一种基于复谱反馈的迭代造波与波浪场校正方法

本发明属于海洋工程试验，具体公开了一种基于复谱反馈的迭代造波与波浪场校正方法。

背景技术：

1、在海洋工程数值模拟和水池试验中，通常先依据目标波高、周期、波谱或目标波面时程生成造波输入，再由数值造波边界或物理造波机产生波浪。受造波装置传递特性、流体非线性、传播衰减、边界反射、数值频散和数值耗散等因素影响，控制位置处的实际波浪响应往往与目标波浪存在幅值和相位偏差。对于规则波，上述偏差表现为基频或谐波的波高、相位和波形失真；对于不规则波，偏差表现为频带内能量分布、相位关系和时域统计特征偏离目标；对于聚焦波，还可能表现为聚焦峰值降低、聚焦位置或聚焦时刻偏移。不同波型虽然评价指标有所差异，但其共同问题均是造波输入经过数值或物理系统传递后产生频率相关的复响应误差。

2、现有造波校准方法常依赖一次性传递函数、经验增益或仅对幅值谱进行修正。仅修正幅值难以消除相位误差；仅根据单一峰值进行整体增益调整，又难以保证完整时程或频带内各组分的一致性。若直接在全频段更新，还可能放大低能量频段、反射成分或测量噪声，造成迭代振荡。此外，数值水槽与物理水池通常采用不同的校准流程，物理造波机运行中记录的控制指令、推板或摇板位移反馈以及波高仪数据未被统一纳入同一闭环校正框架。对于需要在多个位置同时满足目标波浪的任务，也缺少利用多点实测响应进行综合校正的通用方法。

3、因此，需要一种以实际波浪响应为反馈、同时修正幅值和相位、能够在数值造波与物理造波之间通用，并适用于规则波、不规则波和聚焦波的迭代造波及波浪场校正方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于复谱反馈的迭代造波与波浪场校正方法，该方法以目标波面时程为校正基准，以响应波面时程为反馈，在有效更新离散频率集合内计算数幅值校正量和包裹相位校正量，通过参数更新，使一个或多个控制位置处的波浪响应逐步逼近目标。

2、本发明提供了一种基于复谱反馈的迭代造波与波浪场校正方法，包括如下步骤：

3、s1.获取控制位置处的目标波面时程；获取波型标识、分析时间窗、采样间隔、离散频率集合、控制位置权重、允许误差阈值和造波系统的控制约束；设置迭代停滞判据和最大迭代轮数；

4、s2.根据目标波浪参数、理论传递关系和已标定造波机传递函数生成0次迭代的复数造波输入；

5、s3.数值水槽或物理水池均按照r次迭代的复数造波输入执行造波，得到响应波面时程；

6、s4.采用所述分析时间窗和采样间隔对所述目标波面时程和响应波面时程进行处理后，在所述离散频率集合上，对处理后的目标波面时程和响应波面时程分别进行复谱投影，得到各所述控制位置的目标复谱和实际复谱；

7、s5.根据所述目标复谱得到目标复谱能量，基于所述控制位置权重得到多点综合信噪比，根据所述造波系统的控制约束得到控制系统有效频带，结合所述波型标识、目标复谱能量、多点综合信噪比和控制系统有效频带得到有效更新离散频率集合；

8、s6.结合各所述控制位置的目标复谱和实际复谱对所述有效更新离散频率集合中的每一个离散频率进行多点加权复数校正，得到对数幅值校正量和包裹相位校正量，经过局部平滑后得到下一次迭代的输入幅值与下一次迭代的输入相位；

9、s7.将所述下一次迭代的输入幅值与下一次迭代的输入相位合成为新的复数造波输入，并对所述新的复数造波输入执行波系统控制约束完成控制量可执行性投影；

10、s8.计算所述控制量可执行性投影下各所述控制位置对应的误差指标，利用控制位置权重对各所述误差指标汇总得到总体误差指标，通过对比所述总体误差指标与允许误差阈值判断是否终止迭代，若终止则输出校正结果，若未终止则判断是否达到最大迭代轮数，若达到所述最大迭代轮数则终止则输出校正结果，若未达到所述最大迭代轮数则将所述新的复数造波输入返回s3继续迭代。

11、根据本技术一些实施例的一种基于复谱反馈的迭代造波与波浪场校正方法，所述步骤s2中，所述理论传递关系包括数值水槽理论传递关系和物理水池理论传递关系；

12、所述数值水槽理论传递关系的数值水槽系统传递函数如公式（1）所示：

13、  （1）

14、式中，  表示数值水槽系统传递函数，  表示数值造波边界，  表示第  个离散频率，  表示离散频率索引，  为虚数单位，  表示入口至控制位置的传播距离，  表示波数，  ，  ，  表示重力加速度，表示水深；

