CN116842331B - 非线性聚焦波浪合成计算方法及闭环信号处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种非线性聚焦波浪合成计算方法及闭环信号处理系统，属于电数字数据处理技术领域，设计提出了一种基于任意给定海况波浪谱的特征，可在不规则背景波中运用非线性聚焦机理生成极限波浪的计算方法，同时引入了激光测距仪测量造波板实际的位移，并通过构建的监测分析系统实时修正伺服电机的驱动信号，矫正造波板的运动，与现有技术相比实现了造波板运动的实时闭环精准调控，合成算法完全基于非线性方法。可用于研究真实海洋环境中极限波浪生成的物理规律，了解其作用于海洋结构物时引起的水动力特性，有利于评估海洋结构物在极端海况中的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及电数字数据处理技术领域，尤其涉及一种非线性聚焦波浪合成计算方法及闭环信号处理系统。
背景技术
极端波浪可以在没有任何预警的情况下突然出现在海面上，对船舶、海上平台和可再生能源设备等海洋结构物造成破坏性影响。有很多证据表明这样的极端事件确实可以在自然界中发生，例如Draupner和Andrea事件。
由于外部环境复杂，即使在同一场风暴中也会形成不同的极端波浪，其牵涉的物理机制很难确定，对应的水动力特性也迥然不同。为了在水池中能重现极端波浪，目前最常用的方法为相位耦合法，这种方法基于新波理论，通过产生不同周期和相位的波，使其在指定的位置和时刻同时达到波面最大值实现波列的叠加，从而产生超级巨浪。此种方法的最大弊端在于其生成机理为线性理论，无法合成非线性机理生成的极端波浪。
目前，基于三阶准共振的四波相互耦合作用所引起的调制不稳定性可以非常好地契合极端波浪的一些特征。因此，模拟极端波浪的核心结构可以采用薛定谔方程的解析解，其中最佳原型可采用双局部Peregrine呼吸解，因为它在时间和空间上只振荡一次，比较符合实际极端波浪的生成情况。在弱非线性波动理论的框架下，Peregrine呼吸解的最大振幅放大因子为3，与水深无关，这表明只要有足够的进化距离，所获得的最大波峰振幅总是可以达到初始波峰振幅的三倍。即使在强风和均匀流的作用下，其演化特性也只是略微进行修正，充分显示出其对各种外部扰动的物理鲁棒性。
然而，理论上的呼吸解是基于单色波弱非线性的慢调制假设，其生成的物理条件与现实的海洋环境仍然存在显著的差异；此外，虽然现有技术中存在关于聚焦波的合成算法，如中国专利公开号为CN115186455A公开的一种圆形港池全向聚焦波合成算法，利用圆形港池造波机的独特对称性，实现了极端聚焦波与图形类聚焦波的模拟生成，但是其合成的算法依然基于传统的线性叠加理论，只能在某一特定的背景波场去合成聚焦波，且无法对合成聚焦波的造波机进行实时监测和控制。鉴于目前现有技术存在的以上问题，为了能够在任意不规则的背景波场中采用非线性物理机理聚焦生成极端波浪，必须提出一种新的方法，使之在满足给定海况波浪谱要求的前提下，可以在随机波浪中生成非线性聚焦的波浪。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种非线性聚焦波浪合成计算方法及闭环信号处理系统，解决了现有技术中出现的问题。
本发明所述的非线性聚焦波浪合成计算方法，用于实现极端波浪的生成，包括以下步骤：
S1：根据Peregrine呼吸解的理论表达式，反推其在聚焦位置上游特定地点处的初
始自由表面时程曲线，对应用快速傅里叶变换求得相应的离散波幅谱；
S2：采用同样的频率步长来离散连续的目标海况波浪谱，将连续的给定波浪
谱转换为离散的波幅谱；
S3：判断和的大小关系，根据大小关系得到不规则背景波的对
应波幅谱；
