一种适用于波浪图像的波浪方向谱算法制造技术

本发明专利技术涉及海洋波浪方向谱计算技术领域，具体为一种适用于波浪图像的波浪方向谱算法，通过分析前后时间点的波浪图像或者波浪视频中的相邻几帧的图像，得出按照时间序列的相位谱，分析该传播方向上能量的真实性，进而得出正确的波浪谱方向。本发明专利技术的一种适用于波浪图像的波浪方向谱算法，将波浪图像的空间域网格能量特征进行傅里叶变换得到的波数域图像中，得到对称的双边谱，筛除二维双边谱中一个方向上的能量信息，即虚假能量信息，得到真实信息。本方法通过分析前后时间点的波浪图像或者波浪视频中的相邻几帧的图像，得出按照时间序列的相位谱，分析该传播方向上能量的真实性。分析该传播方向上能量的真实性。分析该传播方向上能量的真实性。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于波浪图像的波浪方向谱算法


[0001]本专利技术涉及海洋波浪方向谱计算
，尤其涉及一种适用于波浪图像的波浪方向谱算法。

技术介绍

[0002]在丰富复杂的海洋气象要素中，海浪是一个非常重要的海洋现象。开展海洋领域研究，发展海洋实力是提升我国综合国力和国际影响力的重要途径。近海波浪观测对海况气候预报，海洋渔业，防灾减灾都有十分重大的影响。
[0003]传统的测波方式有以下几种：一、采用测波标杆测波，测波标杆借助于桩柱、支架或中性浮标垂直固定于海中，用目测的方法跟踪波面在标尺上的高低变化，此方法也称为目测测波杆法；测波标杆可长期定点连续观测，获取连续波形资料，做波谱分析。
[0004]二、利用波浪浮标测波，GNSS海浪浮标上的测波基本原理主要分为两种：第一种通过精确定位直接获得浮标的位置信息。第二种是先获得骑波载体的三位速度信息，然后积分获得波浪的位移。
[0005]三、市场上还有使用ADCP（多普勒流速剖面仪）或者压力计式测波仪进行测波。
[0006]以上测波方式均有配套的波浪谱计算方法。
[0007]目前主流的波浪方向谱算法基本上是按照单点多变量或者多点间单个变量的测量数据对海浪方向信息进行估计，无法准确完整地得到海浪的方向信息。通过二维傅里叶变换可以通过海浪图像信息得到海浪方向谱，然而，由于傅里叶变换双边谱地对称性，传统二维傅里叶变换存在180度混淆的问题。针对这一问题，本专利技术利用多张波浪图像相位谱信息，解决二维傅里叶变换180度混淆问题，以获得真实海浪方向谱。

