本申請公開了一種天文潮和風(fēng)暴潮分離方法，對于一個海洋水文站測到的只是一組實時潮水位過程，這個實時過程可以看成是一個強確定過程(天文潮)和一個弱隨機過程(大氣活動干擾，包括風(fēng)暴潮)的迭加，此時可以利用頻窗(頻率域)和濾波器(時間域)等數(shù)學(xué)手段將其分離。本發(fā)明專利技術(shù)采用了一種基于小波包分析的分離方法，將潮位作為一種信號，首先確定小波函數(shù)和小波包分解的層數(shù)，將170個分潮根據(jù)其頻率分配到唯一的葉子節(jié)點，得到最優(yōu)小波樹，然后對包含有天文分潮的小波分解系數(shù)進行重構(gòu)，提取各頻帶范圍的天文分潮信號，最優(yōu)利用小波濾波器將這些天文分潮信號從潮位信號中除去，即得到風(fēng)暴潮增水曲線。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于自動化領(lǐng)域，涉及，它是用于在風(fēng)暴潮期間，將總水位中的天文潮水位和風(fēng)暴潮水位分離開。
技術(shù)介紹
風(fēng)暴潮災(zāi)害居各類海洋災(zāi)害之首，世界上絕大多數(shù)因強天氣系統(tǒng)引起的特大海岸災(zāi)害都是由風(fēng)暴潮造成的。在我國，風(fēng)暴潮災(zāi)害幾乎遍及我國沿海，從南到北均有發(fā)生，在緯度比較低的東南沿海地區(qū)，風(fēng)暴潮災(zāi)夏秋季節(jié)，多由在西北太平洋上生成的臺風(fēng)或熱帶氣旋引起。天文潮是驗潮曲線中的主要成分，在驗潮曲線中消除天文潮，亦即把天文潮和風(fēng)暴潮分離開是首要的任務(wù)。但是，從動力學(xué)的觀點看來，在天文引潮力和氣象強迫力的共同作用下的海水運動是一種非線性的現(xiàn)象；這種非線性的相互耦合是由驗潮曲線中把二者分離開的基本困難。通常采用的分離方法是由驗潮曲線減去潮汐預(yù)報曲線，所獲“差值”即作為“風(fēng)暴潮曲線”。無疑，這種基于線性疊加原則的分離方法，只有當(dāng)上述的非線性耦合不嚴重時，方為良好的近似。在某些情況下，上述差值曲線含有明顯的潮周期。如果排除了天文潮預(yù)報的誤差和潮汐觀測技術(shù)的不足，則差值曲線明顯含有天文潮周期的這一現(xiàn)象，就可歸結(jié)為風(fēng)暴潮和天文潮之間的非線性耦合。風(fēng)暴潮現(xiàn)場資料與嚴密的理論及成功的實驗數(shù)據(jù)相反，十分稀少而分散，觀測表明，中國大多數(shù)港口水淺、潮差大、天文潮和風(fēng)暴潮非線性相互作用明顯。這種非線性效應(yīng)，在大潮差的淺海中表現(xiàn)得特別嚴重；此時必須采用另外的分離方法。風(fēng)暴潮期間水位的變化，不但受天體引潮力的作用，而且還受地形、風(fēng)力、風(fēng)向、氣壓、太陽輻射度等水文氣象因素的綜合影響，在這些周期性和非周期性變化的物理因子作用下，尤其是在淺水區(qū)，天文潮和風(fēng)暴潮的非線性效應(yīng)較強，使水位變化過程變得頗為復(fù)雜。大部分信號都是時間的函數(shù)，可以將風(fēng)暴潮期間總水位時間序列作為信號處理，研究風(fēng)暴潮的特性及變化規(guī)律即可轉(zhuǎn)化為信號的時頻特征分析。時頻分析能在時間和頻率上同時表示信號的能量和強度，即時頻分析可以細致地刻畫風(fēng)暴潮中各類波(各天文分潮波、風(fēng)暴增水波等)的時頻結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，也可以提取風(fēng)暴潮中某一頻率成份。小波變換是時頻分析的一種，具有多分辨率的特點，在時、頻兩域都具有表征信號局部特征的能力，是一種窗口面積恒定，窗口形狀可變，時間窗和頻率窗都可以改變的時頻局域化分析方法，被譽為分析信號的“數(shù)學(xué)顯微鏡”。小波包變換是小波變換的推廣，它同時對信號的低頻成分和高頻成分進行細分，并按頻帶進行多層次的二進制劃分，自適應(yīng)地選擇相應(yīng)頻帶，使之與信號頻譜相匹配，從而提高時頻分辨率。本專利技術(shù)采用了小波包變換方法，對潮位信號在某一分解尺度參數(shù)下進行分解，利用天文分潮特定頻率值確定小波包最佳正交基，識別和確定不同頻段中所包含的天文分潮，提取小波包分解系數(shù)進行重構(gòu)，并從潮位信號中濾除，最終達到天文潮和風(fēng)暴潮分離的目的
