星载雷达波谱仪反演海浪谱的精度研究

介绍了星载雷达波谱仪的观测原理及误差分析模型,并在Hauser等提出的SWI M(sea wave investigation and monitoring by satellite)的基础上分析了波谱仪反演海浪谱的波长分辨率和角度分辨率。为了减小反演调制谱的波动,在数据处理过程中时域和波数域相邻单元的平均个数分别为10和8个。系统在不同的模式下工作,为了获取20°的角度分辨率,对调制谱平均次数分别取3次(模式1)、7次(模式2)、10次(模式3)。使用解析法和仿真法分析了SWI M工作在模式2时海浪谱观测的能量误差,两种方法的结果一致。对于给定的海浪条件,能量误差小于20%。     

海浪资料的平滑和海浪谱谱矩估计

基于海浪谱估计理论，按谱估计方法导出了离散波面记录平滑处理后的谱形式，并计算了由各阶谱矩表示的谱宽度。指出平滑后的离散波面记录产生了新的随机过程，它们和原离散波面记录的内部结构和外部特征是完全不同的。但高阶矩表示的无因次谱宽度，即ε5=√1-m5^2/m4m6,ε7=√1-m7^2/m6m8几乎不受平滑（N=2，N=3）的影响，和原始谱的对应值相吻合。通过离散波面记录求导处理得波面速度谱，与理论转换得速度谱结果几乎完全一致。     

外观海浪谱的比较和验证

不同于通常意义下的海浪谱(以下简称为“内频谱”),外观海浪谱描述的是海浪能量随外观频率的分布,它可以依据表征海浪外观统计特征的波高与调期联合分布从理论上确定.本文在Huang、孙孚等已有工作的基础上,对外观海浪谱进行了较为深入的研究.首先,纠正了Huang等论文中的某些错误,并将Huang、孙孚等据不同的联合分布导出的外观海浪谱进行比较;然后,分别计算这两种外观海浪谱的前三阶矩,并与内频谱的矩进行比较;最后,用实验和现场资料对从理论上导出的外观海浪谱进行验证.结果发现,当谱宽度v≤0.3时,外观海浪谱矩与内频谱矩差异很小,理论谱形与实测结果也非常接近.因而,在实际问题的应用中,若谱宽度不大,则就可以用本文讨论的外观海浪谱去替代目前从理论上尚不能得到的通常意义下的海浪谱.     

波谱仪调制功率谱估计算法性能的仿真研究

基于星载波谱仪海浪方向谱探测原理,仿真了不同海况、风速下的海浪波谱仪接收信号,并采用周期图法、Welch法、AR模型法以及最小方差法共4种不同的调制谱估计方法反演出海浪谱,比较各种调制谱估计方法的海浪方向谱反演性能。仿真结果表明:对于一定方位向下的一维海浪谱反演,不同调制谱估计方法反演海浪谱性能优劣没有绝对的顺序。对于二维海浪谱反演,在成长中海浪条件下周期图法反演性能最差,其他3种方法的反演性能没有绝对优劣顺序;对于成熟风浪,最小方差法在积分能量误差、有效波高误差两个指标上的反演性能最好,在主波波向、主波波长误差上,周期图法反演性能最差,其他3种方法没有绝对优劣顺序。在涌浪条件下,AR模型法反演性能优于其他3种方法。在不同海况下,随着波谱仪中心入射角的下降,反演性能会下降。基于这些仿真结果,本文推荐最小方差法作为充分成长海浪的海浪方向谱反演的调制谱估计方法,AR模型法作为涌浪海浪方向谱反演的调制谱估计方法。     

海浪方向谱阵列资料实例分析

根据傅氏级数展开法和贝叶斯方法,对现场获得的阵列资料进行了方向谱实例分析。结果表明,实测风浪方向谱能量的相对分布与相应的波场类型密切相关。涌浪和由稳定风场引起的风浪方向谱各组成波能量相对于方向呈单峰对称分布。大风引起的风浪方向谱能量的相对分布,虽也近似为单峰,但对称性差。不同波场类型的风浪方向谱各组成波的谱密度极值方向不同,表明不同频率的组成波有不同的主方向。     

星载高级合成孔径雷达波模式算法及其反演数据精度验证

搭载在欧洲环境卫星(ENVISAT)上的高级合成孔径雷达(Advanced Synthetic Aperture Radar,ASAR)二级波模式数据提供了诸多海浪信息包括有效波高、波向、波长和二维海浪谱等,在海浪预报模式中具有重要作用。本文拟利用浮标观测数据对ASAR波模式算法及其反演数据精度进行对比验证。由于SAR卫星在海面的特殊成像机制,不同海况下会有不同的测量结果,通过与美国国家浮标中心(NDBC)的浮标数据对比,显示ASAR有效波高在高海况下低估和在低海况下高估的现象,在中等海况下的测量结果较优。通过研究ASAR数据集中对应的海浪谱,按照能量与方向分布可分为四种类型:单一方向海浪谱(Ⅰ类谱),180°方向模糊海浪谱(Ⅱ类谱),海浪两个方向且能量分布杂乱(Ⅲ类谱),多个传播方向且谱型杂乱海浪谱(Ⅳ类谱)。探究在不同类型下的海浪参数的精度,结果表明在单一波向正常海浪谱情况下,有效波高、波向与浮标数据一致性较好,存在180°方向模糊的对称海浪谱仅有效波高精度较高,谱型杂乱的海浪谱海浪有效波高和波向反演结果均较差。     

