复杂海洋光场建模方法及其应用探索.docx
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复杂海洋光场建模方法及其应用探索
复杂海洋光场建模方法及其应用探索
摘要
进入二十一世纪后,新科学技术革命崛起的步伐越来越迅速,世界各国之间的竞争不单单是领土的争斗,特别是随着全球自然资源的日渐匮乏,海洋作为高新技术产业发展的重要领域,开始吸引越来越多的国家加入对海洋科技的竞争。
海洋光场的研究在气象、军事、农业、影视娱乐等行业都有着广泛的应用需求。
近来,国内外在海洋环境的建模和仿真方面已有很多研究,但主要涉及光的传输特性,更侧重于水面光影效果的模拟或致力于生成空气介质中真实感的三维动画,而很少涉足动态海洋光场的建模问题。
本文主要研究风海波影响下的海洋动态光场建模方法,通过对光场立体剖面的建模、洋流运动的建模、温盐密特性物理分析及任一平面内光场辐射度仿真等定性与定量研究,建立一种粗粒度的动态光场实时仿真模型,利用matlab软件开发基于该模型的交互式水下光场剖面仿真系统,实现复杂海洋光场动态特性指标的系统化表征。
通过展示XY面、XZ面和YZ面的光照辐射度随海洋特性变化的动态仿真图,为全立体海洋光场实时绘制提供技术支撑,可用于实现水下航行器深海环境探测任务。
利用matlab计算建模方法,更简单直观,可实现动态效果及人机交互。
关键词:
海洋光场,风海波,建模,动态,matlab仿真
ExploringtheModelingMethodanditsApplicationtoComplexMarineLightFiled
ABSTRACT
Sinceenteringthe21stcentury,theriseofthepaceofthenewscienceandtechnologyrevolutionhasbeenincreasinglyrapid.What'smore,thecompetitionamongcountriesallovertheworldisnotonlyaterritorialfight.Especiallywithgrowingscarcityofnaturalresourcesintheworld,marineasanimportantareaofhighandnewtechnologyindustrydevelopment,hasbegantoattractmoreandmorecountriestojointhecompetitionofmarinescienceandtechnology.Theresearchofmarinelightfieldinthemilitary,agriculture,meteorology,filmandtelevisionentertainmentindustryhasawiderangeofapplicationrequirements.Recently,therearealotofresearchinthemodelingandsimulationoftheMarineenvironmentathomeandabroad,buttheymainlyrelatetoopticaltransmissioncharacteristics,andfocusmoreonthesurfaceoflightandshadowtosimulateortogeneraterealistic3danimationinairmedium,whichseldomdabbleindynamicoceanmodelingproblemsofthelightfield.Thispapermainlystudiesmodelingmethodsoftheoceandynamiclightfieldundertheinfluenceofwindwaves.Throughqualitativeandquantitativeresearchofthelightfieldthree-dimensionalprofilemodeling,themodelingofoceancurrents,thermohalinecharacteristicsphysicalanalysisandanyplanelightfieldradiationsimulation,ect.wecanestablishacoarse-graineddynamicreal-timesimulationmodelofopticalfieldanddevelopinteractiveunderwaterlightfieldprofilesimulationsystembasedonthemodelbyusingMATLABsoftware,whichcanrealizecomplexmarinelightfieldsystematiccharacterizationofdynamiccharacteristicsofindicators.ByshowingtheXLATplane,theXZplaneandtheLATZplanelightradiationintensitydynamicsimulationdiagramschangingwithMarinefeatures,itprovidesfullthree-dimensionaloceanlightfieldreal-timerenderingtechnicalsupport,whichcanbeusedtohelpthedeepunderwatervehicleimplementenvironmentdetectiontasks.What'smore,MATLABcalculationmodelingmethodismoresimpleandintuitive,whichcanrealizethedynamiceffectandhuman-computerinteraction.