S4：对波幅谱应用快速逆傅里叶变换计算出背景波的时程曲线；
S5：采用线性叠加法实现初始波面的初步合成，合成时程曲线，即；
S6：对合成时间序列应用渐变函数，得到新的时间序列，即 ，使新序列前后两端平滑过渡到零；
S7：利用对应造波机实测的水力传递函数将步骤S6求得的时间序列转换成造波机的期望运动时程曲线，在造波机位置附近布置波高仪矩阵，实现非线性聚焦波浪的生成。
进一步的，还包括非线性聚焦波信号的监测，包括以下步骤：
S11：利用信号处理系统，将步骤S7中得到的运动时程曲线转换为可驱动丝杠电机运动的数字信号；
S12：通过运动控制模块驱动造波板做指定的往复运动，利用激光测距仪记录实际运动位移；
S13：在实时位移监测分析系统中对比步骤S12中得到的实际运动位移与步骤S7中得到的期望运动时程曲线所描述的目标运动位移的差异，如果存在误差超过设定的临界值，则进行预警提示，并通过信号处理系统及时对数字信号进行修正，实现造波信号的闭环监测和控制。
进一步的，步骤S1中Peregrine呼吸解的理论表达式为：
其中：为载波波幅，为载波频率，为载波波数，为波群速度，表示虚数
符号，为时间，和均由线性色散关系求得。
进一步的，步骤S2中频率步长为 ，其中：，；依据关系式 ，将连续的给定波浪谱转换为离散的波幅谱。
进一步的，步骤S3中判断和的大小关系具体包括以下：
如果<，那么；
如果>，那么；
根据以上关系求得不规则背景波的对应波幅谱，其中：表示步骤S1
中离散波幅谱的初始值；表示步骤S2中离散波幅谱的初始值。
进一步的，步骤S4中计算出背景波的时程曲线具体包括以下：假设频谱的相
位在之间均匀分布，结合求得的波幅谱构建对应频率的复数表达式，应
用快速逆傅里叶变换计算出背景波的时程曲线。
进一步的，步骤S5中还包括同步验证过程，用于验证合成过程的准确性，其中，采用统计分析实现同步验证，即有义波高等于初始波面标准差的四倍。其中：有义波高为波列中的三分之一大波波高的均值。
本发明所述的闭环信号处理系统，包括相连接的信号解析处理系统、实时位移监测处理系统和电机驱动模块，所述信号解析处理系统用于将期望运动时程曲线转换为可驱动丝杠电机运动的数字信号，所述电机驱动模块用于驱动造波板做指定的往复运动，所述电机驱动模块还连接有激光测距仪，所述激光测距仪用于对实际的运动位移进行测量；所述实时位移监测处理系统用于对比实际运动位移与期望位移的差异，实现造波信号的闭环监测和控制。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明所述的非线性聚焦波浪合成计算方法及闭环信号处理系统中，本发明提供的极限波浪合成方法为基于调制不稳定性的非线性聚焦算法，有别于目前普遍采用的基于相位耦合的线性聚焦方法。
本发明方法引入了激光测距仪测量造波板实际的位移，并通过构建的监测分析系统实时修正伺服电机的驱动信号，矫正造波板的运动，与现有技术相比实现了造波板运动的实时闭环精准调控。
本发明合成的初始聚焦波列基于给定的频谱属性，可以融入各种海况参数，同时纳入了周围不规则背景波对其非线性演化过程的影响，比现有方法更加契合实际的海洋环境。
本发明提供的合成计算方法，可以快速锁定生成极限波浪的波群，提取聚焦波的关键信息，避免了现有方法中对波浪场中所有波群逐一甄别和搜索的冗杂过程，大幅提升了精准度，并且节省了时间，通过控制变量的方式改变初始参数组合，生成不同波形的随机巨浪，实现了聚焦波生成随机性和实验重构可控快速性的完美结合。
附图说明
图1为本发明非线性聚焦波浪合成计算方法整体的流程图；
图2为本发明非线性聚焦波浪合成计算方法实施例1中在规则背景波中生成的与实际情况更加吻合的极限波浪时程曲线图；
图3为本发明非线性聚焦波浪合成计算方法实施例1中在不同初始波陡参数时可以产生的最大聚焦系数图；