15、所述物理水槽理论传递关系的物理水槽系统传递函数如公式（2）所示：

16、  （2）

17、式中，  表示物理水槽系统传递函数，  表示水池造波传递函数，  ，  表示波高仪测得的波面复幅值，  表示推板或摇板实际运动的复幅值，  表示执行机构传递函数，，  表示控制指令；

18、所述已标定造波机传递函数如公式（3）所示：

19、  （3）

20、式中，  表示已标定造波机传递函数，  表示既往工况的实际响应复谱，  表示既有造波输入；

21、所述0次迭代的复数造波输入如公式（4）所示：

22、  （4）

23、式中，  表示0次迭代的复数造波输入，  表示目标波浪在参考控制位置的目标复幅值，上横线表示复共轭，  ，  表示防止传递增益过小而导致异常放大的正则化量，  。

24、根据本技术一些实施例的一种基于复谱反馈的迭代造波与波浪场校正方法，所述步骤s3中，所述r次迭代的复数造波输入如公式（5）所示：

25、  （5）

26、式中，  表示r次迭代的复数造波输入，  ，  表示第次迭代在离散频率  处的造波输入幅值，  表示虚数单位，  表示第  次迭代在离散频率  处的输入相位；

27、所述响应波面时程包括数值水槽的仿真波面时程和物理水池的物理实测波面时程。

28、根据本技术一些实施例的一种基于复谱反馈的迭代造波与波浪场校正方法，所述步骤s4中，所述采用所述分析时间窗和采样间隔对所述目标波面时程和响应波面时程进行处理包括采用所述分析时间窗和采样间隔对所述目标波面时程和响应波面时程分别进行去均值、去趋势、时间对齐、重采样和窗函数处理中的一种或多种处理；

29、对处理后的目标波面时程和响应波面时程分别进行复谱投影如公式（6）所示：

30、  （6）

31、式中，  表示离散频率  处的复谱投影，  ，  表示处理后的目标波面时程，  表示处理后的响应波面时程，  表示采样间隔，  ，  表示第  个采样点的窗函数权重，  ，  表示有效窗长，  表示分析时间窗内的离散采样时刻，  表示分析时间窗；

32、第  个控制位置的所述目标复谱如公式（7）所示：

33、  （7）

34、式中，  表示第  个控制位置的目标复谱；

35、第  个控制位置的所述实际复谱如公式（8）所示：

36、  （8）

37、式中，  表示第  个控制位置的实际复谱。

38、根据本技术一些实施例的一种基于复谱反馈的迭代造波与波浪场校正方法，所述步骤s5中，所述目标复谱能量为所述目标复谱值模平方的多点加权和，如公式（9）所示：

39、  （9）

40、式中，  表示目标复谱能量，  表示控制位置索引，  ，表示控制位置总数，  表示第  个控制位置权重；

41、所述多点综合信噪比如公式（10）所示：

42、  （10）

43、式中，  表示多点综合信噪比，  表示第  个控制位置的信号功率估计，  表示第  个控制位置的噪声功率估计，  ，  表示防止噪声功率为零的正则化量；

44、所述有效更新离散频率集合如公式（11）所示：

45、  （11）

46、式中，  表示有效更新离散频率集合，  表示离散频率集合，  ，表示控制系统有效频带，  表示目标能量阈值比例，  ，  表示最低允许多点综合信噪比。

47、根据本技术一些实施例的一种基于复谱反馈的迭代造波与波浪场校正方法，所述波型标识包括规则波、不规则波和聚焦波，当波型标识为规则波时，有效更新离散频率集合至少包括目标基频，还包括需要控制的高次谐波；当波型标识为不规则波时，有效更新离散频率集合依据目标能量阈值确定并向相邻频率扩张形成连续频带；当波型标识为聚焦波时，有效更新离散频率集合选取形成目标聚焦波的主要频率组分。

48、根据本技术一些实施例的一种基于复谱反馈的迭代造波与波浪场校正方法，所述步骤s6中，所述多点加权复数校正如公式（12）所示：

49、  （12）

50、式中，  表示多点加权复数校正，  表示防止低幅值除零或异常放大的正则化量，  ；

51、所述对数幅值校正量如公式（13）所示：

52、  （13）

53、式中，  表示对数幅值校正量，  表示幅值正则化量，  ，  描述幅值修正方向；

54、所述包裹相位校正量如公式（14）所示：

55、  （14）

56、式中，  表示包裹相位校正量，  表示相位包裹算子，描述相位修正方向；

57、所述下一次迭代的输入幅值如公式（15）所示：

58、  （15）

59、式中，  表示第  迭代的输入幅值，  表示第  迭代的输入幅值，  表示限幅算子，  表示幅值松弛因子，  ，  表示平滑后的对数幅值校正量，  ，  表示频率方向平滑算子，  表示单次对数幅值更新限幅，  ；

