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第50卷 第2期 海 洋 与 湖 沼Vol.50, No.2 2019年3月OCEANOLOGIA ET LIMNOLOGIA SINICAMar., 2019* 国家重点研发计划项目, 2016YFC1401002号; 国家自然科学基金项目, 41606201号, 41620104003号, 41576173号; 国家自然科学基金青年项目, 41706202号; 江苏省高校自然科学研究面上项目，17KJB170017号。
端和阳, 硕士研究生, E-mail: duanheyang@① 通信作者: 何宜军, 博士生导师, 教授, E-mail: yjhe@收稿日期: 2018-09-27, 收修改稿日期:2019-01-17一种改进的基于逆Omega-K 算法的海面场景SAR 原始数据仿真方法*端和阳 刘保昌 何宜军① 李秀仲(南京信息工程大学海洋科学学院 南京 210044)摘要 合成孔径雷达(SAR)海面场景原始数据仿真是研究海洋动力参数(表面波浪、风矢量和洋流)的有效工具。
目前海面场景原始数据仿真方法已经基于逆Omega-K 算法实现了海洋运动参数的空间变化。
但是目前仅仅讨论了正侧视情况下的海面场景仿真, 应用范围有限, 同时没有考虑Stokes 漂流以及Bragg 相速度的影响, 而这两者都是存在于真实海面的。
通常情况下为了反演得到海面流场的二维速度矢量, 雷达需要从两个不同的方位方向观察海面的同一个区域, 因此这就需要考虑大斜视的雷达波束, 同时Stokes 漂流和Bragg 相速度是SAR 海表面流场观测不容忽视的两种运动。
本文在不改变原有正侧视逆Omega-K 算法的情况下, 通过增加重新计算零方位时刻的斜视波束中心位置坐标, 并据此确定SAR 原始数据在多普勒域的位置来将其扩展到大斜侧视逆Omega-K 算法, 并通过时域Stokes 漂流公式到频域内离散化Stokes 漂流公式的推导来加入Stokes 漂流, 以及根据Bragg 散射机制加入了Bragg 相速度。
第38卷第10期 计算机仿真 2021年10月文章编号：1006 - 9348 (2021) 10 - 0492 - 05
基于物理模型的海浪真实感模拟研究
朱天惠，任鸿翔*，赵玉然(大连海事大学航海动态仿真和控制交通行业重点实验室，辽宁大连116026)
摘要:为了提升航海模拟器视景系统的真实感，提出一种基于物理模型的流体粒子的旋涡限制力模型。采用基于位置的动 力学框架构建流体粒子系统模型，通过涡度约束函数产生旋涡限制力，利用旋涡限制力实时更新流体粒子旋向加速度，进而 更新流体粒子速度场。结果表明添加旋涡限制力的流体粒子模型可有效地模拟出复杂海面上海浪的翻卷与破碎，所求得速 度场的粒子系统可一定程度上真实地模拟海浪表面，能有效地提高航海模拟器视景系统的真实感。关键词：航海模拟器;海浪模拟;基于位置的动力学框架;旋涡限制力 中图分类号:TP391.9 文献标识码：B
Research on Realistic Simulation of Ocean Wave Based on Physical Model
ZHU Tian — hui, REN Hong - xiang * ,ZHA0 Yu - ran(Key Laboratory of Marine Dynamic Simulation and Control for Ministry ofCommunications, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)
ABSTRACT： In order to improve the reality of the visual system of the maritime simulator, a physical model based vortex limiting force model of fluid particles is proposed. The basic idea is to use the Position Based Dynamic framework to build the fluid particle system model. The vorticity constraint function was used to generate the vorticity constraint force, and the vorticity constraint force was used to update