基于白噪声滤波的随机不规则波浪模拟方法技术

本发明专利技术属于海洋工程技术领域，涉及一种基于白噪声滤波的随机不规则波浪模拟方法。包括以下步骤：S1：基于目标波浪谱密度函数，构建滤波器连续频响函数，并对频响函数进行频域离散；S2：基于得到的滤波器离散频响函数，生成标准正态分布的高斯白噪声序列；S3：对白噪声序列进行傅里叶变换，得到频域内白噪声信号；S4：基于滤波器离散频响函数和频域白噪声信号，计算得到随机不规则波频域结果；S5：对频域内随机不规则波进行傅里叶逆变换，得到随机不规则波时历。本发明专利技术通过构建滤波器连续频响函数，在频域内求解白噪声激励下滤波器系统响应，应用傅里叶变换技术，实现随机不规则波时历模拟，具有计算简便、效率高的技术特点。效率高的技术特点。效率高的技术特点。

【技术实现步骤摘要】
基于白噪声滤波的随机不规则波浪模拟方法


[0001]本专利技术涉及海洋工程
，尤其涉及一种基于白噪声滤波的随机不规则波浪模拟方法。

技术介绍

[0002]波浪是海岸和海洋工程重要的海洋环境设计参数，科学描述海上结构所处海域的海浪条件，是准确评估海上结构所受波浪载荷、分析结构动力响应、预报海上结构疲劳寿命的基础和关键，对于工程设计、优化、运维等至关重要。
[0003]实际海浪是随机的不规则波，对于充分成长的风浪，通常可将其描述成一个平稳随机过程，用波浪谱进行表征，如常见的P
‑
M谱、Jonswap谱和ISSC谱等。波浪谱给出了波浪能量的频率分布特征，运用谱分析方法，可以计算得到结构动力响应谱，但响应谱仅能给出结构响应的频率特征，无法反映结构响应的动态时变特性。因此，基于实际海域的波浪谱，通过数值手段模拟生成不规则波浪时历，为结构动力分析提供时变波浪激励输入，成为海岸和海洋工程领域的重要研究内容。
[0004]目前，常用的随机不规则波模拟方法有谐波叠加法和白噪声滤波方法。谐波叠加法将不规则波表示成不同频率、不同幅值、不同相位的多个规则波的组合。其中，单个规则波的幅值由对应该波浪频率下的波谱值确定，相位是在0到2π之间均匀分布的随机数。谐波叠加法物理意义明确，但其需要在整个波谱频率范围内生成大量规则波分量，方能得到可信度高的模拟结果，计算非常耗时。白噪声滤波法基于目标波浪谱函数构建一个滤波器系统，将随机波不规则波面看作白噪声激励下滤波器的输出，通过系统动力学方法进行求解。白噪声滤波法为随机波浪模拟提供了新思路，但其在实际应用中尚存在效率低、实用性差等缺陷与不足，具体表现在：（1）数字滤波器设计较为繁琐复杂，不仅存在滤波器设计与目标波浪谱的匹配性问题，滤波器模型阶数选取和滤波器参数求解有时还是数学上的病态问题；（2）滤波器系统响应的求解主要在时域进行，比如计算滤波器脉冲响应函数与白噪声的卷积，存在计算耗时、计算精度受限于时间间隔选取等问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决以上技术问题，提供一种基于白噪声滤波的随机不规则波浪模拟方法，充分利用白噪声滤波技术，可以快速实现不规则波浪的模拟。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于白噪声滤波的随机不规则波浪模拟方法，包括以下步骤：S1：基于目标波浪谱密度函数，构建滤波器连续频响函数对进行离散得到滤波器离散频响函数；S2：基于得到的滤波器离散频响函数，生成标准正态分布的高斯白噪声序列；S3：对高斯白噪声序列进行傅里叶变换，得到频域内白噪声信号；
S4：基于滤波器离散频响函数和频域白噪声信号，计算得到随机不规则波浪频域信号；S5：对随机不规则波浪频域信号进行傅里叶逆变换，得到随机不规则波浪时历信号。
[0007]本专利技术一些实施例中，对滤波器连续频响函数进行离散得到滤波器离散频响函数的步骤包括：基于目标波浪谱密度函数，得到滤波器的连续频响函数：；其中，为频率选取频率分辨率，确定等间隔离散频率,，计算对应的离散频响函数；其中，为频率点序号，为频率点个数；值的选取要保证在数值上等于零或接近于零。
[0008]本专利技术一些实施例中，生成标准正态分布的高斯白噪声序列的步骤包括：利用计算机生成个符合标准正态分布的随机数；根据离散频响函数的截断频率值,确定高斯白噪声信号谱的标准差：；其中为白噪声谱密度函数，；根据白噪声信号谱的标准差，得到时域高斯白噪声序列：。
[0009]本专利技术一些实施例中，得到频域内白噪声信号的步骤包括：将白噪声序列表示成，,进行傅里叶变换，计算得到频域内白噪声信号：；其中，为虚数，，为圆周率。
[0010]本专利技术一些实施例中，得到随机不规则波浪频域信号的步骤包括：。