贝叶斯统计方法在海浪方向谱研究中的应用

较详细介绍了贝叶斯统计方法在海浪方向谱估计中的应用,指出先验分布的不同对估计结果没有影响,由于均匀分布与最大熵原则相对应,使其具有某种特殊性.数值模拟表明贝叶斯方法对双峰方向分布估计的有效性,将其应用于黑海实测资料,证明双峰方向分布的出现依赖于估计方法分辨力的大小,而用最大似然法得到的双峰方向分布值得怀疑.最后给出出现双峰方向分布的一种可能物理解释.     

使用2D FFT优化计算海浪波高模型

介绍了使用Phillips谱构建海浪波高模型的一般过程,提出了2DFFT的优化方法,提高了计算机的执行效率,解决了海浪数字仿真中的动态数据生成等问题。     

实测海浪方向谱的统计特征

本文根据仪器阵列测量和“９５６”测波浮标获得的个例方向谱资料,分析了不同波场类型的实测方向谱形状;计算了海浪能量相对于方向和频率的实际分布;结合实测的风要素,探讨了由台风边缘大风和寒潮大风引起的风浪峰频组成波方向与风向的对应关系。     

高频地波雷达反演海浪的海上对比验证方法研究

在介绍高频地波雷达反演海浪要素工作原理的基础上 ,利用 2 0 0 0年 10月在浙江舟山海域进行的 OSMAR2 0 0 0和 SZF1- 海上对比验证实验中所获取的资料进行系统比较分析 ,验证了OSMAR2 0 0 0探测海洋海浪要素的精度 ,并分析了 OSMAR2 0 0 0反演海浪时的误差成因     

旋转层化二维海洋波动连续谱的波包特征分析

对旋转层化二维海洋波动中重力惯性波和涡旋波连续谱波包的结构以及演变特征作了计算和分析,并得到以下结论:这两类波动的结构与演变各不相同。连续谱波包的演变不但依赖基本场的分布,而且还依赖初始扰动的结构。根据初始场的不同,扰动可衰减,也可先增长、再衰减,有时增长还很大,但其最终是衰减的。连续谱波包的结构随时间变化,然而构成该波包的连续谱其结构则不随时间变化,这是两者的最大差异。连续谱波包的上述演变特性表明,在有限时段扰动的演变中连续谱是不能被忽略的,在海洋波动演变中连续谱和离散谱的作用均须予以考虑和重视。     

基于拟层流风波生成机制的海浪谱模型

海浪谱的能量可以视为由具有不同相速度的谐波携带的能量所组成。基于对风波形成、发展过程的认识,认为各组成谐波的能量由谐波自平均风摄取而来,由此根据拟层流模型推导出谐波能量密度的计算公式,建立以等效风速和峰值频率等为基本参数的海浪谱模型——随机Fourier函数模型,并给出了确定谐波频率、波长、相速度、振幅以及等效风速等模型参数的原则和计算方法。在59个实测样本谱基础上,采用随机建模方法确定模型参数的取值及其概率分布。结果表明,海浪谱模型可以很好地预测谱能,所计算的物理谱与实测谱均值吻合良好。     

Measurements of ocean wave spectrum from airborne radar at small incidence angles

This paper proposes the retrieval method of ocean wave spectrum for airborne radar observations at small incidence angles, which is slightly modified from the method developed by Hauser. Firstly, it makes use of integration method to estimate total mean square slope instead of fitting method, which aims to reduce the affects of fluctuations superposed on normalized radar cross-section by integration. Secondly, for eliminating the noise spectrum contained in signal spectrum, the method considers the signal spectrum in certain look direction without any long wave components as the assumed noise spectrum, which would be subtracted from signal spectrum in any look direction for linear wave spectrum retrieval. Estimated ν from the integration method are lower than the one from fitting method and have a standard deviation of 0.004 between them approximately. The assumed noise spectrum energy almost has no big variations along with the wave number and is slightly lower to the high wave number part of signal spectrum in any look direction, which follows that the assumption makes sense. The retrieved directional spectra are compared with the buoy records in terms of peak wavelength, peak direction and the significant wave height. Comparisons show that the retrieved peak wavelength and significant wave height are slightly higher than the buoy records but don’t differs significantly (error less than 10%). For peak direction, the swell waves in first case basically propagate in the wind direction 6 hours ago and the wind-generated waves in second case also propagate in the wind direction, but the 180? ambiguity remains. Results show that the modified method can carry out the retrieval of directional wave spectrum.     

