海浪实时绘制中波浪谱的选择

Phillips 谱是海浪实时绘制中常用的波浪谱。首先分析了Phillips 谱的结构, 指出该谱是一个瞬时空间谱,其频率谱符合Neumann 形式,与P-M 谱接近,其方向分布函 数为国际拖曳水池会议推荐的形式。令P-M 谱与Phillips 谱具有相同的单位面积波能,给出 了Phillips 谱风速的确切含义并计算出该谱的常数。除了使用Phillips 谱,还尝试其它形式 的谱。用P-M 谱和cos-2s 形式方向分布函数构造了瞬时空间谱PM-cos2s 形式,用JONSWAP 谱和Poisson 形式方向分布函数构造了瞬时空间谱J-Po 形式。比较3 种谱的绘制结果发现, 使用Phillips 谱、PM-cos2s 谱的绘制结果均能反映风速对海浪的影响,不能反映风距的影响, 使用J-Po 谱的绘制结果既能反映风速、也能反映风距对海浪的影响,且三者的绘制帧率一 致。如果要选择适合航海模拟器中海浪绘制的瞬时空间谱,该谱的风参数既应包括风速,也 应包括风距,且生成波应在风向的(-,]范围内,因此J-Po 谱在三者中最适合航海模拟器。 绘制结果已应用于航海模拟器中。     

海浪模拟模型的研究

该文通过研究当今国内外比较成熟的海浪模拟模型,得出各单一经典模型优缺点,并在此基础上提出一种可控FBM模型对海浪进行模拟研究。可控FBM模型的基本思想是以分数维布朗运动曲面(FBM:Fractal Brown Motion)模型为基础,线性叠加使用Gerstner模型的海浪谱海浪模型。可控FBM模型既有FBM模型的良好随机性和快速计算能力,同时通过叠加三维Gerstner模型加入了波的特征,又具有了波易于控制、便于与用户设定参数相适应而产生不同海况的能力,提供灵活方便的用户控制接口,生成的海浪能够随参数的变化实时的改变状态,呈现出不同的海况以及合理的体现海面风对海浪的影响。可控FBM模型生成的海浪逼真度较好,能够模拟大面积的海面,改进效果明显。     

三维随机海浪实时模拟方法研究

分析比较了当前两种比较完备的线性海浪理论,在随机海浪模型基础上设计了一种三维海浪实时模拟方法.利用快速傅立叶变换(FFT)算法进行数值加速计算,完成了海浪的三维造型;研究了基于OpenGL的图形绘制原理,引入顶点数组渲染图形的方法完成了海浪波面的绘制;采用多线程机制使得海浪的数值计算和三维显示能够同步进行.在此基础上对天空以及海浪表面光反射效果进行了模拟,提高了视觉逼真度.通过测试发现,图像刷新频率达到30帧/秒,模拟效果良好.     

基于多波模型和多策略的真实海浪仿真研究

海浪运动随机性大、波谱范围宽,且涌浪波谱窄、能量大,是仿真大规模海浪的难点所在.针对难点问题,采用频率等分方法对海浪波进行区间等分分割,获取海浪真实性有效数据区域,提出了一种在Gerstner软件上扩展多波模型叠加LOD多情况绘制策略的海浪仿真模型.使用P-M波浪谱和SWOP观测数据求解真实海浪一系列参数,完成了海浪模型的真实造型;叠加LOD视点算法和多情况绘制策略解决了海浪模拟实时性问题.基于多波模型,设计了海浪仿真的UML类图,并运用Direct3D技术实现了海浪的实时仿真.实验证明,等分方法能够满足海浪真实场景实时仿真的要求,取得了较好的实验效果.     

基于物理模型的近岸海浪建模与实时绘制

提出一种可以逼真地模拟大面积近岸海浪的方法。首先利用Boussinesq类方程求得指定海域一段时间内的海面运动序列;然后通过对此序列进行重建,得到"无限"长的海面运动序列;最后把相应的海面高度场作为顶点纹理进行绘制。在绘制时采用视点相关的海面网格,达到实时绘制的效果。实验表明,该方法模拟的大面积近岸海浪真实感强,绘制速度快,适合于实时仿真应用。     

小波分解及神经网络在海浪预报中的应用

提出采用小波分解与递推平方根法神经网络模型相结合的方法进行海浪预报。采用小波分析方法既能把握海浪的发展变化趋势,又能简化预报模型,同时基于递推平方根法的神经网络模型预报方法不仅收敛速度快,又能很好地提高精度,减少计算量。即先将不规则海浪信号用小波分析方法进行多尺度一维分解,得到相对简单、规则的准周期分量信号,然后用一种基于递推平方根法的神经网络模型对各重构信号进行预报,最后对预报结果进行集成。最终的仿真结果验证了该方法的有效性。     

