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平稳海浪频谱分析方法的比较研究

张腾  
【摘要】:海浪谱是描述海浪过程的基本特征参数。利用谱描述海浪并获得海浪要素具有重要的理论和实用意义。海浪观测与分析、海浪预报、海洋环境研究、造船与水港工程等都需要结合海浪谱进行,海浪谱是目前海浪研究的中心问题之一。由于海浪本身的复杂性,小部分海浪谱是由观测到的波要素连同某些假定推导而来,大部分海浪谱则是利用定点波面记录通过特殊谱分析方法得到。国内外已有的诸多对谱分析方法的研究都是对采样特征以及谱估计参量利用控制变量法进行单独讨论,并没有考虑二者之间可能存在的关系,且由于之前的研究讨论一般都是基于现场实测海浪数据,因此也未能分析目标靶谱对谱估计结果可能造成的影响。基于此,本文进行了相关的研究计算。本文通过对具有不同特征目标靶谱,在不同的采样特征条件下由线性波浪叠加的方法生成的多组随机波面应用不同的谱分析方法进行谱分析计算,并用估计精度衡量了估计谱结果相对于靶谱的估计效果,得到了不同参量条件下对应的估计精度曲线,计算分析了不同特征量对FTA法,Welch法,AR模型法谱分析的影响。结果表明影响谱估计效果的因素不只有谱估计方法的参量以及采样特征量,所要研究的目标海浪谱的特征同样在一定程度上决定着能否得到有效的估计谱结果。有可能出现FTA法的最大推移乘积数,Welch法的分段数,以及AR模型的阶数无论如何变化,都得不到满意的谱估计结果的情况。而在各特征参量选值合适的情况下,三种方法都可以取得满意的结果。其中,目标靶谱谱宽对Welch法以及AR模型法的精度曲线分布影响较大,对FTA法估计效果影响较小。谱峰尖度则对三种谱估计方法均有影响,其中AR模型法对谱峰尖度比较大的目标靶谱的估计稳定性较好,而FTA法和Welch法则只在谱峰尖度较小时估计效果较好。采样时长对Welch法以及AR模型法的稳定性影响并不显著,且采样时长与最优段数与模型阶数之间还存在一定的数值关系。采样时长的减小会导致FTA谱估计的稳定性下降。采样频率在满足奈奎斯特采样频率的前提下,对FTA法与Welch法没有显著影响,而AR模型法的最优阶数与采样频率之间存在某种数值关系。


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