Three-dimensional dynamic sea surface modeling based on ocean wave spectrum

In conventional marine seismic exploration data processing, the sea surface is usually treated as a horizontal free boundary. However, the sea surface is affected by wind and waves and there often exists dynamic small-range fluctuations. These dynamic fluctuations will change the energy propagation path and affect the final imaging results. In theoretical research, different sea surface conditions need to be described, so it is necessary to study the modeling method of dynamic undulating sea surface. Starting from the commonly used sea surface mathematical simulation methods, this paper mainly studies the realization process of simple harmonic wave and Gerstner wave sea surface simulation methods based on ocean wave spectrum, and compares their advantages and disadvantages. Aiming at the shortcomings of the simple harmonic method and Gerstner method in calculational speed and sea surface simulation effect, a method based on wave equation and using dynamic boundary conditions for sea surface simulation is proposed. The calculational speed of this method is much faster than the commonly used simple harmonic method and Gerstner wave method. In addition, this paper also compares the new method with the more commonly used higher-order spectral methods to show the characteristics of the improved wave equation method.     

星载合成孔径雷达海浪图像谱仿真研究

利用Hasselm ann 的完全非线性积分方法对文氏海浪谱的星载合成孔径雷达(SAR)图像谱进行了仿真研究。结果表明: (1) 在星载SAR海浪成像过程中, 速度聚束调制远比水动力调制、倾斜调制和距离向聚束调制重要;(2) 图像谱有180°的方向模糊和方位向的高波数截断,距离向传播海浪的图像谱存在双峰现象; (3) 不同极化方式和雷达视向的选取对图像谱无明显影响, 因而对于海浪的星载SAR遥感而言, 可以采用单一极化和单一视向。对于不同成长状态的风浪而言, 以上结果保持不变。     

GPS浮标数据反演海浪谱的理论仿真与试验验证

GPS浮标作为一种新型的海洋测量设备,近年来在海面高度现场测量和星载高度计定标方面取得了重要应用。通过仿真试验对反演海浪谱的方法和流程进行研究,旨在探索从GPS浮标测量的海面高度序列中提取海浪谱的方法。首先,使用Longuest模型生成了海浪波面位移时间序列,并通过Pierson-Moscowitz风浪谱对波面位移的统计特性进行约束,其随机性由相位引入。结合典型潮汐和GPS浮标仪器噪声的仿真时间序列,合成了仿真时间长度1h的1Hz(每秒1次)随机海面高度序列。然后,利用自相关函数法,进行高通滤波和数据压缩,得到了仿真的海浪谱。该仿真结果和理论海浪谱非常接近,可满足海浪谱反演的需求。最后,通过山东石岛外海的GPS浮标现场试验,验证了本文提出的反演方法的适用性。本文的研究解决了GPS浮标反演海浪谱的关键问题,丰富了海浪谱反演的手段,拓展了GPS浮标的应用领域,有望为未来我国的星载波谱仪定标服务。     

Deep ocean wave energy conversion using a cycloidal turbine

A lift based wave energy converter, namely, a cycloidal turbine, is investigated. This type of wave energy converter consists of a shaft with one or more hydrofoils attached eccentrically at a radius. The main shaft is aligned parallel to the wave crests and submerged at a fixed depth. In the two-dimensional limit, i.e. for large spans of the hydrofoil (or an array of these), the geometry of the converter is suitable for wave termination of straight crested Airy waves. Results from two-dimensional potential flow simulations, with thin hydrofoils modeled as either a point vortex or discrete vortex panel, are presented. The operation of the cycloidal turbine both as a wave generator as well as a wave-to-shaft energy converter interacting with a linear Airy wave is demonstrated. The impact on the performance of the converter for design parameters such as device size, submergence depth, and number of hydrofoils is shown. For optimal parameter choices, simulation results demonstrate inviscid energy conversion efficiencies of more than 99% of the incoming wave energy to shaft energy. This is achieved using feedback control to synchronize the rotational rate, blade pitch angle, and phase of the cycloidal wave energy converter to the incoming wave. While complete termination of the incoming wave is shown, the remainder of the energy is lost to harmonic waves traveling in the up-wave and down-wave directions.     

基于射线理论的海脊俘获波机制

虽然众多现场实测资料和数值模拟均表明海脊可以俘获海啸波并引导其传播至远场地区,带来严重的灾害,但少有研究阐述其产生机理。本文基于射线理论,推导了指数型海脊上波浪传播轨迹的理论解,并提出了震源位于海脊顶部的海啸被海脊完全俘获的条件。基于该俘获条件进一步给出了海脊对海啸俘获效率的表达式,用以评估海啸中被海脊俘获影响至远场的能量占海啸总能量的比例。     

现场波浪观测技术发展和应用

介绍与海洋工程有关的应用于水下、水面、水上和太空不同空间位置的现场波浪观测技术。根据不同仪器量测的基本原理,分析其对工程应用的适合性和局限性;并讨论了现场波浪观测的发展趋势以及我国应采取的对策。