮标自80年代推出以来，以其优良的可靠性、稳定性为世界公认(唐原广，2000)。以上仪器大都采用FFT算法获取海浪功率谱，通过估计序列交叉谱获取方向谱。比如：S4是通过估计压力和流速的两个分量三个序列的交叉谱从而估计方向谱，DATAWELL公司的波浪骑士是通过估计浮标本身竖直位移和水平位移的两个分量三个序列的交叉谱从而估计方向谱。由交叉谱估计方向谱常用的方法有傅立叶级数法、最大似然法、

6、最大熵法、贝叶斯法、本币矢法等，每种方法各有其特点。水下测量仪器主要优点是系统安全性较强，被视为恶劣环境海区中理想的测量仪器，但是在是实时传输测量数据方面存在较大困难，国内外此类仪器大多没有实时数据传输功能，采用仪器自容数据的方式，待仪器回收后，获得测量数据：少数有实时数据传输功能的也是采用有缆方式，使用不太方便。另外，水下测量仪器多采用压力原理测量海浪，丽随海水深度增加，水下某点压力的变化不能真实反应海面水柱高度的变化，特别是海水较深时，压力式测波仪会产生明显误差。SZF型波浪浮标是表叫测波仪器，表面测波仪器且l然安全性不如水下测量仪器，但只要选择合适的铺系，基本不受海水深度的限制，可用

7、于大洋波浪的测量，还可随船使用。对于，易被碰掩的缺点，锚灯功率一定的前提下，选用亮度大的锚灯减少夜间被撞的可能；通过加强立法和宣传，可减少被盗的可能性。海浪谱估计方法研究及SZF型波浪浮标数据分析软件设计0．3SZF型波浪浮标介绍SZF型波浪方向浮标是出中国海洋大学研制的、无人值守的、能自动、定点、定时(或连续)地对海面波浪高度、波浪周期及波浪传播方向等要素进行遥测的小型浮标测量系统。SZF型波浪浮标采用重力加速度原理进