the rotational acceleration of fluid particles in real time, and then update the velocity field of the fluid particle. The result shows that the fluid particle model with vortex limiting force can effectively simulate the wave overturning and breaking of complex sea surface, and the particle system of the velocity field can simulate the wave surface to a certain extent, which can effectively improve the reality of the visual system of the ship simulator.KEYWORDS： Maritime simulator； Wave simulation； PBD framework； Vortex limiting force
海洋平台结构的抗风特性建模与实验研究随着全球气候变化带来的极端天气事件频发，对海洋平台结构的抗风性能进行深入研究变得越来越重要。
海洋平台是为了在海上进行能源开发和其他海洋工程而建造的结构物，如风力发电机组、海上石油平台等。
这些结构必须能够经受住自然环境中的挑战，特别是强风的冲击。
本文将讨论海洋平台结构的抗风特性建模与实验研究的现状和方法。
抗风特性建模是研究海洋平台结构的重要一环。
通过建立数学模型，可以模拟平台在不同风速下的响应，并预测其抗风性能。
常见的建模方法有基于经验公式的工程方法和基于物理原理的数值模拟方法。
在工程方法中，研究者通常根据历史数据和工程实践，建立经验公式来评估平台的抗风性能。
这些公式考虑了平台的结构特点、尺寸和形状等因素，并通过风荷载计算方法，预测平台在风力作用下的响应。
这种方法简单直观，适用于初步设计及简化评估。
然而，由于工程方法依赖于经验公式，其适用性受到一定限制。
因此，为了更准确地评估海洋平台的抗风性能，越来越多的研究者转向基于物理原理的数值模拟方法。
这些方法基于风力在平台结构上产生的气动载荷，运用导流理论和结构动力学的原理，对平台的响应进行精确计算。
数值模拟方法主要包括计算流体力学（CFD）和风洞试验。
CFD方法通过将空气流动建模为数学方程组，然后利用计算机算法求解这些方程来模拟风力作用下的平台响应。
它提供了更为详细和全面的信息，可以考虑更多复杂的风场和平台几何形状，但计算量较大且计算结果的准确性受到网格分辨率和边界条件的影响。
与之相比，风洞试验是通过模型试验来研究平台结构在风力下的响应。
试验模型通常是平台的缩尺模型，可以在受控的气流中进行实际物理观测。
风洞试验可以提供准确的力学数据，用于验证数值模拟结果的准确性。
然而，风洞试验受限于试验尺寸和实验设备，很难完全模拟真实环境。
综合而言，抗风特性建模与实验研究的方法上具有互补性。
工程方法适用于初步设计和简化评估，而数值模拟和风洞试验则可以提供更准确和详细的信息。
基于物理模型的实时海面模拟
邱捷;陈雷霆
【期刊名称】《计算机与数字工程》
【年(卷),期】2006(34)1
【摘要】海洋模拟是计算机图形学中的一个重要分支.在过去的数年中,由于海洋模型本身的复杂和计算机硬件性能的限制,无法实时的模拟出逼真的海面效果.但随着计算机硬件性能的飞速发展和物理工程等领域对海面模型研究的深入,在最近几年出现了多种实时渲染海面的技术.该文将介绍一种利用海洋物理模型模拟海面运动现象的技术.这种技术的实时不是特别复杂,而且能够拥有良好的性能,非常适合在实时三维引擎中生成大面积外观真实的海面.
【总页数】4页(P4-7)
【作者】邱捷;陈雷霆
【作者单位】电子科技大学计算机科学与工程学院,成都,610054;电子科技大学计算机科学与工程学院,成都,610054
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于物理模型的实时卡通烟雾模拟算法 [J], 湛永松;石民勇;费广正
2.基于物理模型的实时喷泉水流运动模拟 [J], 万华根;金小刚;彭群生
3.基于物理模型的实时烟雾模拟 [J], 汪继文;杨贤达
4.基于物理模型的烟雾实时模拟 [J], 秦培煜;陈传波;吕泽华;夏晖
5.基于粒子系统和物理模型的实时飘雪模拟 [J], 王睿雪
