[发明专利]一种基于EMD的海浪多尺度特征及波动参数的提取方法

说明书

技术领域

本发明属于物理海洋学技术领域，具体地讲就是涉及一种基于EMD的海浪多尺度特征及波动参数的提取方法。

背景技术

海浪是发生在海表面的一种波动现象，它与人类经济、社会活动密切相关。海浪的研究对于保障海上交通安全、有效地管理海洋环境和可持续利用海洋资源等具有重要意义。

研究表明，海浪具有随机性、非线性、非平稳性及分形的特征。从不同的角度和应用背景，已建立了多种海浪模型和分析方法。如以流体力学方程为基础，建立了深水表面波理论、小振幅波理论及有限振幅波理论，通常采用数值方法求解，计算效率和算法的稳定性是核心问题。双尺度海浪模型认为海浪是由小尺度波(毛细波)骑行在大尺度波(重力波)之上形成的，它在海洋微波遥感领域广泛应用，小尺度波对微波的散射是核心问题。而用三角函数、样条函数等几何曲线的线性组合来模拟海浪也是常用的模型之一，由于三角函数中的频率、幅度及相位与频谱之间的数学关系，采用经验海浪谱模型(如Phillips海浪谱、Pierson-Moskowitz海浪谱、Fung&Lee海浪谱及JONSWAP海浪谱)和随机过程理论相结合可以模拟出具有随机性的海浪，该方法不仅在计算机视觉中的海浪模拟应用广泛，而且在物理海洋学中也广泛应用。然而，该方法未能表现出海浪的非平稳和分形方面的特性。

发明内容

为了克服现有海浪模型和分析方法的不足，本发明提供了一种基于EMD的海浪多尺度特征及波动参数的提取方法。所述的识别方法包括以下步骤：

1.读入定点测量的海浪时间序列或仿真的海浪序列，记为x(m)；其中，m＝1,2,...,M表示测量或仿真海浪的离散间隔，M表示序列的点数。

2.根据数据分析的需要，确定分析海浪尺度数N，通常N取5到10之间的整数。

3.采用EMD方法，对海浪时间序列x(m)进行分解得到N个IMF序列，记为[c₁(m);c₂(m);...;c_N(m)]，包括以下过程：

(1).令n′＝1，c₀(m)＝0，r₀(m)＝x(m),m＝1,2,...,M，m为测量或仿真海浪的间隔；

(2).令k＝1，h₀(m)＝r_n′(m)，从序列r_n′_-1(m)中提取第n′个IMF序列，记为c_n′(m)；搜索序列h_k-1(m)的局部极大值和局部极小值，并用三次样条插值分别拟合局部极大值和局部极小值，得到序列h_k-1(m)的极大值包络线u_k-1(m)和极小值包络线v_k-1(m)；计算瞬时平均序列及序列h_k(m)＝h_k-1(m)-y_k-1(m)；计算序列h_k(m)的极值点个数和零交叉点个数，分别记为j₁和j₂；若序列h_k(m)不满足0≤|j₁-j₂|＜2或|y_k1(m)|＜ε条件，其中，ε为任意小的正数，通常ε取10^-1~10^-3之间的实数；则k＝k+1，对序列h_k(m)重复该步骤，直到序列h_k(m)满足0≤|j₁-j₂|＜2或|y_k-1(m)|＜ε条件；则h_k(m)为一个IMF序列，记为c_n′(m)＝h_k(m)；

(3).计算残余序列r_n′(m)＝r_n′_-1(m)-c_n′(m)，令n′＝n′+1，若n′＜N，转步骤(2)；否则，停止计算，得到了N个IMF序列，记为[c₁(m);c₂(m);...;c_N(m)]。

4.计算每个尺度下IMF的分形特征，记为