[发明专利]一种用于极端海浪物理实验的造波机运动信号修正方法

说明书

本发明涉及一种用于极端海浪物理实验的造波机运动信号修正方法，该方法包括：生成理论造波信号y(t)；将生成的理论造波信号y(t)在时域上延拓为f(t)；构造初始造波信号段y1(t)；构造终止造波信号段y2(t)；将构造得到的初始造波信号段y1(t)、生成的理论造波信号y(t)以及构造得到的终止造波信号段y2(t)按照步骤S2中的f(t)的表达式进行时域组合，得到造波机实际运动信号f(t)，该方法使得造波机的理论运动信号不会出现失真的情况，很好保持了理论造波信号的完整性，然后根据造波机的实际运动情况构造出初始造波信号段和终止造波信号段，充分保证了造波机运动机构的连续性和安全性，并且可以有效地控制造波机在实验波浪产生前对水体的扰动，提高实验结果精度。

技术领域

本发明涉及实验室波浪的物理模拟技术领域，尤其是涉及一种用于极端海浪物理实验的造波机运动信号修正方法。

背景技术

海洋中的极端波浪是海洋灾害事件产生的主要原因之一，目前其产生原因及时空演化规律还处于科学研究过程中。根据海洋中有限观测点的实测结果，在物理波浪水池(槽)中进行反演，可推断得海洋极端波浪的产生原因及演化规律。因而，极端波浪的高精度物理模拟对于其实验研究至关重要。

造波机是物理水池(槽)中产生极端波浪的主要实验设备，对于极端波浪的产生，其运动信号通常根据极端波浪的海洋实测结果，利用线性或非线性波浪理论反演获得，该信号被称为理论造波信号，示例如图1。由于造波机必须从静止开始启动产生波浪，然而反演所得的理论造波信号，在绝大部分情况下其起始值为非零值，这与造波机的实际初始状态不匹配。如果直接利用理论造波信号驱动造波机运动，为了达到理论信号的设定值，造波机将在极短时间内产生较大的加速度，这可导致造波机的运动机构损坏。此外，造波机的急剧运动将使水池(槽)中的水体产生大幅的波动，这将给后续波浪的生成与测量带来显著的误差。当造波结束后，造波机应处于静止平衡位置，然而理论造波信号在终止时刻，其驱动信号大都不为零，这意味着在造波结束时造波机处于不平衡位置，在重力的作用下造波机将发生失稳，进而可使其驱动连接机构发生不可逆形变，其示例如图2。

为解决理论造波信号与造波机实际运动在起始和终止时刻不匹配这一问题，目前相关科研工作者们通常采用Ramp函数法对理论造波信号进行修正。如图3所示，斜坡Ramp函数通常为分段函数，在初始一段时间内从零开始单调递增(0-4s)，在中间大部分时间内Ramp函数取值为1(4s-26.5s)，在临近结束的时间段内(26.5s-28.5s)单调下降至零。将Ramp函数与造波机的理论运动信号相乘即得到实际造波信号(由图1和图3获得的实际造波信号如图4所示)。

从图4中的实例结果可知，利用Ramp函数对理论造波信号进行处理后，所得的实际造波信号从零开始缓慢运动，在造波即将结束时造波机的运动逐渐减小至零而停止，这的确满足了造波机对实际造波运动的要求。然而，从图4中的理论信号与修正后得到的实际造波信号比较可发现，经过Ramp函数处理后得到的实际造波信号，在初始时间段(0-4s)和造波结束时间段(26.5s-28.5s)，均严重偏离理论造波信号。因而，从上述对Ramp函数法所得结果的分析中可知，该方法使造波机的理论运动信号失真，即在物理水池中产生的波浪并不是按照理论预期生成的波浪结果，这将影响极端瞬态波浪实验结果的精度和可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种避免造波机的理论运动信号失真，从而提高极端瞬态波浪实验的精度和可靠性的用于极端海浪物理实验的造波机运动信号修正方法。

本发明所采用的技术方案是，一种用于极端海浪物理实验的造波机运动信号修正方法，该方法包括下列步骤：

S1、生成理论造波信号y(t)：根据物理水池中设定的实验位置处的极端波浪的时间历程曲线η(x,t)来计算得到造波机的理论运动信号y(t)，t∈[0 T]；