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动态海面上方船舶六自由度运动仿真陈万紫;张培珍;黄健儿;区丽连【摘要】在Fudide-Krylov假设条件下,依据船舶分离建模理论在固定和运动坐标系中计算海面船只六自由度运动数学模型。
主要包括:对风、浪、流的单独建模并进行矢量叠加,并在风浪流联合作用下对船舶六自由度运动构建简化的数学建模,完成实时仿真。
基于Simulink和V-Realm Builder虚拟现实技术创建船舶运动模型、海洋表面环境及船只的几何模型,对船舶六自由度运动进行视景仿真,给出了有风无浪、有浪无风和风浪兼有三种情况下船只旋回路径和船舶运动轨迹。
在VR视景浏览器中创建动态海面上船舶六自由度运动模型,不仅易于实现且结果逼真。
得到的结果为进一步研究动态船只目标声散射特性的精确预报提供基础。
【期刊名称】《海洋技术学报》【年(卷),期】2019(038)001【总页数】6页(P40-45)【关键词】傅汝得-克雷洛夫假设;六自由度;VR与Simulink;视景仿真【作者】陈万紫;张培珍;黄健儿;区丽连【作者单位】[1]广东海洋大学电子与信息工程学院,广东湛江524088;[1]广东海洋大学电子与信息工程学院,广东湛江524088;[1]广东海洋大学电子与信息工程学院,广东湛江524088;[1]广东海洋大学电子与信息工程学院,广东湛江524088;【正文语种】中文【中图分类】P733.24在船舶六自由度运动数学模型方面，近年来国内外已取得一定的研究成果，综述船舶载荷和运动研究在船舶设计和运行研究中的重要意义。
由于船舶六自由度运动方程比较复杂，若利用传统的程序设计语言编制仿真软件，计算量较大且不易调试，不具备可移植性。
近年来，许多国内外专家和学者在船舶六自由运动仿真的发展和研究中做出了很大的贡献。
徐静[1]等基于船舶六自由度操纵运动开展了一系列的试验和数值模拟研究。
考虑三自由度船舶平面运动与横摇、纵摇、垂荡运动的耦合，建立了波浪中船舶六自由度操纵耐波全运动模态的数学模型；TahsinTezdogan[2]使用非定常Reynolds-Averaged Navier-Stokes求解器，进行了浅水船舶运动的数值研究。
应用模拟海杂波图像反演海面风场算法研究I. 研究背景和意义A. 海面风场对海洋环境的影响B. 海杂波图像反演海面风场的研究意义C. 国内外研究现状II. 海杂波图像反演海面风场算法原理A. 海杂波的特点B. 海杂波图像反演海面风场算法原理分析C. 选择适当算法的依据III. 海杂波图像反演海面风场算法实现A. 数据采集B. 数据预处理C. 算法实现流程IV. 海杂波图像反演海面风场算法应用A. 算法应用范围的确定B. 算法应用实例介绍C. 验证算法效果的评价指标V. 结论与展望A. 实验结果与分析B. 问题与不足C. 展望以及未来研究方向注：AI编写，仅供参考，不代表本人观点第1章节：研究背景和意义A. 海面风场对海洋环境的影响海面风场是指海面上的气象风力所表现的空气运动，并进一步影响海面波浪、水位、海流和深层水团的分布等海洋环境要素。
海面风场是海洋环境的重要因素之一，是海洋生态系统、海洋渔业、航运等多个领域的重要影响因素。
因此，对海面风场的准确掌握以及对风场的预测和监测等工作显得十分重要。
B. 海杂波图像反演海面风场的研究意义在海上和近海区域，如何获取海面风场信息一直是一个难题。
目前，主要的措施是依靠气象站点及气象卫星等手段获取风场，但是这种方法的数据精度、实时性以及空间分辨率都有限制。
因此，一些新的方法和技术被提出，其中反演技术是其中重要的一种方法之一。
海杂波图像反演海面风场就是将海杂波图像与海面风场之间的关系结合起来，通过图像处理和模型计算等方法反演出海面风场信息。
这项技术可以大大改善我国海洋环境数据获取的状况，提高了海面风场数据的可靠性和准确度，对于海洋观测和预测、海上油气开发和水上交通等领域都有广泛的应用前景。
C. 国内外研究现状近年来，关于海杂波图像反演海面风场的研究在国内外都得到了广泛关注。
海杂波图像反演海面风场的主要算法包括半经验-全理论算法、全经验算法和混合算法等。
这些算法在不同的数据集和气象条件下都有不同的适用性，在具体应用中可以根据具体情况选择适当的反演算法。
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- 1 -高 新 技 术