[0011]本专利技术一些实施例中，得到随机不规则波浪时历信号的步骤包括：将不规则波浪频域信号后K/2
‑
2个点的数值重新赋值为：
conj；其中，为对应频率点的不规则波浪值，、公差为1、终值为K的数列；为对应频率点的不规则波浪值，、公差为
‑
1、终值为2的等差数列；conj表示复共轭运算；基于不规则波频域信号，计算得到随机不规则波浪时历信号：；其中：为频域不规则波的表示，。
[0012]本专利技术一些实施例中，不规则波浪时历的时间间隔由滤波器离散频响函数的截断频率确定：。
[0013]本专利技术一些实施例中，为2的次方，为正整数，且一般不小于11。
[0014]本专利技术提供的浮基于白噪声滤波的随机不规则波浪模拟方法，其有益效果在于：本专利技术通过构建滤波器解析频响函数，在频域内求解白噪声激励下滤波器系统响应输出。充分利用了快速傅里叶变换（FFT）算法的计算优势，实现随机不规则波浪的时历模拟，较传统模拟方法相比，具有计算简便、计算效率高的技术特点，为实际海洋工程提供一种可靠、实用和高效的随机不规则波模拟新技术，辅助海洋工程的领域研究。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1为专利技术基于白噪声滤波的随机不规则波浪高效模拟方法流程图；图2为本专利技术的实施例公开的P
‑
M波浪谱和滤波器解析频响函数图；图3为本专利技术方法得到对应于P
‑
M波浪谱的随机不规则波浪时历模拟结果图；图4由本专利技术方法随机不规则波模拟结果得到的波浪谱与目标P
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M波浪谱的对比图。
具体实施方式
[0017]为了使本专利技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0018]本专利技术提出一种基于白噪声滤波的随机不规则波浪模拟方法，可高效模拟海上不规则波浪时历，包括以下步骤。
[0019]S1：基于目标波浪谱密度函数，构建滤波器连续频响函数对滤波器连续频响函数进行离散得到滤波器离散频响函数。
[0020]对滤波器连续频响函数进行离散得到滤波器离散频响函数的步骤包括：基于目标波浪谱密度函数，得到滤波器的连续频响函数：；其中，为频率选取频率分辨率，确定等间隔离散频率,，由上式计算得到对应的离散频响函数；其中，为频率点序号，为频率点个数；值的选取要保证在数值上等于零或接近于零。
[0021]在本专利技术一些实施例中，为了在计算中能够使快速傅里叶变换算法提高效率，为2的次方，为正整数，且一般不小于11。
[0022]S2：基于得到的滤波器离散频响函数，生成标准正态分布的高斯白噪声序列。
[0023]本专利技术一些实施例中，生成标准正态分布的高斯白噪声序列的步骤包括：S21：利用计算机生成个符合标准正态分布本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于白噪声滤波的随机不规则波浪模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：基于目标波浪谱密度函数，构建滤波器连续频响函数对进行离散得到滤波器离散频响函数；S2：基于得到的滤波器离散频响函数，生成标准正态分布的高斯白噪声序列；S3：对高斯白噪声序列进行傅里叶变换，得到频域内白噪声信号；S4：基于滤波器离散频响函数和频域白噪声信号，计算得到随机不规则波浪频域信号；S5：对随机不规则波浪频域信号进行傅里叶逆变换，得到随机不规则波浪时历信号。2.根据权利要求1所述的基于白噪声滤波的随机不规则波浪模拟方法，其特征在于，对滤波器连续频响函数进行离散得到滤波器离散频响函数的步骤包括：基于目标波浪谱密度函数，得到滤波器的连续频响函数：；其中，为频率选取频率分辨率，确定等间隔离散频率,，计算对应的离散频响函数；其中，为频率点序号，为频率点个数；值的选取要保证在数值上等于零或接近于零。3.根据权利要求2所述的基于白噪声滤波的随机不规则波浪模拟方法，其特征在于，生成标准正态分布的高斯白噪声序列的步骤包括：利用计算机生成个符合标准正态分布的随机数；根据离散频响函数的截断频率值,确定高斯白噪声信号谱的标准差：；其中为白噪声谱密度函数，；根据白噪声信号谱的标准差，得到时...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙金伟，李华军，刘世萱，邵萌，陈玉静，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：