[发明专利]基于海浪谱的三维非线性海浪模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于海浪谱的三维非线性海浪模拟方法，具体步骤如下：步骤S1：设置仿真场景；步骤S2：计算非线性控制参数δ,计算公式如下：其中，α和β均为相对应的海浪频率谱S(ω)的有关常数；步骤S3：计算海浪频率方向谱S(ω,θ)；步骤S4：计算频率ω和波向角θ的分段节点数值和间隔；步骤S5：确定三维非线性海面波高模型η；步骤S6；将场景参数代入三维非线性海面波高模型η中产生模拟三维波高序列。采用上述一种基于海浪谱的三维非线性海浪模拟方法，模型中含有非线性控制参数，与具体海面状态相关，可以根据仿真场景调节组成波波形，模拟不同非线性程度的三维海浪，符合实际海浪特征。

技术领域

本发明涉及海洋遥感模拟场景构建技术领域，尤其是涉及一种基于海浪谱的三维非线性海浪模拟方法。

背景技术

在海洋遥感领域，能够获取的实测数据有限，因此需要用模拟数值作补充，为海浪反演等研究提供数据。目前海浪模拟方法主要有基于物理和基于构造的两类方法。基于物理的方法通过求解N-S方程组得到流体质点在各时刻的状态从而生成海浪，仿真结果精确，但计算量大不适合用于产生几百甚至上千平方米范围的模拟海浪。基于构造的方法通过数学模型构造海浪，其中基于海浪谱的方法通过波高的统计特征确定波形，仿真效果逼真且计算量适中，适合用于仿真大范围的模拟海面。

基于海浪谱的方法将海浪看作随机过程，把海洋波动近似为由多个振幅不同、频率不同、相位杂乱的线性波形叠加的结果，同时要求海浪能量分布与海浪谱模型吻合。基于海浪谱的方法以谱模型作为海浪波形构建的约束条件，海洋遥感是从图像或回波信号的统计参数中提取海浪信息，二者都关注海浪的统计特性，因此基于谱的海浪模拟方法更适合应用于海洋遥感领域模拟数据的生成。

在基于海浪谱的模拟中，以正弦波为组成波的线性叠加模型直观简洁且易于实现，适用于大范围海浪模拟。但实际海浪受多种动力学因素影响，组成波的形状偏离正弦波，因此有多位学者开展了非线性波浪的相关研究。丁平兴等在精确导出任意均匀水域上三维随机波动一阶解、二阶解的基础上，更严密、更合理地重新推导了波面高度分布的偏度与二阶功率谱的理论表达式,并首次给出了有限水深波面二阶谱的理论形式。Nin等利用源造波技术对无限水深的完全非线性波浪进行了数值模拟研究。Bai和Taylor采用高阶边界元方法在数值波浪水槽中模拟造波板实时运动产生波浪，分别对完全非线性规则波、聚焦波与垂直圆柱相互作用问题及完全非线性波浪对固定和漂浮结构物作用问题进行了模拟。波高在统计特性方面的表现为，线性叠加模型的波高服从正态分布，而实际海浪波高则偏离正态分布。Kinsman最先使用 Gram-Charlier级数拟合海浪波面高度的统计分布；Longue-Higgins解释了这种拟合的依据，从理论上给出了Edgeworth形式的Gram-Charlier级数；孙孚依据线性海浪模式和波动射线理论导出了波高分布；Ochi等使用变换关系ζ＝lnH将波面高度ζ所服从的高斯分布转换为有效波高H的对数—正态分布；侯一筠等在变换ζ＝lnH的基础上引入非线性形状参数β，采用变换关系ζ＝lnH/β将其推得的波面高度分布转换为一种非线性有效波高的分布。