０ 引言海面场景是应用较多的虚拟现实场景之一，本文旨在设计一种满足逼真性与实时性要求的大规模海面仿真建模算法。海面建模方法的研究始于20世纪80年代，由于海面形态复杂且是时变的，加上其受到海洋环境、气候条件的影响，因此海面建模有其独特的复杂性。海面建模方法目前大致可以分为：（1）基于物理模型的方法。（2）基于几何模型的方法。（3）基于细胞自动机的方法。（4）基于海浪谱的方法。为了便于比较，根据相关参考文献的结论，各种海面建模方法的优缺点见表1。表1 海面建模方法对比仿真方法逼真性实时性模型表达式基于物理模型好一般复杂基于几何模型一般好一般基于海浪谱较好较好比较复杂基于细胞自动机一般较好一般海浪谱的海面建模方法之所以在逼真性方面效果较好，原因在于海浪谱是基于对海洋的实际观测结果。海浪谱反演建模的一般方法主要有线性滤波法和线性叠加法，线性滤波法的优势主要在于海浪传播方向体现明显，线性叠加法的优势主要在于逼真性更好。对于风驱海面而言，其海浪传播的方向性明显，因此，考虑到逼真性与风驱海面方向性明显的实际情况，本文选择基于海浪谱的线性滤波法进行风驱海面仿真算法设计。
１ Ｐ－Ｍ谱海浪谱即海面的功率谱函数，定义为海面高度起伏自相关函数的傅立叶变换，它反映了构成海面各谐波分量相对于空间频率和方位的分布。不同的海浪谱各有其适用范围。对于风驱海面而言，其状态多为充分成长的风浪，由Pierson和Moscowitz通过对北大西洋实测数据进行分析得出的P-M谱（ITTC双参数波谱）符合程度更高。其形式为：
（1）其中，S（ω）（频谱）表示频率间隔Δω内的平均能量，即能量密度。P-M谱一维波数谱形式为：
（2）二维P-M波数谱分布如下： （3）
其中：空间波数K定义为在单位距离内的波的个数，其范围由以下关系限定：
（4）， （5）
x、y为空间坐标，Δx、Δy为二维距离向划分的最小距
离单元。a=0.0081，β=0.74为经验常数，u19.5[m/s]为离海面
19.5m高处的风速，图1为P-M谱的频谱能量分布。
图1 P-M谱频谱能量分布图fm
２ 建模算法设计线性滤波法是通过滤波器对输入信号进行滤波来得到模拟海面，我们知道，作为平稳随机过程（均值、方差等统计特性不随时间变化的随机过程即平稳随机过程），粗糙面起伏的相关函数与其谱密度函数是一对傅立叶变换关系，即： （6）
π （7）在海浪理论中通常把海浪看作是平稳随机的过程，本文也作此假设。海面是一种典型的随机起伏粗糙面，因此根据
风驱海面实时仿真建模算法研究纪刚陈聪（海军航空大学舰面航空保障与场站管理系，山东 青岛 266041）
摘要：本文基于线性滤波法设计了一种海面建模算法，利用P-M谱对高斯白噪声进行线性滤波得到服从高斯分布的随机海面模型，并从实时性和逼真性对建模算法进行了实验验证。关键词：P-M谱；仿真建模；实时中图分类号：TP391文献标志码：A中国新技术新产品2018 NO.6（上）
- 2 -高 新 技 术
式（6）、（7）我们可以得出如下结论：通过对海面的海浪功率谱密度函数进行傅立叶逆变换可以得到海面起伏的自相关函数，进而可以得到海面起伏分布函数，这就是基于线性滤波法的海面建模的基本思想。依照以上基本思想，本文设计的海面建模过程大致可以分为3步：（1）产生均值为0的二维高斯白噪声信号，利用二维傅立叶变换将其转换到频域作为输入。（2）利用P-M谱的功率谱密度函数对输入信号进行调制。（3）对调制后信号进行傅立叶逆变换，提取其实部作为海面高度值分布输出，该过程可由图2表示。具体实现步骤如下：（1）定义仿真海面范围lx、ly与离散间隔数nx、ny，离散间隔Δx=lx/nx，Δy=ly/ny。
（2）产生nx×ny个独立的Gauss随机数γ（nx，ny）作为
输入的白噪声信号，其均值为0，方差为1。（3）产生空间波数分布Kx，y，进而得到波数谱的功率
密度分布S（K，φ）。（4）对γ（nx，ny）进行二维傅立叶变换将其转换到频域，
记为'(,)nxnyγ。
（5）取γ'（nx，ny）的绝对值作为信号幅值|γ'（nx，ny）
|，利
用功率谱密度函数S（K）对|γ'（nx，ny）|进行调制得到|γ'（nx，
ny）
|'。
（6）计算信号总功率值E，进而得到信号相位α（nx，ny）。
（7）组合成nx×ny个复随机数。（8）对进行二维傅立叶逆变换并提取其实部作为海面高度值分布S（nx，ny）。在此对第（3）步中空间波数分布Kx，y的产生及其意
义作进一步说明：K的范围由Δx，Δy限定，以x向为例，在x向上共有nx个离散点，每一点的Kx值均在此范围内，
即有nx个Kx值，令第一个离散点Kx值为，第nx个离
散点Kx值为，其余点处采用等间隔取值得到其Kx值，y
向Ky值取法与x向相同。由（5）式即可求得到仿真海面
空间波数分布Kx，y。其意义在于根据每一点的K值可以由
波数方向谱S（K，φ）得到该点处的功率。
３ 仿真实验为验证该海面建模方法的有效性，本文进行了两组实验：A组验证风速、风向以及网格数对成像结果的影响，
