[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

说明书

本发明公开了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，旨在解决现有技术中破波带波浪水动力监测困难的技术问题。所述方法包括：利用三维激光雷达获得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获得每个海洋表面监测点的波面水位时间序列；根据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，并判断破波带内波浪的破碎点。所述系统包括数据采集模块、波浪监测模块、监测显示模块、数据存储模块、通信模块和电源模块。本发明能够实现高精度、高分辨率的破波带波浪水动力要素连续监测。

技术领域

本发明涉及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，属于海洋观测技术领域。

背景技术

破波带是近岸波浪最活跃的区域，在破波带中有波浪传播变形和破碎现象，而波浪的传播变形和破碎对岸滩爬高、岸线演变、海洋安全都有重要的影响，因此获取破波带波面数据显得尤为重要。然而，由于波浪破碎过程迅速、破碎点随时间不断变化，目前想要通过现场观测获取破波带的高分辨率数据还很困难。

传统的海洋监测方法主要包括船舶监测、浮标监测和雷达监测，船舶监测消耗人力物力，难以实现长期连续观测；浮标监测采用自动化监测，可以实现定点长期观测，但抗风浪能力不足、受海洋天气影响、浮标电池持续力和耐腐蚀性不足；雷达监测是近年来发展的声学监测技术，无需在海里安装仪器，测量结果可靠性增强，但雷达图像提取参数较为困难。更为重要的是，以上监测方法主要是采用单点测量，且不能直接获得波形，不能有效获取破碎点的位置，也不能对局部海域波浪进行高精度和高分辨率的二维连续观测，难以被应用到破波带波浪水动力监测中。

发明内容

为了解决现有技术中破波带波浪水动力监测困难的问题，本发明提出了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，实现高精度、高分辨率的破波带波浪水动力要素连续监测。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

第一方面，本发明提出了一种基于三维激光雷达的破波带波浪水动力监测方法，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和、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。

结合第一方面，进一步的，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。

结合第一方面，进一步的，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：