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《哈尔滨工程大学》 2004年
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由航行中船舶运动预报海浪

江林  
【摘要】:目前获得海浪信息的主要方式有:理论或半经验波浪谱、波浪遥测、随船测量及定点测量。近年来,我国在海浪数值预报方面取得了长足的进步,但是其方法大多仍然有区域性或特殊海况的要求,不能满足船舶耐波性相关试验,以及改善船舶操纵、控制品质需要获得实时航行海域波浪信息的要求,故研究者一直在探求获得实时航行海域波浪信息的各种途径。 签于现有的浪高仪随船直接测量波浪的诸多限制,本文以船舶自身为波浪测量仪,致力于由尽可能少,并且采集方便的船舶运动响应信号估计描述当前海浪状态的海浪谱。由于估计中不依赖原始理论计算的传递函数,仅基于实时测量的船舶运动信号,通过自适应参数优化估计船舶运动传递函数并反演海浪谱,故该海浪测量方法可以适应船舶自身运动参数的变化。同时,由于估计的实航船舶传递函数与事先计算或测量的船舶传递函数得以比较,其它海浪观测方法与随船测量结果得以比较,可以深化、修正对许多不易实时测量的海浪激励状态与船舶运动响应关系的认识,并积累关心海域海浪谱信息。另外,本文以极小的计算和测量代价得到了基本的浪向信息,这是通过将船舶纵、横摇运动谱能量等效转化为二轴测波仪实现的。 本论文基于船舶自身运动信号的自适应处理,提出简易有效、适应性较好的提取海浪谱激浪向信息的方法,可供工程应用参考。其主要工作及研究成果如下: 1.船舶运动的波浪扰动激励的生成 船舶在不规则海浪中的运动是随机过程。然而,根据海浪理论,船舶运动的扰动输入被认为是由不同频率、幅度、沿不同方向行进的组成波构成。由于本文目的是探讨依据航行中船舶运动信息反演海浪谱,为了使问题尽量清晰、主线明确,在初始阶段不考虑波浪方向的分散型,仅采用长峰不规则波模型,依据频率等分法建立海浪模型 2.船舶运动模型的建立 船舶在不规则海浪中的运动是窄带平稳随机过程,随机波浪及船舶运动的模拟是系统仿真的基础条件。根据船舶耐波性原理可以将船舶运动看成在波浪输入激励下船舶水动力学系统的输出。同时,根据船舶在小幅输入时保持线性特性的 哈尔滨工程大学博士学位论文 假设,船舶在不规则波中的响应又可以分解为各规则成分的迭加。船舶动力学特 性由传递函数描述,该传递函数是利用基于切片法的船舶运动计算彻字得到的, 它给出了船舶在规则波中以O一165“(间隔15“)12个浪向上航行时船舶运动传递 函数的振幅H(叻和相位拭劝。长峰波不规则波的时间历程由具有随机相位的不 同幅值、频率的余弦函数构成。在此基础上,根据系统响应的概念得到船舶运动 的时间历程。 3.实时自适应船舶运动频率响应特日胜户(动的估计 户(劝的估计是海浪谱估计的关键基础步骤,直接影响海字躇预报的准确度。 由于船舶与波浪的遭遇状态随着波浪幅度、波浪周期、遭遇浪向以及船舶速度、 装载状态等因素变化。在不同的遭遇状态下,船舶运动信号的特征(遭遇频率、 偏度、峰度)及噪声背景随之变化。为了扩展海浪谱估计对不同遭遇状态的适应 性,发展能够在提取信息的同时又有较强的抗干扰能力的估计方法,经过多种传 递函数辨识途径的估计稳定性、计算代价以及对遭遇状态的适应性的仿真比较, 提出了自适应优化迭代的方法。首先由基于高阶累积量的辨识算法确定初始传递 函数,其后通过最小化观测、估计运动谱误差得到斤(动的最优估计。 4.海浪谱反演 本文中,阁良谱反演是以系统传递函数未知为前提的,故在完成户(甸初始估 计后,优化户(动及海浪谱反演必须同时进行,这可以归为一类自适应盲信号处理。 它的输州言号是当前采集的船舶运动信号时间序列,依据船舶运动传递函数窄带、 正性的先验知识作为附加约束,即通常所称:规整化,把波浪谱反演问题变成了 一个最小化问题。也即用输入和反演的运动谱的均方误差驱动自适应滤波器,船 舶运动传递函数修正和波浪谱反演交替迭代进行,使船舶运动传递函数收敛于最 佳值,并得到相应的海浪谱估计。该算法结构清晰,计算复杂度低,对船舶与波 浪的遭遇状态的变化有较强的适应性。 5.遭遇浪向估计 将船舶纵摇、横摇运动信号转换为二轴流速仪的输出,以极小的信号采集和 数据处理代价获得基本的浪向信息。 6.波浪谱主要参数计算 通常,波浪谱参数是以绝对彼浪频率山为基础计算的,故应将遭遇澎良谱依 由航行中船舶运动预报海浪 据相应的浪向和速度转换为对应的绝对波浪谱。这种转换依据能量相等的原则导 出,对每一个绝对波浪频率。,都有唯一确定遭遇频率。。与之对应,反之则对应 一个多值函数,分三种清况计算。 7.海浪预报仿真有效性分析 虽然实船试验是回答本文提出的方法是否有效的最终检验途径,本节试图依 据上述仿真有效性检验的基本原则,从统计特性的角度说明生成的海浪仿真信号 和船舶运动信号符合线性海浪模型的统计特性,从而验证仿真系统的数据有效性, 并对随机条件下的仿真结果及其对噪声变化的适应性作一个简略的统观描述。
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