大规模海浪场景的真实感绘制

针对计算机图形学中大规模海浪场景绘制的难题,提出一种实时绘制高真实感海浪的方法.首先提出同心圆网格模型来模拟海浪表面;然后利用基于GPU的快速傅里叶变换方法生成海浪高度图,并模拟了Choppy波,减轻了磁砖效应.分别采用立方体纹理映射、平面反射及Phong镜面反射技术模拟海面对天空、景物、太阳的反射效果,并在海面的折射效果中考虑了海水深度的影响.最后模拟了海浪中的泡沫以及景物在海面上的阴影效果.该方法已成功地应用在航海模拟器中.     

海浪的实时视景仿真

该文研究了如何解决海浪的实时视景仿真问题。着重从仿真的实时性和真实感的角度出发,建立了基于海浪谱的不同波级的海浪的仿真模型,详细讨论了海浪数学模型中参数的求法,并探讨了在海浪的实时绘制过程中采取的措施。     

海浪噪声的仿真与滤波

运用海浪谱分析方法,基于MATLAB/SIMULINK对航行中船舶遭遇到的海浪进行实时仿真,描绘出了不规则海浪的特征.海浪对船舶的控制和性能的研究带来很多不便,应该设法消除或削弱其影响.基于切比雪夫函数逼近方法, 设计了一种无限冲激响应(IIR)数字滤波器来实时地对海浪噪声进行滤波.对三级海况下船舶遭遇的海浪进行仿真实验,结果表明,该滤波器不仅设计简单、经济,而且实时性强,滤波效果显著.     

潜艇在随机海浪中摇荡运动的仿真研究

该文采用PM随机海浪频谱来实时仿真长峰波随机海浪对潜艇的随机扰动,对潜艇在海浪中的横摇和纵摇运动进行了时域仿真,潜艇在海浪中的升沉运动则采用Hirom波浪力近似计算公式进行仿真计算。所采用的仿真方法已应用于六自由度潜艇操纵训练模拟器上,结果表明该方法能比较逼真地模拟各种海情下潜艇在海浪中的运动情况,仿真实时性好,仿真精度较高。     

基于海浪谱的实时海洋场景仿真

研究海洋场景中海浪等视景的实现,是计算机在图形学中的具体应用.风浪是海洋表面最主要的一种波浪,从海洋学已有的统计观测结果出发,利用海浪频谱与方向谱的相关公式,对开阔海面深水域由风引起的海浪进行定量分析.利用粒子系统对雨、雪、云等自然现象进行仿真,实现了对海洋场景的实时显示.在VC平台上用OpenGL开放图形库实现了所述海洋场景的仿真.实践证明,提出的方法在实时性与真实感方面均取得了不错的效果.     

Estimating parameters of a two-layer stratified ocean from polarity conversion of internal solitary waves observed in satellite SAR images

This paper presents a method for estimating parameters of a two-layer stratified ocean using satellite SAR images. According to weak nonlinearity shallow water theory, internal solitary waves (ISWs) in stratified oceans may be either depression or elevation waves, depending on the sign of the quadratic nonlinearity coefficient in the KdV equation. It has been confirmed that ISWs can convert their polarity when passing through a turning point, where the quadratic nonlinearity coefficient changes sign. For a two-layer stratified ocean, the turning point is located where the upper and lower layer depths are equal. The authors suggest that depression, elevation and broadening ISWs can be discerned according to their different signatures in SAR images. It is also found that a SAR image can record a continuous evolution process from depression to elevation ISWs in its spatial domain, under conditions of a spatially inhomogeneous ocean environment. Therefore, the upper and lower layer depths can be calculated by determining the polarity conversion of ISWs observed in satellite SAR images. Furthermore, the density difference between the upper and lower layers can also be estimated, when the wave speed is known. We extract ocean stratification parameters, including upper layer depth and density difference, from polarity conversion of ISWs observed in a RADARSAT-1 SAR image taken over the northeastern South China Sea. Comparing the estimated results with field measurements, we find that this method can estimate the upper layer depth with considerable success. In estimating the density difference between the upper and lower layers, it also gives a quite reasonable result.     

