[发明专利]一种机载激光测深破碎风浪海面模型构建方法

权利要求书

1.一种机载激光测深破碎风浪海面模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：利用海浪频谱和海浪方向谱构建基于海浪谱的初始三维海面模型；

步骤2：基于构建的海浪谱海面模型，利用质点-弹簧模型的布料模拟方法提取海浪谱拟合海面的破碎波峰面；

破碎波峰面的提取方法如下：

步骤2.1：质点-弹簧模型看成是由质点和弹簧组成的网，每个质点的位置代表布料上某一点的空间位置，布料质点的位置和受力作用满足公式(6)：

其中，m表示节点Z_l的质量；x表示Z_l在t时刻的位置；g表示重力加速度；c_e表示节点弹簧的弹性变形系数；E表示Z_l邻点的集合；表示节点Z_l与节点Z_n在t时刻的距离，表示节点Z_l与节点Z_n之间的原始距离，表示Z_l指向Z_n的单位向量；

步骤2.2：在质点与弹簧的下落过程中，需要进行质点与海浪谱海面模型的碰撞检测；其中i代表某个质点；Y表示海浪谱海面模型，i'代表i的最近垂直投影点，并与点i构成碰撞对；碰撞对的间距矢量如公式(7)所示：

d(t)＝pⁱ-p^i′ (7)；

其中，pⁱ和p^i'分别表示点i和i'在惯性坐标系下的位移；

步骤2.3：点i的法向距离如果满足不可穿透约束条件时，需要有

d_N＝e·d(t)≥0 (8)；

上式中，当d_N0表示模拟布料与海浪谱海面模型未发生碰撞，当d_N＝0表示两者刚开始发生碰撞，d_N0表示碰撞对已经发生了穿透；

步骤2.4：波峰面的提取准则：首先，对已经发生碰撞和穿透的质点进行保留，并保存到点集Q中；对未发生碰撞的质点进行删除；其次，将点集Q中的质点i对应的碰撞对i'进行保留，其余的碰撞对删除；最后，保留下的碰撞对在海浪谱海面模型上即为提取的波峰面；

步骤3：采用破碎风浪海面起伏理论模型对提取的破碎波峰面进行拟合，并将其与海浪谱拟合海面相融合，形成完整、真实的瞬时三维破碎风浪海面模型。

2.根据权利要求1所述的机载激光测深破碎风浪海面模型构建方法，其特征在于：在步骤1中，海浪谱海面拟合的方法如下：

步骤1.1：为充分表现破碎波浪的海面，选择JONSWAP谱进行初始海面拟合，JONSWAP谱的表达形式如公式(1)所示：

其中，S(ω)为海面的功率谱密度；ω为角频率；α为无因次常数，α＝0.0076(gX/U²)^-0.22，X为风区长度，U为海面风速；g为重力加速度；ω_p为谱峰频率，ω_p＝22(g/U)(gX/U²)^-0.33；γ为谱峰增强因子，平均值为3.3；σ为峰形参数，当ω≤ω_p时，σ＝0.07；当ωω_p时，σ＝0.09；

步骤1.2：海面是由多个振幅为a_n、角频率为ω_n、初相位为ε_n并在x、y水平面上沿x轴成θ_n角的方向上传播的余弦波叠加，如公式(2)所示：

式中，k_n为第n个组成波的波数，-π≤θ_n≤π，实际海浪能量多分布在主波方向两侧各π/2范围内，M为余弦波叠加次数；

步骤1.3：定义方向谱密度函数S(ω,θ)如公式(3)所示：

其中，方向谱密度函数S(ω,θ)由频谱S(ω)和方向分布函数G(ω,θ)写成公式(4)：

S(ω,θ)＝S(ω)G(ω,θ) (4)；

根据波浪立体观测计划，方向分布函数G(ω,θ)如公式(5)所示：

式中，

3.根据权利要求1所述的机载激光测深破碎风浪海面模型构建方法，其特征在于：在步骤3中，破碎波峰面拟合方法如下：

步骤3.1：破碎风浪海面起伏理论模型表示为公式(9)：

其中，H()表示Heaviside函数，

步骤3.2：对于公式(9)中的部分函数表示如公式(10)-公式(13)所示：

式中，ζ_B为破碎海浪的海面起伏，c_i和c为破碎波浪的相速度及其模，g为重力加速度，φ(c,u_DS)为风漂流影响函数，ε为波谱宽度，ζ为平静海浪的海面起伏，为平行于波动速度的海面风漂流速度分量；

步骤3.3：将海浪谱拟合海面与破碎波峰海面模型融合为完整、真实的瞬时三维破碎风浪海面模型。