張新宇 石愛國 王作超 劉 猛
(海軍大連艦艇學院 大連116018)
海浪譜能夠準確描述海浪能量大小與能量分布狀況,是目前海浪研究的主要方向之一。在海浪譜的研究過程中,必然涉及海浪譜的評估問題。海浪譜擬合、海浪數(shù)值模擬、海浪譜估計等方法的優(yōu)劣判斷,包括艦船在波浪上搖蕩譜的評價,最終都要通過對海浪譜的比較評估來實現(xiàn)。海浪譜以一系列譜密度數(shù)據(jù)的集合來刻畫海浪在不同頻率、不同傳播方向上的能量分布,涉及到譜形的問題,其評估較一般多參數(shù)評估更為復雜。
目前對海浪譜的評估尚無統(tǒng)一標準和方法。常用的方法:一種是通過計算海浪參數(shù)的誤差進行,一種是計算各譜密度值誤差進行,兩種方法均有局限性。為此,本文提出基于能量分布重疊率的海浪譜評估方法。
目前頻譜評估的常用方法可以分為兩種:
第一種為計算研究者較為關(guān)心的海浪參數(shù),如有義波高、譜峰頻譜、譜峰值、平均周期、譜尖度等,以其誤差大小作為評估指標。該方法能夠直接得到使用者最關(guān)心的結(jié)果,但所得結(jié)果為多個指標,且海浪參數(shù)對譜整體形狀及內(nèi)部精細結(jié)構(gòu)的刻畫不足。一些研究者將不同海浪參數(shù)按其重要程度不同給予不同的權(quán)值,由此得到綜合指標。但權(quán)值賦予往往有主觀性。在實際應(yīng)用中,一些參數(shù)指標在某些情況下會導致較大評估偏差。如譜峰頻率指標,在雙峰譜且兩峰能量接近的情況下,若待評估譜與目標譜相似度很高,但因微小誤差造成兩頻譜第一譜峰與第二譜峰顛倒,就會出現(xiàn)譜峰頻率偏差很大,導致最終評估結(jié)果可信度降低。
第二種方法是通過計算各不同頻率上譜密度值的誤差得到評估結(jié)果。偏差指數(shù)(D.I.)[1-3]是較為常用的一種評估指標。
該方法可以得到單個指標,且計算過程簡便客觀,也是目前較普遍應(yīng)用的一種方法。但該方法所得結(jié)果僅為誤差的積累,相當于對各譜密度值進行單個參數(shù)處理,缺乏對海浪譜整體形狀相似程度的刻畫。
海浪方向譜為二維譜,相對于頻譜的評估,方向譜的評估尚不成熟。目前常用方法的基本思路與頻譜相同。
如在進行數(shù)值水池短峰不規(guī)則波實驗中進行方向譜比對時,常使用有義波高、平均周期和主浪向作為指標[4-5]。其中有義波高和平均周期兩指標與頻譜評估相同,而使用主浪向刻畫方向譜的方向分布信息是不夠的。所以使用參數(shù)法進行方向譜評估尚有很大的改進余地。
文獻[6]中,方向譜評估使用加權(quán)平均誤差WAE(Weighted Average Error)作為評估指標[6]。
海浪譜能夠刻畫海浪的能量分布。因此,兩種不同海浪譜的譜形重疊部分多少能夠反映兩者的相似程度,這與直觀經(jīng)驗是吻合的。
對于頻譜而言,能量分布重疊率具體表現(xiàn)為兩頻譜重疊部分面積與兩頻譜所占總面積的比值。若將頻譜所包圍部分看作一個集合體,則重疊部分定義為兩頻譜集合面積交集,總面積定義為兩頻譜集合的并集,能量分布重疊率即交集面積與并集面積的比值,如式(3)所示。需要指出的是,本文用重疊面積(方向譜中用體積)定義的能量分布重疊率,必須在兩海浪譜具有相同頻率間隔的情況下才有實際意義。在實際應(yīng)用中,若頻率間隔不同,需使用插值方法進行調(diào)整,才能使用該數(shù)值方法。
式中:E重和E總分別代表重疊部分面積以及兩海浪譜所占最大面積。和分別表示頻率為時,兩頻譜譜密度值的最小值和最大值。EP值越大則表明兩頻譜越接近,當EP為1時,說明兩頻譜完全相同。
圖1中的頻譜分別為不同時刻的海上實測譜和待評估頻譜[7-9],陰影區(qū)域表示重疊部分,其中左圖計算得出的EP值為0.807,右圖計算求得的EP值為0.917。該方法計算簡單,能夠綜合反映兩頻譜的相似程度,具有簡易直觀的特點,可用于一般評估,如要求更高的精度,可采用下文所述基于一階矩的修正方法。
圖1 能量分布重疊率評估方法效果圖
在實際評估應(yīng)用中遇到如下情況:當EP值較高時,可以確定兩被評估頻譜相似度很高;而當EP值較低時,說明兩頻譜相似度較低,但無法確定兩頻譜不相似是由于能量大小的不同還是譜形的不同。
由于頻譜的譜形代表能量分布,必須改善譜形對評估精度的影響,如圖2左圖計算求得的EP值為0.807 5,右圖計算求得的EP值為0.807 6。兩組頻譜EP值基本相同,但從評估的角度,認為左圖兩頻譜相似度更高。因此,提出基于一階矩的修正方法(前一種方法中,面積可視為零階矩),具體如下:
(1)首先確定重疊部分的型心位置、計算ωm,使
(2)計算基于一階矩的能量分布重疊率
圖2 譜形影響示意圖
式中一階矩取絕對值,是為避免正負值抵消。
使用該方法后,圖2中左圖FEP=0.808 4,右圖FEP=0.710 4。從結(jié)果看,達到了區(qū)分譜形因素和能量因素比重的目的。
以上提出了對頻譜進行評估的兩種方法。其中,計算零階矩的方法能較好反映兩頻譜的相似程度,且計算簡便;計算一階矩的方法增加了譜形因素對評估結(jié)果的影響,在重視譜形的場合評估效果更好,但計算稍顯復雜。在實際應(yīng)用中,可視情選擇一種方法。
將上文頻譜的評估方法推廣到方向譜,對應(yīng)的能量重疊率通過體積來計算,得到能量分布重疊率公式。
在海上采集的實際海浪方向譜,可能出現(xiàn)能量環(huán)形分布的情況,導致計算型心時起始點選擇困難。為便于分析計算,需要略去能量方向分布很小的區(qū)域,為此可取方向擴散函數(shù)峰值的二十分之一作為閾值T,刪除能量分布小于T的部分,取能量值與閾值相等的點作為起始點θ0和終止點θ1,在該范圍內(nèi)計算型心點θm的位置。
將基于一階矩的能量分布重疊率法擴展到方向譜的步驟為:
(1)首先確定重疊部分的型心位置、計算ωm、dm,使
(2)計算基于一階矩的能量分布重疊率
本文提出的基于能量分布重疊率的海浪譜評估方法,計算簡便易行,結(jié)果直觀,能夠較好反映待評估譜與目標譜的相似程度。若評估中對譜形因素更為關(guān)注,則可采用基于一階矩的能量分布重疊率法,但其計算過程略顯復雜。在實際使用中可視情選擇其中一法進行評估。
對于頻譜評估來說,本文所述方法不失為一種實用新方法,比原有方法更加直觀,有一定優(yōu)勢。而對于方向譜來說,由于目前所用方向譜評估方法尚欠成熟,本文所述方法則可成為一種新的選擇。
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