一种针对多种海况的实时海浪仿真方法

技术领域

本发明涉及海浪仿真技术领域，尤其涉及一种针对多种海况的实时海浪仿真方法。

背景技术

地球上海洋占比为70％。陆地占比为30％，海洋系统孕育了地球上的多数生态系统；随着科技的发展和社会的进步，广袤无垠的海洋逐渐成为人们不断探索的对象，对于海洋的探索和海洋资源的利用，人们目前的研究也越来越深入。我国拥有着漫长的海岸线，海洋资源十分丰富，因此，我国十分重视海洋资源的开采和海上安全的情况，在国防方面，海洋仿真系统具有重要作用，由于实际演练各种海洋情况或进行海上实际训练的成本较高且不确定因素较多，故海洋仿真技术可以广泛应用在海上模拟作战、海上模拟训练等领域；另外，随着影视行业的飞速崛起，该海洋仿真系统技术也广泛应于在电影、3D游戏中。

目前较为主流的海浪仿真技术有几何构造法、物理建模法以及海浪谱海浪仿真技术。几何构造法一般情况下都是通过Navier-Stokes方程计算在真实的物理环境下对海浪的运动轨迹进行模拟。即每时每刻计算海浪流体中各质点的状态，在赋予多重物理参数的三维仿真引擎，只需满足选定流体模型的运动条件，即可获取真实感较强的海洋模拟效果。1989年，Pearce与Miller采用物理建模的欧拉法来模拟流体，该方法将流体看做为粒子群集合，对不同类型粒子的赋予不同运动轨迹函数，进而通过分析与计算粒子间的碰撞与散射对海浪进行模拟，其仿真效果在一般流体的模拟上获取了较为成功的真实感。但该技术缺点在于数据真实性较低、交互性较差且无物理参数，不便于后续模拟各级海况；物理建模法主要应用了不同数学函数等(正余弦函数等)在世界空间下进行叠加对海浪进行仿真，对未知运动状态的海浪形态设置对应的近似参数保证其波形具有海浪运动的不确定性。

2009年Miandji采用了一种与传统几何模型不同的方法对近海场景进行绘制，主要通过对真实世界中大西洋远海的不同频率波浪波动频率的观察，传统的几何模型建模方法进行优化，相较于一般的海浪场景仿真具有较高的真实性。但该方法实时性较差且算法较为复杂，不利于后续仿真实时海况。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种针对多种海况的实时海浪仿真方法，具体包括如下步骤：

S1:根据需要选取海浪频率谱形式；

S2:针对选取的海浪频率谱通过海浪参数信息表或真实海浪数据获取海浪谱参数信息，包括特征周期和有义波高参数信息；

S3：对角频率进行离散化处理，基于海浪频率谱和离散化后的角频率获取确定频率下的各个波浪谐波的幅值和初相位，从而得到谐波分量；

S4：选取扩散函数，将各个频率下谐波分量与扩散函数相结合；

S5：将所有频率下的谐波分量与扩散函数结合后的模型进行叠加，最终获得三维海浪仿真模型。

S1中选取的海浪谱形式如下：

PM谱：

ITTC双参数谱：

JONSWAP谱：

其中h

所述海浪谱参数信息采用海浪参数信息表查询获得或根据真实海洋数据获得，其中将海浪传感器搭载于海上浮标上获取所测海域的实时海洋数据。

采用等间隔法对角频率进行离散化处理：设需要仿真的频段为ω

确定频率下的各个波浪谐波的幅值和初相位时采用如下方式：

采用叠加后的余弦波对海面进行建模，以余弦波为基础建立的海浪模型公式为：

在对频率进行离散后，得到一系列的采样频率ω

当△ω无限小时，认为△ω区间中的单元波具有相同的波幅，则将上面公式转化为：

由此求出对应于每一个离散后的频率的谐波的幅值；

海浪的初始相位是一个在0-2π之间的均匀分布，使用生成[0,1]区间内随机数并乘以2π获得，至此获得海浪模型中所有参数。

所述扩散函数采用如下公式：

ω为当前海浪频谱的频率，ω

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明海浪模拟效果图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：

如图1和图2所示的一种针对多种海况的实时海浪仿真方法，包括如下步骤：

S1:根据需要选取海浪频率谱形式；

S2:：针对选取的海浪频率谱通过海浪参数信息表或真实海浪数据获取海浪谱参数信息，其中海浪谱参数信息包括特征周期和有义波高等参数信息；

S3：随后对角频率进行离散化，基于海浪频率谱和离散化后的角频率获取确定频率下的各个波浪谐波的幅值和初相位，从而得到谐波分量；

S4：在获得谐波分量后，选取合适的扩散函数，将各个频率下谐波分量与扩散函数相结合；

S5：将所有频率下的谐波分量与扩散函数结合后的模型进行叠加，最终获得三维海浪仿真模型。

进一步的，S1中选取的海浪谱形式如下：

PM谱：

ITTC双参数谱：

JONSWAP谱：

其中h

进一步的，所述海浪谱参数信息可使用海浪参数信息表查询获得或由真实海洋数据获得。其中海浪参数信息表如下：

另外，真实海洋数据可以通过海浪传感器搭载于海上浮标的形式对所测海域进行海洋实时数据测量获得。

进一步的，S3中的对角频率进行离散化，可使用等间隔法进行处理，其中等间隔法具体操作为：设需要仿真的频段为ω

进一步的，确定谐波的幅值和初相位采用如下算法，研究表明余弦波能够较好的对海洋表面线性波浪的运动进行建模。在此基础上，可以利用叠加后的余弦波对海面进行建模。下式给出用余弦波为基础建立的海浪模型公式：

在对频率进行离散之后，得到一系列的采样频率ω

当△ω无限小时，可以认为△ω区间中的单元波具有相同的波幅，于是，上式可以转化为下面的形式：

由此，可以求出对应于每一个离散之后的频率的谐波的幅值。

海浪的初始相位是一个在0-2π之间的均匀分布。可使用生成[0,1]区间内随机数并乘以2π获得，至此可获得海浪模型中所有参数。

进一步的，扩散函数采用下述公式：

在上述多个方向谱中其参数意义相同，ω为当前海浪频谱的频率，ω

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。