（a）（e）（b）（f）（c）（g）（d）（h）图3 仿真海面
图2 线性滤波法海面建模中国新技术新产品2018 NO.6（上）
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B组验证仿真海面的波数分布与实际海浪谱波数分布的一致性。３．１ 实验Ａ实验分别选取了不同风速、风向、网格数，仿真海域范围为2048m×2048m，具体仿真参数设置情况见表2，仿真效果如图3所示。表2海面建模参数图中序号风速（ｍ／ｓ）风向（rad）网格数（n×Res）序号风速（ｍ／ｓ）风向（rad）网格数（n×Ｒｅs）（ａ）２０π／２５１２×５１２（ｅ）２０π／６５１２×５１２（ｂ）３０π／２５１２×５１２（ｆ）３０π／６５１２×５１２（ｃ）２０π／２２５６×２５６（ｇ）２０π／６２５６×２５６（ｄ）３０π／２２５６×２５６（ｈ）３０π／６２５６×２５６３．２ 实验Ｂ实验选取图4所示仿真海面进行二维波数谱能量分布成像，从图中可以看出能量集中在某一波数附近区域。单帧仿真海面的耗时。从中可以看出，单帧图像的仿真时间只与设定的网格数有关，随着网格数的增加，成像耗时也相应增加，对于512×512个网格数，成像耗时在毫秒级，因此该海面建模方法很好地满足了实时性方面的要求，见表3。表3 单帧图像耗时图中序号帧耗时ｍｓ网格（n×Res）序号帧耗时网格数（ａ）５．８７５１２×５１２（ｅ）５．０１５１２×５１２（ｂ）５．８２５１２×５１２（ｆ）５．９２５１２×５１２（ｃ）３．６２２５６×２５６（ｇ）３．６５２５６×２５６（ｄ）３．７０２５６×２５６（ｈ）３．７２２５６×２５６结论本文基于线性滤波法设计了海面仿真算法，并利用该算法进行了多次实验，从不同方面观察了仿真效果。仿真实验结果表明通过该仿真算法得到的仿真海面表现出了真实海面的波动形态，仿真海面能量分布也近似符合所采用的P-M谱的能量分布规律，并且单帧海面生成的时间均在毫秒级，完全能够满足模拟训练的实时性要求。不足之处在于该方法无法体现海面的波浪卷曲等特征，此外算法中只考虑了重力波而忽略了海面张力波。参考文献[1]S L Durden and J F Vesecky. A numerical study of the separation wavenumber in the two scale scattering approximation[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 1990， Vol.28（3）: p.271-272.[2] Wright. J. W. A new model of sea clutter[J].IEEE Trans. Antennas Propag， 1968， AP-16: p.217-223.[3]徐迎庆，苏成，李华，等.基于物理模型的流水及波浪模拟[J].计算机辅助设计与图形学报，1997（2）：191-192.[4] Stokes J.Water Waves.The Mathematical Theory with Application[M]， New York: Interscience Publishers， 1957.[5]Peachey D. Modeling waves and surf. Computer & Grapics Proceedings[J]. Annual Conference Series， ACMSIGGRAPH， New Orleans， Louisiana， 1986: p.65-74.[6]杨怀平，胡事民，孙家广.一种实现水波动画的新算法[J].计算机学报，2002，25（6）: 612-617.[7]俞聿修.随机波浪及其工程应用[M].大连：理工大学出版社，1992.[8]M K 奥奇.不规则海浪随机分析及概率预报[M].北京：海洋出版社，1985.[9]徐德伦， 于定勇.随机海浪理论[M].北京：高等教育出版社，2001.[10]杨怀平，孙家广. 基于海浪谱的波浪模拟[J]. 系统仿真学报， 2002， 4（9）：1175-1178.[11]谢薇，郭齐胜，董志明.海浪的实时视景仿真[J].计算机工程与应用， 2001（20）：123-125.[12]L M Brekhovskikh. Wave Phenomena. Berlin.Springer-Verlag， 1994.[92]L M Brekhovskikh. Waves in Layered Media. New York.Academic， 1980.
图4仿真海面波数谱能量分布
