[发明专利]基于波形叠加原理的非线性波浪的反射波分离方法

说明书

本发明公开了一种基于波形叠加原理的非线性波浪的反射波分离方法，通过使用单支固定的浪高仪测量足够时长的入射波和入射波与反射波叠加的合成波，应用波形线性叠加原理，以及考虑波浪水槽造的入射波具有优良的稳定性和重复性，那么从合成波中将入射波直接减去，即可获得反射波形，从而达到分离反射波的目的。该方法只需单个固定的测量仪器，适用于线性和任意高阶非线性规则波问题。测量方法简单，求解过程容易，提高了反射波分离效率。

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，具体涉及一种基于波形叠加原理的非线性波浪的反射波分离方法。

背景技术

波浪传播遭遇大型物体时，波浪发生反射。被反射的波与入射波在结构物前相互叠加，形成合成波。在实验室里研究防波堤的水动力性能时，反射系数是重要的衡量参数之一。将反射波从合成波形中分离出来，对于防波堤水动力性能的研究具有重要的意义。目前，用于分离反射波的方法有两大类：仅适用于线性波的分离方法和适用于非线性波的分离方法。适用于线性波的分离方法常用的有两点法、三点法和多点法，即：使用固定的两支浪高仪、三支浪高仪或更多支浪高仪测量合成波形，通过傅里叶变换、小波变换、最小二乘法等方法分析和处理合成波形，得到反射波的波高和相位；还有使用移动单支浪高仪测量的办法，利用多普勒效应计算反射波高。对于非线性波的反射波分离方法，假设非线性入射波和反射波是由基础波形与高阶自由波和约束波叠加而成的，增加的变量要求至少需要4支浪高仪测量的合成波数据才能求解，而由于高阶波长的确定存在近似，考虑的非线性对于二阶等轻度非线性情形能够获得精度较高的结果，但是对于高阶非线性情形存在误差。总之，目前的波形分离方法，无论是测量仪器还是分析方法都比较复杂：需要采用多个测量仪器或者可移动的测量仪器进行数据采集，测量方法复杂；分析过程中未知数较多，求解复杂，并且分离过程中存在假设，对适用范围内的结果精度才比较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于波形叠加原理的非线性波浪的反射波分离方法，能够解决传统反射波的波形分离方法的上述不足，测量方法简单，求解过程容易，适用于线性和任意高阶非线性规则波问题，提高了反射波分离效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：

一、在实验室的波浪水槽中将实验设备按照造波设备、浪高仪、反射模型的顺序安置好，并将浪高仪与数据处理器连接起来，分别进行无反射模型和有反射模型时的两组造波参数相同的造波试验；

二、利用单支固定的浪高仪对步骤一中两组造波试验的波形数据进行测量，得到无反射模型时的波形数据以及有反射模型时的波形数据；

三、在步骤二的有反射模型的波形中确定入射波形及反射波形出现的时间段；

四、应用波形线性叠加原理对步骤二中的有反射模型时的波形进行反射波的分离；

五、在步骤四所得的波形中确定反射波形的参数。

按上述方案，在步骤一中所述的“实验设备”包括：造波设备、浪高仪、反射模型、波浪水槽和数据处理器。造波设备由伺服电机控制，用于产生所需波浪，其造波稳定性和重复性误差均在5％以内；浪高仪用于采集波浪数据，并将数据传递给数据处理器得到波形图，浪高仪的测量误差在0.5％以内；反射模型为竖直穿透水面的单块平板，垂直于入射波方向安装，用于反射波浪，得到合成波。

按上述方案，步骤二中的有反射模型时，浪高仪所得测量的波形是由入射波形和入射波与反射波叠加的合成波形两段组成，可以表述如下：

而合成波形是入射波形与反射波形的叠加，可以表示为：

将(2)式代入(1)式，整理出反射波形表达式：