[发明专利]一种基于三维激光雷达的破波带波浪水动力监测方法及其系统

权利要求书

1.一种基于三维激光雷达的破波带波浪水动力监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

利用三维激光雷达实时获得破波带内多个海洋表面监测点的三维坐标；

根据海洋表面监测点的三维坐标和静水海面高程计算波面水位，获得每个海洋表面监测点的波面水位时间序列；

根据每个海洋表面监测点的波面水位时间序列计算波浪的偏态、波形不对称值和自由水面高程梯度的方差，并根据自由水面高程梯度的方差判断破波带内波浪的破碎点；

所有海洋表面监测点的三维坐标组成的集合为Q_t＝{P_t1,…,P_ti,…,P_tm}，其中，Q_t表示t时刻的波面点集，P_ti表示t时刻第i个海洋表面监测点的三维坐标，i＝1,2,…,m，m为海洋表面监测点的数量；

所述波面水位时间序列的获得方法为：

根据预设的邻近点数量计算每个海洋表面监测点的距离阈值：

其中，表示t时刻第i个海洋表面监测点的距离阈值，k为第i个海洋表面监测点的邻近点数量，k的取值与m有关，j＝1,2,…,k，表示t时刻第i个海洋表面监测点与其第j个邻近点之间的欧氏距离，r为阈值系数，d_std为第i个海洋表面监测点与其k个邻近点之间的距离标准差；

比较和当大于时，判定第j个邻近点为离群点，将其剔除出集合Q_t，获得滤波后的三维坐标集合；

根据滤波后的三维坐标集合中的纵向坐标z和静水海面高程h计算每个海洋表面监测点在每个时刻的波面水位Δh＝z-h；

利用不同时刻的波面水位组成每个海洋表面监测点的波面水位时间序列；

将破波带划分为多个沿着向岸方向的剖面，则波浪在一个剖面上的破碎点的判断方法为：

根据剖面上每个海洋表面监测点的纵向波形图得到其波面水位在[0.8H，H]范围内的G个时间点，并获得G个时间点的横向波形图，所述横向波形图的横坐标为海洋表面监测点的水平向坐标x，横向波形图的纵坐标为海洋表面监测点在当前时间点的纵向坐标z；

根据每个海洋表面监测点的每个时间点的横向波形图，计算该海洋表面监测点与其相邻海洋表面监测点之间的自由水面高程梯度，得到G个自由水面高程梯度；

根据G个自由水面高程梯度计算该海洋表面监测点的方差GVM；

按照由远到近的顺序依次将剖面上每个海洋表面监测点的方差GVM与方差阈值比较，当方差GVM大于方差阈值，则该海洋表面监测点为波浪的破碎点。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维激光雷达的破波带波浪水动力监测方法，其特征在于，每个海洋表面监测点的三维坐标的获得方法为：

利用三维激光雷达向破波带内海洋表面发射多条不重合的激光，并接收海洋表面反射的激光，每条激光对应一个海洋表面监测点；

根据激光光速和激光反射时间计算当前时刻每个海洋表面监测点到三维激光雷达的相对距离；

根据三维激光雷达的绝对坐标、激光发射角度和每个海洋表面监测点到三维激光雷达的相对距离，计算当前时刻每个海洋表面监测点的三维坐标。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维激光雷达的破波带波浪水动力监测方法，其特征在于，根据每个海洋表面监测点的波面水位时间序列计算波浪的偏态和波形不对称值的方法为：

根据每个海洋表面监测点的波面水位时间序列获得每个波浪在每个海洋表面监测点的纵向波形图，所述纵向波形图的横坐标为时间，纵向波形图的纵坐标为海洋表面监测点的纵向坐标z；

根据纵向波形图计算纵向波面峰值和平均水位线；

根据纵向波面峰值和平均水位线计算波浪的偏态，计算公式如下：

其中，A_s表示波浪的偏态，η_c表示纵向波面峰值与平均水位线的高度差，H表示纵向波面峰值与其前一个波谷的高度差；

根据纵向波面峰值和平均水位线计算波形不对称值，计算公式如下：

其中，S_k表示波形不对称值，a_l表示波形图中平均水位线上升到纵向波面峰值的时间，a_r表示波形图中纵向波面峰值下降到平均水位线的时间。