图4为本发明非线性聚焦波浪合成计算方法实施例2中合成的用于在给定海况中生成非线性聚焦波的初始波列图；
图5为本发明非线性聚焦波浪合成计算方法实施例2中在指定位置附近的指定波群中提取到的非线性聚焦波图；
图6为本发明非线性聚焦波浪合成计算方法实施例2中在同一海况中不同随机背景波影响下聚焦高度的概率分布情况图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所述的非线性聚焦波浪合成计算方法，包括以下步骤：
S1：根据Peregrine呼吸解的理论表达式，反推其在聚焦位置上游特定地点处的初
始自由表面时程曲线，对应用快速傅里叶变换求得相应的离散波幅谱；
进一步的，步骤S1中Peregrine呼吸解的理论表达式为：
其中：为载波波幅，为载波频率，为载波波数，为波群速度，表示虚数
符号，为时间。
具体的，根据Peregrine呼吸解的理论表达式，反推其在聚焦位置上游特定地点
处,例如，米的初始自由表面时程曲线，为避免水池反射的影响，
时间序列长度通常取为120秒，时间间隔为0.02秒，载波波幅和载波频率取决于最终
的期望聚焦波形，和均可由线性色散关系求得。
S2：采用同样的频率步长来离散连续的目标海况波浪谱，将连续的给定波浪
谱转换为离散的波幅谱；
具体的，步骤S2中频率步长为 ，其中：，，最大频率保留
到三倍的谱峰频率处，依据关系式，将连续的给定波浪谱转换为离散的
波幅谱。
S3：判断和的大小关系，根据大小关系得到不规则背景波的对
应波幅谱；
具体的，步骤S3中判断和的大小关系具体包括以下：
如果< 那么；
如果>，那么；
根据以上关系求得不规则背景波的对应波幅谱。
S4：对波幅谱应用快速逆傅里叶变换计算出背景波的时程曲线；
具体的，步骤S4中计算出背景波的时程曲线具体包括以下：假设频谱的相位
在之间均匀分布，结合求得的波幅谱构建对应频率的复数表达式，应用快
速逆傅里叶变换计算出背景波的时程曲线。
S5：采用线性叠加法实现初始波面的初步合成，合成时程曲线，即；
具体的，还包括同步验证过程，用于验证合成过程的准确性，其中，采用统计分析实现同步验证，即有义波高等于初始波面标准差的四倍。
S6：对合成时间序列应用渐变函数，得到新的时间序列，即 ，使新序列前后两端平滑过渡到零；剩余有效时间序列的长
度此时约为90秒，过渡区间可以保证中间含有Peregrine呼吸解的波包，在演化过程中不受
序列首尾因线性和非线性色散而释放出的自由波的影响。
S7：利用对应造波机实测的水力传递函数将步骤S6求得的时间序列转换成造波机的期望运动时程曲线；在距离造波机x 0米位置附近布置波高仪矩阵，实现非线性聚焦波的提取。
进一步的，还包括非线性聚焦波信号的监测，包括以下步骤：
S11：利用信号处理系统，将步骤S7中得到的运动时程曲线转换为可驱动丝杠电机运动的数字信号；
S12：通过运动控制模块驱动造波板做指定的往复运动，利用激光测距仪记录实际运动位移；
S13：在实时位移监测分析系统中对比步骤S12中得到的实际运动位移与步骤S7中得到的期望运动时程曲线所描述的目标运动位移的差异，如果存在误差超过设定的临界值，则进行预警提示，并通过信号处理系统及时对数字信号进行修正，实现造波信号的闭环监测和控制。
下面针对不同的实施方式进行具体举例说明。
实施例1：
实施例1为规则背景波中生成非线性聚焦波，来证明本发明方法在规则背景波中可生成期望的非线性聚焦波。
基于Peregrine呼吸解的理论表达式，预设聚焦位置为距离造波机=6 m处，载
波幅值= 0.75 cm，载波频率= 10.68 rad/s，因此深水条件下初始波陡为0.087，初
始波面时程曲线基本为正弦曲线。在忽略表面张力影响的前提下，该初始设置留有足够的
空间距离来实现非线性聚焦过程的演变。如图2所示，本发明方法的波峰高度显然达到了初
