[发明专利]基于PTV与PIV技术的海表面小尺度流场测量方法

说明书

基于PTV与PIV技术的海表面小尺度流场测量方法，包括无人机拍摄校准；待测区域连续图像拍摄；PTV方法初步分析得到锋面流速；PIV方法实现高精度的海表面流场分析，得到流场各点处的物理参量；利用灰度极值法求周期，计算深水波波速；将PIV流速与波浪传播速度相减得到每一固定点处水团流速；将锋面流速、流场各点处的物理参量、水团流速进行输出，即实现了海表面小尺度流场的测量。本发明将PTV与PIV技术用于海表面小尺度流场的测量，利用无人机进行拍摄是更高效简便的手段，在小于几公里的小尺度海面实现海表面流场的可视化，提供重要的观测数据，有利于后续对海表面运动过程与海水内部其他复杂化运动过程进行研究。

技术领域

本发明涉及一种基于PTV与PIV技术的海表面小尺度流场测量方法，属于流场测量技术领域。

背景技术

海洋表面流场测量对于获取复杂水流运动信息至关重要。近年来，基于声学、电波、卫星遥感、粒子图像等非接触式测流仪器促进了流量自动化测量技术的发展，声学测量方式目前在海洋测量上应用较多，主要使用的是多普勒流速仪（ADCP）设备，ADCP分为走航式、底座式和水平式三种，由于测量盲区的存在，该仪器主要用于海表面以下的海水流速测量，它离海表层深约一到两米内流速是无法测量的，所以在分析的时候一般都是把水深两到三米处流速当做表层流速。但是通 过研究漂浮物漂移的速度发现，海表层的流速与海水内部的流速往往有很大区别，非常靠近表层的速度和水深以下两米的速度相差较大，即说明运用ADCP的方法测量表层流速误差较大，因此亟需寻找测量海表面流场的方法。

以往研究也有采用地波雷达和表面追踪浮标等进行海表面运动的观测。然而，这两种方法测量的表面流场范围在几十至几百公里之间，难以满足小尺度范围内流场的连续观测。此外，利用雷达多普勒效应实现流速测量时，其精度主要受测频精度和波浪两个因素影响，当海洋运动现象幅度大时，监测中存在测验适宜性弱、精度稳定性低、施测安全性差及测量结果不直观等问题，且雷达流速仪所需成本较高。

发明内容

本发明目的在于：为了获取准确的海表面小尺度流场，实现海表面流场的可视化，并降低成本，提供一种基于PTV与PIV技术的海表面小尺度流场测量方法。

为实现以上技术目的，本发明采用如下技术方案：

（1）无人机拍摄校准：

调节无人机拍摄参数，计算不同高度下无人机拍摄画面的实际尺寸，利用拍摄画面中已知尺寸的物体进行比较，得到校准系数，进而得到无人机拍摄画面的实际长宽与高度的对应关系。

其特征是还包括以下步骤：

（2）待测区域连续图像拍摄：

将无人机飞行至待测海面区域，调节无人机拍摄高度，固定无人机位置拍摄待测海面区域的水色图像。

（3）PTV（Particle Track Velocimetry, 粒子追踪测速法）方法初步分析：

根据图像的分辨率和帧率，运用校准系数计算实际拍摄图像尺寸大小，利用粒子跟踪测速技术PTV(Particle Track Velocimetry)分析待测海面区域锋面移动速度，具体做法是根据所拍摄图像的灰度值大小确认锋面位置，根据时间帧数确认实际时间，计算一段时间内锋面移动的实际距离与对应实际时间的比值，即海表面处锋面流速。

（4）PIV（Particle Image Velocimetry，粒子图像测速法）方法实现高精度的海表面流场分析：

首先将图像中呈现的所有像素分割成m×n个窗口，根据粒子在水中不同的反光性，追踪窗口中的粒子，将每个窗口作为一个整体，利用粒子随时间的运动轨迹判断其运动状态，采用互相关算法分析出流场特征；针对表示海表面微小粒子的各个像素，运用PIVLAB软件，计算流场各点处的物理参量；所述物理参量包括流速、涡度、u方向速度，v方向速度，剪切速率，应变速率，切线速度等，可绘制流速分布图及速度曲线，实现海表面流场可视化。