全极化合成孔径雷达海浪遥感方法

提出了一种利用全极化真实孔径雷达测量方位方向和距离方向海浪斜率的新方法,该方法不同于极化方向角估计海浪方位向斜率方法,利用两种线极化图像信息将有关弱极化项剔除(流体动力学调制),获得仅包含倾斜项和极化调制项的雷达成像公式。利用机载SAR取代真实孔径雷达进行海浪反演,获得了与浮标致的结果。另外,在速度聚束模式情况下,推导了双极化合成孔径雷达图像谱同海浪谱的非线性变换关系。     

登陆作战仿真系统关键技术研究

该文对登陆作战仿真系统进行了研究,利用该技术建立的登陆作战仿真系统是为战斗中装备的毁伤规律研究和保障方案制定以及战斗效能评估等服务的。为此,主要研究了三维海陆战场环境的实时显示,坦克在海上的运动姿态。战场中实体运动模型和实体对抗模型等方面的内容。由此开发了登陆作战仿真系统,并成功应用在战场演示系统和战斗评估系统中。它为武器装备研究提供了仿真平台,同时该方案的易实现性节约了研究经费。     

极化合成孔径雷达测量海浪的研究

描述了极化合成孔径雷达海浪成像过程。提出了一种极化雷达反演海浪方向谱的方法,该方法利用合成孔径雷达图像谱与海浪方向谱之间简单的线性关系和最优方法反演得到海浪方向谱,并将结果与现场资料进行了比较。经过对同一海区机载雷达P、L、C 3个波段的图像进行反演,其方向谱相当一致,而且有效波高和波向与实测数据吻合相当好。     

基于变系数Gardner方程的海洋内波研究

本文主要是基于同时含有二阶和三阶非线性项的变系数Gardner方程对海洋内孤立波的传播特性开展研究。在吕宋海峡海域,展示了下降型海洋内波的传播特性及其在SAR图像上的信号特征,并着重分析讨论了耗散项和微扰项对海洋内波所引起的表层流速变化的影响。     

气垫船视景模拟系统研究与设计

根据气垫船操纵模拟器的实际训练需要,给出其视景仿真的功能要求,确定了系统总体设计框架,基于软件平台Multi-Gen CreatorPro和Vega及OpenGL语言开发出气垫船操纵模拟器虚拟视景仿真系统.详细阐述了陆地场景构建、海浪生成、海岸带的生成、三点海面匹配法、六点地形匹配法等系统所采用的关键技术,最终建立了逼真的海陆环境,并实现了气垫船海面上和各种复杂陆地上的运动位姿实时调整,真实反映气垫船的运动姿态.仿真结果表明,该系统能满足气垫船操纵模拟器的逼真性、实时性和交互性要求.     

赤潮藻类流式图像自动分析算法的研究

分析了Phillips波浪谱结构,指出该谱是由符合Neumann形式的频率谱和国际拖曳水池会议推荐的方向分布函数构成的方向谱,Phillips谱的频率谱与P-M谱接近。参考P-M谱提供的方法给出了Phillips谱风速的确切含义并计算出该谱的常数,解决了其在应用中未尽的问题。比较PM-ITTC方向谱和Phillips谱的绘制结果,发现用Phillips谱绘制的海浪低频长波更加突出。对Phillips谱和PM-ITTC方向谱进行比对,发现Phillips谱的谱峰频率与PM-ITTC方向谱接近,但谱宽更窄,能量更集中于低频部分。为Phillips谱增加了风距参数,使绘制结果能反映风速、风距对海浪的影响。绘制的海浪传播方向、波高随风速变化而变化,与航海实际情况相符,已应用于航海模拟器。     

干涉合成孔径雷达海浪遥感研究

海浪是重要的海洋环境参数, 它对港口建设、海上航行、油气田开发等具有重要的意义。合成孔径雷达(Syn thet ic Apertu re Radar, SAR ) 是目前大范围测量海浪的主要工具, 用它来估计海浪主波系统的波长和传播方向比较好, 但要定量的提供海浪的振幅以及SAR 图像强度与实际海面的关系是相当困难的, 而且由SAR 图像获取海浪方向谱也比较复杂。沿航迹干涉合成孔径雷达(Along-Track Interferometric Synthet ic Aperture Radar,ATI-SAR ) 是在平台飞行方向上安置两根天线的双天线合成孔径雷达。相对于合成孔径雷达, 真实孔径雷达调制传递函数对沿航迹干涉合成孔径雷达相位图像的影响很小, 因此沿航迹干涉合成孔径雷达更适合测量海浪。详细介绍了沿航迹干涉合成孔径雷达海浪遥感的成像机制, 为进一步反演海浪方向谱奠定了基础, 最后针对目前研究存在的问题以及今后有待研究的方向进行了探讨。