[发明专利]水下目标动态尾迹与流体微元轨道速度的数值仿真方法

说明书

本发明属于海洋遥感监测技术领域，具体为风驱动态海洋环境中水下目标动态尾迹及海面流体轨道运动的数值仿真方法。其步骤为：将海面剖分网格单元；在每个时刻、每个网格节点处用线性波理论和海浪谱计算风驱起伏海面的波高和轨道速度矢量。在初始时刻，由水下运动目标的静态尾迹和运动方向，用最小二乘法将该静态尾迹分解为一系列不同频率、不同角度传播的平面前进波的线性叠加；累计各网格节点处所有平面前进波的轨道速度矢量，即可重建水下目标动态尾迹的轨道速度矢量。该方法能快速高效地数值仿真模拟风驱动态海洋环境中水下运动目标的尾迹及海面流体的轨道运动随时间的变化。

发明领域

本发明属于海洋遥感监测技术领域，具体涉及风驱动态海洋环境中水下目标动态尾迹及海面流体微元轨道速度的数值仿真方法。

背景技术

水下目标动态尾迹与流体微元轨道速度的数值仿真是海洋流体力学和海洋遥感监测领域的一个难题。合成孔径雷达(SAR)应用于海洋遥感面临复杂的理论建模挑战，由于雷达成像孔径合成需要平台运动一段距离，积累一定时间(孔径合成时间)，期间雷达平台、海面波、水下目标的尾迹始终处于动态变化过程，该动态过程的准确描述对海洋流体力学建模和海洋SAR图像的理解研究甚为重要^[1]。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速、高效、通用的水下目标动态尾迹及流体微元轨道速度的数值仿真方法。

本发明提出的水下目标动态尾迹及流体微元轨道速度的数值仿真方法，是采用最小二乘法结合线性波理论计算水下目标动态尾迹及海面流体微元的轨道速度，其基本思路是：用最小二乘法将静态尾迹分解为一系列不同频率、不同角度传播的平面前进波；累计各网格节点处所有平面前进波的轨道速度矢量，即为水下运动目标尾迹的轨道速度矢量。

该方法也适用于水面舰船动态尾迹的轨道运动仿真计算，无论尾迹是由经典速度势函数得来还是由精确数值方法计算得来，并且计算精度能够通过平面前进波的数目加以控制。

本发明提出的水下目标动态尾迹及流体微元轨道速度的数值仿真方法，具体步骤为：

(1)建立水下目标尾迹的动态几何模型，将模拟海面离散化，具体是剖分为网格单元，每个网格节点的波高随时间变化，每个网格节点的流体微元轨道速度随时间变化；用点源速度势函数模型(例如Rankine卵形体模型)或计算流体力学软件建立水下运动目标的静态尾迹(即某一固定时刻的波高起伏分布)几何模型。一般来说，网格单元为均匀四边形网格即可，网格密度可根据计算精度要求和计算能力的折衷来决定；

(2)将该尾迹分解为一系列不同频率、不同角度传播的平面前进波的线性叠加；其频率步长与角度范围由网格尺寸、水下目标的运动方向确定；用最小二乘法解得的系数分别对应于正弦、余弦级数表示的平面前进波的展开系数；

单一频率、单一传播方向的平面前进波的轨道速度矢量由线性波理论确定；

(3)用最小二乘法计算并累计所有网格节点处所有平面前进波的轨道速度矢量，即为水下运动目标尾迹的轨道速度矢量。

由两组正、余弦级数合成一组包含固定相位的余弦级数，其形式与表示风驱动态海面的余弦级数相同，便于水下目标尾迹和风驱动态海面的统一建模。

本发明首先将需要计算轨道速度的水下目标尾迹进行几何建模，然后采用最小二乘法结合线性波理论将尾迹分解为一系列不同频率、不同角度传播的平面前进波的线性叠加。在实施方式中按具体实例更具体地介绍了如何进行几何建模、最小二乘法平面前进波级数分解及轨道速度合成。

下面对各步骤的具体细节分别介绍如下：

(1)建立水下目标尾迹的动态几何模型