始载波幅度的三倍(时间为0s处)，相比于传统的理论分析值，本发明方法生成的聚焦波群
并不具有左右对称的属性，更加接近实际海洋环境中生成的聚焦波的波形特征。如果传播
的距离离开非线性聚焦位置足够远，该周期波的中部振幅会逐渐消失并再次接近背景波的
振幅。
如图3所示中，进一步给出了本发明方法得到的聚焦波峰幅值的极值与不同初始波陡系数之间的关系，可以用于指导开展非线性聚焦波实验时初始载波参数的设计。波陡的变化主要通过改变载波幅值，同时保持载波频率恒定来实现的。为避免波浪破碎的影响，将初始波陡上边界设为0.145。虽然波峰聚焦的绝对高度与初始波陡成正比，但无量纲化后的最大聚焦系数的变化规律较为复杂，在图3中呈现出先增大后减小的规律，在峰值附近(波陡参数约为 0.11处) 有小范围的波动。此外，可以进一步得出结论，本发明方法在规则背景波中获得的表面高程的最大聚焦系数为3.3。
实施例2：
实施例2是在不规则背景波中生成非线性聚焦波，来证明本发明的方法在不规则的背景波中可生成期望的非线性聚焦波。
为了重构在混沌的海浪场中出现的极限波浪选取以JONSWAP谱为特征的不规则波中的非线性聚焦作为第二个实施例。如图4所示，初始聚焦Peregrine波列的载波幅值0.75cm，载波频率10.68 rad/s。初始不规则背景波从能量分配后的JONSWAP频谱中随机生成，其能量分配前的原始谱参数为：有效波高3cm，峰值周期0.588s，峰值增强因子取为6，具体流程参见图1。
如图5 所示，在水池中距离造波机0.1m处提取的时程曲线，包含了具有调制不稳定性的Peregrine波列，其含有可以发生三阶非线性聚焦的初始波群，即在两条垂直虚线之间的部分，与其他波群在初始阶段并没有任何显著的差异。随后，可以观察到该组波群的波能逐渐集中，最终在5.3m位置处形成期望的非线性聚焦波 (圆圈内)。通过上跨零点法分析可知，其高度值达到6.39cm，而周围有效波高仅为2.57cm，因此该聚焦波达到了畸形波的标准(最大波高与有效波高之比大于 2)。实际上，该Peregrine型极值波也是整个波浪场中的最大极值波。
此外，采用本发明方法形成Peregrine型极端波的波能主要来自于同一波群内的前后单波的能量，聚焦时的波形和高度具有一定的随机性，这与真实海洋环境中观测到的超级巨浪非常相似。为了更好地评估本发明方法在随机海况中生成非线性聚焦波的情况，图6给出了本实施例2求得的最大聚焦波高与有效波高之比的概率密度函数。可以看出，以两倍有效波高为分界点，Peregrine型波既可以演化为畸形波，也可以不演化为畸形波；得到的最大波高接近高斯分布，平均值接近2.2倍有效波高，符合中心极限定理。
本发明方法的聚焦效果整体性较好，可以用于重构海洋工程实验中需要的极端海浪。
实施例3：
本发明所述的闭环信号处理系统，包括相连接的信号解析处理系统、实时位移监测处理系统和电机驱动模块，所述信号解析处理系统用于将期望运动时程曲线转换为可驱动丝杠电机运动的数字信号，所述电机驱动模块用于驱动造波板做指定的往复运动，所述电机驱动模块还连接有激光测距仪，所述激光测距仪用于对实际的运动位移进行测量；所述实时位移监测处理系统用于对比实际运动位移与期望位移的差异，实现造波信号的闭环监测和控制。
在本实施例中引入了激光测距仪测量造波板实际的位移，并通过构建的监测分析系统统实时修正伺服电机的驱动信号，矫正造波板的运动，与现有技术相比实现了造波板运动的实时闭环精准调控。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种非线性聚焦波浪合成计算方法，用于实现极端波浪的生成，其特征在于：包括以下步骤：
