在风浪环境下测量水面流速的方法

摘要

本发明是一种在风浪环境下测量水面流速的方法，包括步骤如下：步骤A：构建光照条件，并使得水面光强和水面斜率具有一一映射关系，并标定水面光强与水面斜率映射关系；步骤B：用CCD线阵相机获取水面光强信号；步骤C：将水面光强信号转换为水面斜率信号；步骤D：对水面斜率信号进行空间维傅里叶变换，获得水面斜率谱的相位项；步骤E，依据水表面流速模型，计算出水面流速。

权利要求

1.一种在风浪环境下测量水面流速的方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤A：构建光照条件，并使得水面光强和水面斜率具有一一映射关系，并标定水面光强与水面斜率映射关系；

步骤B：用CCD线阵相机获取水面光强信号；

步骤C：将水面光强信号转换为水面斜率信号；

步骤D：对水面斜率信号进行空间维度傅里叶变换，获得水面斜率谱的相位项；

步骤E：依据水面流速模型，计算出水面流速；

所述水面斜率谱的相位项的偏导数 需要用如下方式进行近似计算：在实际应用中离散时间间隔点数n的取值需要考虑两个影响因素：n取值较小时， 的近似程度比较高，但是其中的分子的值较小，容易受到噪声干扰；

n 取 值 较 大 时 ， 的 值 较 大 ，信 噪 比 较 高 ，但的近似精确性会下降，n的取值需要在这两个影响因素之间进行调整折中；其中： 为水面斜率谱的相位项，k为波数，t为测量时间，n为离散时间间隔点数，Δt为CCD线阵相机离散时间采样间隔。

2.根据权利要求1所述的在风浪环境下测量水面流速的方法，其特征在于，所述水面流速模型表示如下：其中，uc(t)为水面流速，c(t)为水波的相速度，g为重力加速度，T为水表面张力系数，ρ为水的密度。

3.根据权利要求2所述的在风浪环境下测量水面流速的方法，其特征在于，所述水面波的相速度c(t)表示如下：其中：n是一个正整数。

说明书

在风浪环境下测量水面流速的方法

技术领域

[0001] 本发明属于水面流速测量技术领域，涉及在风浪环境下测量水面流速的方法。

背景技术

[0002] 水面流场与风浪的互作用机理是海洋物理、流体力学、海洋微波遥感等领域非常关注的问题，水面流场与风浪的互作用机理非常复杂，实验是研究其机理的重要手段，在这种实验中就需要在风浪环境下测量水面流速。现有的水面流速测量方法通常是PIV(Particle Image Velocimetry)方法，也就是在水面上布洒示踪例子，通过高速摄影的方法在获取的图像中追踪示踪例子的运动来测量水面流速。但是PIV方法如果用在风浪环境中进行测量，测量的结果就是风浪振动的速度和表面流场速度的叠加，难以对二者进行区分。

发明内容

[0003] (一)要解决的技术问题

[0004] 为了解决现有技术在风浪环境下对水面流速测量结果是风浪振动速度与水面流速的叠加的问题，为此本发明的目的是提供一种在风浪环境下测量水面流速的方法，其测量的结果与风浪振动速度无关，而不是风浪振动速度与水面流速的耦合。

[0005] (二)技术方案

[0006] 为实现上述目的，本发明提供一种在风浪环境下测量水面流速的方法的步骤包括如下：

[0007] 步骤A：构建光照条件，并使得水面光强和水面斜率具有一一映射关系，并标定水面光强与水面斜率映射关系；

[0008] 步骤B：用CCD线阵相机获取水面光强信号；

[0009] 步骤C：将水面光强信号转换为水面斜率信号；

[0010] 步骤D：对水面斜率信号进行空间维度傅里叶变换，获得水面斜率谱的相位项；

[0011] 步骤E：依据水面流速模型，计算出水面流速。

[0012] (三)有益效果

[0013] 本发明是利用水面波浪相速度只与波长和水面流速有关而与波浪振幅无关的特点，通过测量波浪的相速度来计算水面流速，本发明的测量结果与风浪振动速度无关，不会与波浪振动速度耦合在一起。本发明解决了传统的水面流速测量方法如果在风浪环境下测量流速，其测量结果是风浪振动速度与水面流速的叠加，二者无法区分的技术问题，传统的流速测量方法无法用于风浪环境下的流速测量。