60、所述下一次迭代的输入相位如公式（16）所示：

61、  （16）

62、式中，  表示第  迭代的输入相位，  表示第  迭代的输入相位，  表示相位松弛因子，  ，  表示平滑后的包裹相位校正量，  ，  表示单次相位更新限幅，  。

63、根据本技术一些实施例的一种基于复谱反馈的迭代造波与波浪场校正方法，当波型标识为聚焦波时，通过计算整体增益对所述有效更新离散频率集合内幅值统一修正，所述整体增益如公式（17）所示：

64、  （17）

65、式中，  表示整体增益，  表示峰值增益松弛因子，  ，表示目标峰值，  表示第  次迭代的实际峰值，  表示防止峰值除零的正则化量。

66、根据本技术一些实施例的一种基于复谱反馈的迭代造波与波浪场校正方法，所述步骤s7中，所述控制量可执行性投影包括：

67、对于所述物理水池，若  为推板或摇板位移，则至少满足  、  、  且频率位于  内；其中  表示设备允许的最大位移，  表示设备允许的最大速度，  表示设备允许的最大加速度；

68、对于数值水槽，对入口波面、速度、压力、源项强度或松弛区目标量中的实际控制变量施加相应的幅值上限、变化率上限、渐入/渐出连续性和有效频带限制。

69、根据本技术一些实施例的一种基于复谱反馈的迭代造波与波浪场校正方法，所述步骤s8中，所述误差指标包括焦点评价窗波形均方根误差、pearson相关系数、主峰相对误差、主峰时刻误差、半峰值主能量带内平均幅值误差和半峰值主能量带内包裹相位均方根误差；

70、所述焦点评价窗波形均方根误差如公式（18）所示：

71、  （18）

72、式中，  表示第  个控制位置第  次迭代在焦点评价窗  内的波形均方根误差；

73、所述pearson相关系数如公式（19）所示：

74、  （19）

75、式中，  表示第  个控制位置第  次迭代的pearson相关系数，  ，  表示处理后的目标波面时程在焦点评价窗的加权均值，  表示处理后的响应波面时程在焦点评价窗的加权均值；

76、所述主峰相对误差如公式（20）所示：

77、  （20）

78、式中，  表示主峰相对误差，  表示焦点评价窗  内的目标主峰，  表示焦点评价窗  内的实际主峰；

79、所述主峰时刻误差如公式（21）所示：

80、  （21）

81、式中，  表示主峰时刻误差，  表示焦点评价窗  内的目标主峰对应的主峰时刻，  表示焦点评价窗  内的实际主峰对应的主峰时刻；

82、所述半峰值主能量带内平均幅值误差如公式（22）所示：

83、  （22）

84、式中，  表示半峰值主能量带内平均幅值误差，  表示半峰值主能量带，  表示  频带内离散频率点数；

85、所述半峰值主能量带内包裹相位均方根误差如公式（23）所示：

86、  （23）

87、式中，  表示半峰值主能量带内包裹相位均方根误差；

88、所述总体误差指标如公式（24）所示：

89、  （24）

90、式中，  表示加权平均焦点评价窗波形均方根误差，  表示加权平均pearson相关系数，  表示加权平均主峰相对误差，  表示加权平均主峰时刻误差，  表示加权平均半峰值主能量带内平均幅值误差，  表示加权平均半峰值主能量带内包裹相位均方根误差；

91、当所述波型标识为规则波或不规则波时，采用所述加权平均焦点评价窗波形均方根误差、加权平均pearson相关系数、加权平均半峰值主能量带内平均幅值误差和加权平均半峰值主能量带内包裹相位均方根误差为所述允许误差阈值判断的指标；

92、输出的所述校正结果包括最终复数造波输入、最终造波系统的控制约束、各控制位置校正后的响应波面时程以及迭代记录。

93、本发明提出的一种基于复谱反馈的迭代造波与波浪场校正方法，以数值计算或物理试验得到的实际波浪响应作为反馈，可直接针对造波系统的综合传递误差进行闭环校正。在同一技术框架内兼容数值水槽和物理水池，物理造波机控制数据、执行机构反馈数据及波高仪数据均可被用于迭代造波和波浪场校正。规则波、不规则波和聚焦波共享复谱投影、幅值—相位联合更新和收敛判断流程，仅需按照波型选择有效更新频率集合和附加评价指标，适用范围更广。利用复数校正比同时描述幅值与相位偏差，并可通过多个控制位置的加权响应形成综合校正量，从而由单点波形复现扩展到目标区域的波浪场校正。通过主频带或有效频带筛选、正则化、频率平滑、松弛和单步限幅，降低低能量频段噪声、频谱泄漏和异常频点造成的过度修正，提高迭代稳定性。最终得到的造波输入可作为同一水深、装置配置或相近工况的后续初始输入，减少重复试调次数，并保留各次迭代的参数和误差记录以便复核。