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于小波包分解的天文潮和風(fēng)暴潮分離方法，利用有限的歷史潮位觀測數(shù)據(jù)和已知的170個天文分潮頻率，實現(xiàn)對天文潮和風(fēng)暴潮的分離。具體的步驟為步驟(I):正交小波母函數(shù)的選取；潮位信號的小波變換實質(zhì)上是不同尺度的小波函數(shù)與該信號的互相關(guān)，根據(jù)潮汐理論，潮水位記錄中的天文潮是不同頻率正弦波的疊加，一般來說，小波母函數(shù)與待分析的潮位信號越接近，信號在時間-頻率域能量分布越集中，因此，在對潮位信號進行小波分析時，可以考慮選擇和天文分潮形狀相近的小波函數(shù)作為母小波。步驟(2):確定小波包分解層數(shù)；設(shè)潮位信號(其頻率范圍設(shè)為的，fj)將進行N層小波包分解，則小波樹第N層上各葉子節(jié)點對應(yīng)的頻率范圍如下權(quán)利要求1.步驟(I):正交小波母函數(shù)的選取；潮位信號的小波變換實質(zhì)上是不同尺度的小波函數(shù)與該信號的互相關(guān)，根據(jù)潮汐理論，潮水位記錄中的天文潮是不同頻率正弦波的疊加，一般來說，小波母函數(shù)與待分析的潮位信號越接近，信號在時間-頻率域能量分布越集中，因此，在對潮位信號進行小波分析時，可以考慮選擇和天文分潮形狀相近的小波函數(shù)作為母小波。Daubechies小波具有好的局部特性，能夠在各種瞬變波形中較好地提取有用信號成分，選取db4緊支集正交小波作為小波包母函數(shù)。2.步驟(2):確定小波包分解層數(shù)；設(shè)潮位信號(其頻率范圍設(shè)為[fo，fj)將進行N層小波包分解，則小波樹第N層上各葉子節(jié)點對應(yīng)的頻率范圍如下3.步驟(3):確定最優(yōu)小波包基及最優(yōu)小波樹；最優(yōu)小波包基選擇的原則是根據(jù)先驗的天文分潮頻率知識和小波樹的每個葉子節(jié)點對應(yīng)的起始頻率，計算出每個天文分潮的頻率成分位于第幾層的第幾個頻段，然后通過剪枝或合并的方法對小波樹的葉子節(jié)點進行處理，得到潮位信號的最優(yōu)小波包基，從而構(gòu)造出最優(yōu)小波樹。4.步驟(4):對潮位信號進行小波包分解；對潮位信號進行逐層小波包分解，分解第L層時可得到位于不同頻段的組序列，每組序列分別由低通濾波結(jié)果和高通濾波結(jié)果組成，假設(shè)原始潮位信號f(i)長度為2N，采樣頻率為fs，則每個f的長度為N/2S采樣頻率為fs/2\^W°(i) = f(i) (i = 0，1，…，2N-1)，則有下列遞歸分解公式5.步驟(5):將天文潮和風(fēng)暴潮分離。重構(gòu)所有含有天文分潮頻段的小波分解系數(shù)，重構(gòu)公式如下全文摘要本申請公開了，對于一個海洋水文站測到的只是一組實時潮水位過程，這個實時過程可以看成是一個強確定過程(天文潮)和一個弱隨機過程(大氣活動干擾，包括風(fēng)暴潮)的迭加，此時可以利用頻窗(頻率域)和濾波器(時間域)等數(shù)學(xué)手段將其分離。本專利技術(shù)采用了一種基于小波包分析的分離方法，將潮位作為一種信號，首先確定小波函數(shù)和小波包分解的層數(shù)，將170個分潮根據(jù)其頻率分配到唯一的葉子節(jié)點，得到最優(yōu)小波樹，然后對包含有天文分潮的小波分解系數(shù)進行重構(gòu)，提取各頻帶范圍的天文分潮信號，最優(yōu)利用小波濾波器將這些天文分潮信號從潮位信號中除去，即得到風(fēng)暴潮增水曲線。文檔編號G06F19/00GK102999687SQ20111028670公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月19日專利技術(shù)者何世鈞, 周文君, 陳中華, 李亞光, 周汝雁 申請人:上海海洋大學(xué)本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
步驟(1)：正交小波母函數(shù)的選取；潮位信號的小波變換實質(zhì)上是不同尺度的小波函數(shù)與該信號的互相關(guān)，根據(jù)潮汐理論，潮水位記錄中的天文潮是不同頻率正弦波的疊加，一般來說，小波母函數(shù)與待分析的潮位信號越接近，信號在時間?頻率域能量分布越集中，因此，在對潮位信號進行小波分析時，可以考慮選擇和天文分潮形狀相近的小波函數(shù)作為母小波。Daubechies小波具有好的局部特性，能夠在各種瞬變波形中較好地提取有用信號成分，選取db4緊支集正交小波作為小波包母函數(shù)。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：何世鈞，周文君，陳中華，李亞光，周汝雁，
申請(專利權(quán))人：上海海洋大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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