技术实现思路

[0008]针对上述的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种适用于波浪图像的波浪方向谱算法，将波浪图像的空间域网格能量特征进行傅里叶变换得到的波数域图像中，得到对称的双边谱，筛除二维双边谱中一个方向上的能量信息，即虚假能量信息，得到真实信息。本方法通过分析前后时间点的波浪图像或者波浪视频中的相邻几帧的图像，得出按照时间序列的相位谱，分析该传播方向上能量的真实性。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术提供一种适用于波浪图像的波浪方向谱算法，通过分析前后时间点的波浪图像或者波浪视频中的相邻几帧的图像，得出按照时间序列的相位谱，分析得出真实的能量传播方向，进而得出正确的波浪谱方向。
[0010]优选的，包括以下步骤：步骤一，获取一串按时间排序的波浪图像或一段波浪视频，按照像素点网格化；设定每个网格对应一个能量值，将每个能量值按照网格的排布设置在一个数组中，构成一个空间矩阵；
步骤二，将空间矩阵进行傅里叶变换获得波数谱；步骤三，采用高通滤波器，筛除低于滤波器阈值的网格点；步骤四，观察对应网格点的能量的相位周期变化，去除虚假能量信息，获得真实波浪谱。
[0011]进一步地，步骤一中，将海浪视为一个平稳的随机过程，其波面可由一系列余弦形式的基元波叠加而成，在波浪图像上建立笛卡尔坐标：平面xoy为海平面，z轴垂直向上，令为对应网格点处海浪的能量，则为：
[0012]其中，；为基元波振幅；为波数向量，表示第行、第列的网格点位置，，，为波数；为波数的绝对值；为波浪能量谱的频率，在深水中，，为重力加速度；是初相位，为一随机数，；近似服从正态分布。
[0013]进一步地，用表示取均值，表示取方差，则，。
[0014]进一步地，单位面积海浪的势能为：
[0015]其中，为海水密度；由于和均可视为常数。
[0016]进一步地，采用海浪谱的定积分计算：
[0017]其中，为波浪图像的空间域网格能量特征；为频域内的能量谱；为波浪能量谱的频率，为波向；为波数域内的能量谱，为波数。
[0018]将波浪图像的空间域网格能量特征进行傅里叶变换得到的波数域图像中，得到对称的双边谱。
[0019]进一步地，步骤三中，筛除二维的双边谱中虚假的能量信息，得到海浪的真实传播
方向，记波浪图像的各波数各方向的能量集为，其中一信号记为，将进行三角函数展开：
[0020]其中，为基频带能量；为次谐波振幅；为谐波频率；为谐波初相位。
[0021]进一步地，将变为指数形式为：
[0022][0023][0024][0025][0026]其中，为常数系数；为次余弦波系数；为次正弦波系数；为组合常数系数；为正向组合系数；为负向组合系数；采用上述公式计算出波数谱各点需要的各自相位变化时间序列，用于判断真实的能量传播方向和虚假的能量传播方向。
[0027]进一步地，步骤四中，对海浪的真实传播方向的信息通过波束谱计算波浪谱，由于和存在函数关系，由此可得：
[0028]则 、的关系为：，其中，为频域内的能量谱；为波浪能量谱的频率，为波向；为波数域内
的能量谱，为波数；得到真实波浪谱方向。
[0029]本专利技术提供一种适用于波浪图像的波浪方向谱算法，将波浪图像的空间域网格能量特征进行傅里叶变换得到的波数域图像中，得到对称的双边谱，筛除二维双边谱中一个方向上的能量信息，即虚假能量信息，得到真实信息。本方法通过分析前后时间点的波浪图像或者波浪视频中的相邻几帧的图像，得出按照时间序列的相位谱，分析该传播方向上能量的真实性。
附图说明
[0030]图1是本专利技术适用于波浪图像的波浪方向谱算法的步骤图；图2是模拟原始图像；图3是正向频域方向上的模拟信号t0时刻波数域能量分布图；图4是示负向频域方向上的模拟信号t0时刻波数域能量分布图；图5是正向频域方向上的模拟信号t1时刻波数域能量分布图；图6是负向频域方向上的模拟信号t1时刻波数域能量分布图；图7是正向频域方向上的能量信息；图8负向频域方向上的能量信息。
具体实施方式
[0031]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0032]参见图1，本专利技术提供一种适用于波浪图像的波浪方向谱算法，包括以下步骤：步骤一，获取一串按时间排序的波浪图像或一段波浪视频，按照像素点网格化。设定每个网格对应一个能量值，将每个能量值按照网格的排布设置在一个数组中，构成一个空间矩阵。
[0033]步骤二，将空间矩阵进行傅里叶变换获得波数谱。
[0034]步骤三，采用高通滤波器，筛除低于滤波器阈值的网格点。
[0035]步骤四，观察对应网格点的能量的相位周期变化，去除虚假能量信息，获得真实波浪谱。
[0036]步骤一中，将海浪视为一个平稳的随机过程，其波面可由一系列余弦形式的基元波叠加而成。在波浪图像上建立笛卡尔坐标：平面xoy为海平面，z轴垂直向上，令为对应网格点处海浪的能量，则为
[0037]其中，；为基元波振幅；
为波数向量，表示第行、第列的网格点位置，，，为波数；为波数的绝对值；为波浪能量谱的频率，在深水中，，为重力加速度；是初相位，为一随机数，。
[0038]显然，近似服从正态分布。用表示取本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于波浪图像的波浪方向谱算法，其特征在于：通过分析前后时间点的波浪图像或者波浪视频中的相邻几帧的图像，得出按照时间序列的相位谱，分析得出真实的能量传播方向，进而得出正确的波浪谱方向。2.根据权利要求1所述的一种适用于波浪图像的波浪方向谱算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，获取一串按时间排序的波浪图像或一段波浪视频，按照像素点网格化；设定每个网格对应一个能量值，将每个能量值按照网格的排布设置在一个数组中，构成一个空间矩阵；步骤二，将空间矩阵进行傅里叶变换获得波数谱；步骤三，采用高通滤波器，筛除低于滤波器阈值的网格点；步骤四，观察对应网格点的能量的相位周期变化，去除虚假能量信息，获得真实波浪谱。3.根据权利要求1所述的一种适用于波浪图像的波浪方向谱算法，其特征在于，步骤一中，将海浪视为一个平稳的随机过程，其波面可由一系列余弦形式的基元波叠加而成，在波浪图像上建立笛卡尔坐标：平面xoy为海平面，z轴垂直向上，令为对应网格点处海浪的能量，则为：其中，；为基元波振幅；为波数向量，表示第行、第列的网格点位置，，，为波数；为波数的绝对值；为波浪能量谱的频率，在深水中，，为重力加速度；是初相位，为一随机数，；近似服从正态分布。4.根据权利要求3所述的一种适用于波浪图像的波浪方向谱算法，其特征在于，用表示取均值，表示取方差，则，。5.根据权利要求4所述的一种适用于波浪图像的波浪方向谱算法，其特征在于，单位面积海浪的势能为：其中，为海水密...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛琛，郭景松，蒋暑民，乔方利，王胜利，王岩峰，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：