S1：根据Peregrine呼吸解的理论表达式，反推在聚焦位置上游特定地点处的初始自由表面时程曲线ηP(t)，对ηP(t)应用快速傅里叶变换求得相应的离散波幅谱SP(ωn)；
S2：采用同样的频率步长来离散连续的目标海况波浪谱S(ω)，将连续的给定波浪谱转换为离散的波幅谱SJ(ωn)；
S3：判断SP(ωn)和SJ(ωn)的大小关系，根据大小关系得到不规则背景波的对应波幅谱SJ(ωn)；
S4：对波幅谱SJ(ωn)应用快速逆傅里叶变换计算出背景波的时程曲线ηJ(t)；
S5：采用线性叠加法实现初始波面的初步合成，合成时程曲线ηH(t)，即：ηH(t)＝ηJ(t)+ηP(t)；
S6：对合成时间序列应用渐变函数G(t)，得到新的时间序列ηHG(t)，即：ηHG(t)＝ηH(t)G(t)，使新序列ηHG(t)前后两端平滑过渡到零；
S7：利用对应造波机实测的水力传递函数将步骤S6求得的时间序列转换成造波机的期望运动时程曲线，在理论聚焦位置附近布置波高仪矩阵，实现非线性聚焦波浪的生成；
所述的步骤S3中判断SP(ωn)和SJ(ωn)的大小关系具体包括以下：
如果SJ(ωn))＜SP(ωn)，那么SJ(ωn)＝0；
如果SJ(ωn)＞SP(ωn)，那么SJ(ωn)2＝SJ 2-SP 2；
根据以上关系求得不规则背景波的对应波幅谱SJ(ωn)，其中：SJ 2表示步骤S1中离散波幅谱SJ(ωn)的初始值；SP 2表示步骤S2中离散波幅谱SP(ωn)的初始值。
2.根据权利要求1所述的非线性聚焦波浪合成计算方法，其特征在于：还包括非线性聚焦波信号的监测步骤，具体包括以下：
S11：利用信号处理系统，将步骤S7中得到的运动时程曲线转换为可驱动丝杠电机运动的数字信号；
S12：通过运动控制模块驱动造波板做指定的往复运动，利用激光测距仪记录实际运动位移；
S13：在实时位移监测分析系统中对比步骤S12中得到的实际运动位移与步骤S7中得到的期望运动时程曲线所描述的目标运动位移的差异，如果存在误差超过设定的临界值，则进行预警提示，并通过信号处理系统及时对数字信号进行修正，实现造波信号的闭环监测和控制。
3.根据权利要求1所述的非线性聚焦波浪合成计算方法，其特征在于：所述的步骤S1中Peregrine呼吸解的理论表达式为：
其中：a0为载波波幅，ω0为载波频率，k0为载波波数，cg为波群速度，i表示虚数符号，t为时间，k0和cg由线性色散关系求得。
4.根据权利要求1所述的非线性聚焦波浪合成计算方法，其特征在于：所述的步骤S2中频率步长为Δω，其中：Δω＝2π/T，T＝120。
5.根据权利要求1所述的非线性聚焦波浪合成计算方法，其特征在于：所述的步骤S4中计算出背景波的时程曲线ηJ(t)具体包括以下：假设频谱的相位在(0，2π)之间均匀分布，结合求得的波幅谱SJ(ωn)构建对应频率的复数表达式，应用快速逆傅里叶变换计算出背景波的时程曲线ηJ(t)。
6.根据权利要求1所述的非线性聚焦波浪合成计算方法，其特征在于：所述的步骤S5中还包括同步验证过程，用于验证合成过程的准确性，其中，采用统计分析实现同步验证，即有义波高等于初始波面标准差的四倍；其中：有义波高为波列中的三分之一大波波高的均值。
7.一种闭环信号处理系统，基于权利要求1-6任一所述的非线性聚焦波浪合成计算方法，其特征在于，包括相连接的信号解析处理系统、实时位移监测处理系统和电机驱动模块，所述信号解析处理系统用于将期望运动时程曲线转换为可驱动丝杠电机运动的数字信号，所述电机驱动模块用于驱动造波板做指定的往复运动，所述电机驱动模块还连接有激光测距仪，所述激光测距仪用于对实际的运动位移进行测量；所述实时位移监测处理系统用于对比实际运动位移与期望位移的差异，实现造波信号的闭环监测和控制。
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