附图说明

[0014] 图1是本发明在风浪环境下测量水面速的方法的流程图。

具体实施方式

[0015] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

[0016] 图1示出本发明在风浪环境下测量水面流速的方法的流程图，在风浪环境下测量水面流速的步骤包括：

[0017] 构建特定的光照条件，可以使得水面光强和水面斜率有一个一一映射关系表示如下：

[0018] s(x，t)=f(I(x，t))   (1)

[0019] 其中x为水面空间位置，t为测量时间，s(x，t)为水面斜率，f(I(x，t))为水面光强与水面斜率的映射关系。一般情况下光照条件可以通过光强单调变化(在照射区域内光强从一端到另一端单调递减或递增变化)的漫射光源来构造。

[0020] 标定这个映射关系后我们就可以通过CCD线阵相机获取水面光强信号I(x，t)，本实施例中使用的CCD线阵相机型号为：DALSA相机SG-02K80，或用其他型号的相机；

[0021] 将光强信号I(x，t)转换为水面斜率信号s(x，t)。

[0022] 对水面斜率信号s(x，t)进行空间维度(x维度)傅里叶变换，得到水面斜率谱S(k，t)，如下表示：

[0023]

[0024] 其中k为波数，xmin和xmax分别是CCD线阵相机观测区域的两端坐标位置，j为表示单位复数。

[0025] 将水面斜率谱S(k，t)表示为幅度和相位的形式：

[0026]

[0027] 为水面斜率谱S(k，t)的相位项。

[0028] 根据经典的波浪理论，我们知道水面波的相速度与波浪振幅无关，水波的相速度只与波长和水面流速有关，水面波的相速度c(t)表达式为：

[0029] c(t)=c0+uc(t)   (4)

[0030] 其中uc(t)为水面流速，c0为水面波的本征相速度表示如下：

[0031]

[0032] 其中g为重力加速度，T为水的表面张力系数，ρ为水的密度。

[0033] 从水面斜率谱的相位项 我们可以通过公式(6)计算水面波的相速度c(t)表示如下：

[0034]

[0035] 将公式(5)和公式(6)代入公式(4)式可以得到水面流速uc(t)的表达式[0036]

[0037] 公式(7)计算的速度就是一个与波浪振动无关的一个水面流速。

[0038] 由于CCD线阵相机的时间分辨率很高，一般可以高于1000Hz甚至上万Hz，而水面的振动频率一般在100Hz以内，因此CCD线阵相机的时间分辨率足以分辨水面相位的变化，从而可以通过公式(7)式计算水面流速。

[0039] 由于CCD线阵相机获取的相位在时间上是离散的，无法得到连续的偏导数，因此公式(7)中水面斜率谱的相位项的偏导数 需要用如下方式进行近似计算：

[0040]

[0041] 其中Δt为CCD线阵相机离散时间采样间隔，n为一个正整数。在实际应用中n的取值需要考虑两个影响因素：n取值较小时，公式(8)的近似程度比较高，但是其中的分母的值较小，容易受到噪声干扰；n取值较大时， 的值较大，信噪比较高，但公式(8)的近似精确性会下降。在实际应用中n的取值需要在的信噪比和公式(8)的近似精度之问进行调整折中。一般n的优化取值
范围约为 (其中B为斜率信号s(x，t)的时域带宽，β为系统信噪
比)。但n的取值可以不限于此范围，若n取其他值，本发明的算法原理依然有效，只是噪声和近似程度的影响不同而已。

[0042] 由于每个波谱点k都可以计算一个水面流速数值，为了进一步减小误差，可以将各个波谱点计算的水面流速进行平均表示如下：

[0043]

[0044] 其中N为波谱点个数，ki为每个波谱点的波数。

[0045] 以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。