[发明专利]一种产生波形理想的连续聚焦波的造波方法

权利要求书

1.一种产生波形理想的连续聚焦波的造波方法，其特征在于，方法如下：根据理论聚焦时刻和理论聚焦点位置确定聚焦波各波浪组份的波幅和初相位，依据理论波幅和初相位计算造波机运动位移并在水槽中造波，获得聚焦点处的实测波面实测；将实测波面与理论波面进行对比，若波形不满足要求，则根据实测值与目标值对波浪组份波幅和初相位进行迭代，利用迭代更新后的波浪组份波幅和初相位计算造波机运动位移并在水槽中造波，观测聚焦点处波面并与理想波面对比，若波形满足要求则获得产生理性波形的连续聚焦波造波参数，若不满足要求则再次进行迭代直至满足要求为止；利用迭代优化后的造波参数，结合水槽中产生连续聚焦波的方法，即能够确定产生连续聚焦波所需要的造波机位移数据，将位移数据载入造波机控制程序即能够在聚焦点获得波形理想的连续聚焦波浪。

2.根据权利要求1所述的一种产生波形理想的连续聚焦波的造波方法，其特征在于，采用推板式造波机所需要的造波机位移数据具体方法如下：

基于线性叠加原理，二维波浪波面表示为：

其中：

η——二维波浪波面；

N_f——组成谐波总数；

a_i——组成波的振幅(m)；

k_i——组成波波数；

x——空间位置；

t——时间；

ω_i——组成波角频率(rad/s)；

φ_i——组成波的初始相位(rad)；

波数与频率满足相应的色散关系方程；

波浪在时刻t_b聚焦于x_b位置处，即各组成波的波峰在时间t＝t_b，位置x＝x_b处同时同地出现：

cos(k_ix_b-ω_it_b+φ_i)＝1 (2)

则各组成波的初相位φ_i满足下式

φ_i＝-k_ix_b+ω_it_b+2mπ,m＝0，±1，±2，… (3)

将式(3)带入式(1)并取m＝0，则获得水槽中任意位置的波面表达式η(x,t)

当确定了聚焦时间t_b和聚焦位置x_b后，聚焦波焦点处的最大波幅只由各组成谐波的波幅a_i决定，a_i利用波浪谱确定；

造波机处于x＝0处，在水槽中某一位置x_b产生聚焦波浪则造波机的运动为：

其中T(f_i)为传递函数，由线性造波理论确定，对于推板式造波机由下式确定：

式中d为造波板前水深；

选定合适的造波参数a_i，N_f，ω_i和相应的频率模拟范围并根据式(3)确定各波浪组分的初相位，即在水槽中产生聚焦波，在预定的波浪聚焦点进行波面观测并获得观测波面η_measured；然后将观测波面η_measured和理论波面η_t进行对比，若所测连续聚焦波面波形不够理想可按下述方法进行迭代改进；

对观测的波面进行傅里叶变化，得到各波浪频率成分的实测波幅a_i，measured和实测相位φ_i,measured，根据实测波幅a_i，measured和实测相位φ_i,measured对下一次造波的a_i,new和φ_i,new进行改进：

φ_i,new＝φ_i,old+(φ_i,target-φ_i,measured) (7)

其中：

a_i，measured——本次迭代造波实测各波浪组分波幅；

φ_i,measured——本次迭代造波实测各波浪组分相位；

a_i,new——下次迭代造波输入各波浪组分波幅；

φ_i,new——下次迭代造波输入各波浪组分相位；

a_i,old——本次次迭代造波输入各波浪组分波幅；

φ_i,old——本次次迭代造波输入各波浪组分相位；

a_i,target——各波浪组分目标波幅；

φ_i,target——各波浪组分目标相位，对于波峰聚焦的聚焦波为0；

将式(7)和(8)计算所得代入公式(5)，即获得下一次造波所需要的推板位移，进行下一次造波并在目标聚焦点处观测波面，如果波形不够理想便进行下一次的波幅和相位迭代，直至波向足够理想为止，最后得到迭代后波形足够理想的波幅a_i和相位φ_i作为产生连续聚焦波的参数；连续聚焦波的波面为：

根据推波板x＝0位置处的波面即可以获得产生波形理想的连续聚焦波所需的造波板位移s：

实验室中产生连续聚焦波浪时，经过若干步迭代之后，获得产生波形理想的聚焦波的造波参数；选择合适的连续聚焦波周期后，按照式(10)计算出造波板推板位移数据，将推板位移数据载入造波机，便在水槽中产生波形理想的连续聚焦波。

3.根据权利要求2所述的一种产生波形理想的连续聚焦波的造波方法，其特征在于，采用摇板式造波机所需要的造波机位移数据具体方法如下：

将公式(6)替换为

同时将公式(10)替换为