KELATWORDS:
marinefield,windsea,modeling,dynamicstate,MATLABsimulation
目 录
前 言1
第1章复杂系统的建模与仿真方法[16,17]4
§1.1复杂系统的简单说明4
§1.2建模与仿真6
§1.2.1仿真的基本概念6
第2章MATLAB/SIMULINK建模仿真技术11
§2.1MATLAB/SIMLINK概述11
§2.1.1MATLAB简介11
§2.1.2MATLAB编程环境的特点11
§2.1.3SIMULINK仿真工具简介13
§2.2MATLAB/SIMULINK的建模方法15
第3章海洋水体中光的传输特性17
§3.1海洋中的光及其重要作用17
§3.2海洋中光的传输特性17
§3.3MonteCarlo模型18
第4章交互式动态海洋光场建模21
§4.1海洋光场模型的建立21
§4.1.1基于stokes理论的光场二维数学模型的建立21
§4.1.2基于MATLAB的光场二维剖面22
§4.2风海波影响下海洋动态光场的建立25
§4.2.1三维海洋波浪曲面的生成25
§4.2.2三维海洋光场图形的获得26
§4.2.3三维海洋光场动态图的制作28
结 论30
参考文献31
致 谢33
前 言
覆盖地球表面71%的海洋是人类生产和生活不可缺少的领域。
作为生命的起源地,海洋对人类的影响将会随着时间的推移而不断的快速增长。
近年来,随着矿产资源的日益匮乏、生态环境的遭受到越来越严重的破坏,陆地可开发利用的资源越来越少,海洋成了人类社会持续发展的希望。
众多领域的国内外专家都预言说,人类的新世纪将是海洋的世纪,人类的明天将主要依靠海洋。
众所周知,除了蕴藏丰富的海洋资源以外,辽阔的海域起着调节全球气候、保持水循环的作用,而且还是交通的通道、防御外敌入侵的天然屏障,所以越来越多的国家卷入争取海域行使权的战争中。
但是,摆在我们面前的现实说明如何正确、合理地开发利用海洋、发展海洋事业才是人类的文明进步的大事。
光场(lightfield),于1846年最早由法拉第给出的定义,是指光在每一个方向通过任一点的光量。
研究海洋光场首先要了解海洋光学。
海洋光学[1](或者说是水文光学),是一门研究光与自然水体如何互相作用的学问。
过去以及现在乃至未来对海洋的研究重点一直在海洋的许多经济和军事应用方面。
大部分人只知道海洋生产大多数人类日常生活需要的鱼,却不知其生产最终是由极其微小的藻类如何吸收和利用太阳光所控制的。
而且,为了确保国家安全,人们一直在寻找如何进入和利用海洋的方法。
这类探索活动要求用可见光入射到海洋以此去探测和发现潜在的威胁,或是搞清楚具有战略战术价值区域的特征。
海洋光场先进的可视化技术在气象、农业、军事、影视娱乐等行业都有广泛的应用需求。
虚拟的海洋环境主要由波动海面、海面的反射和折射、海空云雾、太阳等组成。
基于已有的海洋光场的气象数据,可以运用物理学和图形学相结合的方法构建海洋环境的海面、光照效果等的三维可视化模型,来处理海面波动、光反射和折射等可视化实时仿真难题。
本文主要研究风海波影响下的海洋动态光场建模方法,通过对光场立体剖面的建模、洋流运动的建模、温盐密特性物理分析及任一平面内光场辐射度仿真等定性与定量研究,建立一种粗粒度的动态光场实时仿真模型,利用matlab软件开发基于该模型的交互式水下光场剖面仿真系统,实现复杂海洋光场动态特性指标的系统化表征,可用于水下航行器深海环境探测任务。
所生成的动态海洋光场模型真实性良好,且能满足计算机仿真的可视化、实时性等要求。
近年来,随着科技的不断进步,国内外在海洋环境的建模和仿真方面已有很多研究。
如,杨怀平[2]等人应用海浪频谱和方向谱的相关公式,完成了基于海浪谱的波浪造型及其显示的研究;王茂生[3]提出三维海洋虚拟现实场景建模及初步实现研究,实现了海洋海底场景的虚拟再现;郭松[4]的水下非均匀光场建立方法的研究,提出了新的目标图像探测方法,并基于该研究方法提出了一种理想的分布光场模式——在水下三维空间坐标轴上按所在水介质光衰减规律分布的非均匀照明光场。
在海洋光场的研究上,D.Arnush[5]通过研究米氏粒子散射环境中的光辐射传输,并假设小角度散射,得到了海水中传输光场的近似解析解。
JerryTessendorf[6]采用快速傅里叶变换法生成了平铺的高程图,并随后对海浪进行了建模和仿真。
VladimirBelyaev[7]通过对Jerry的海浪研究的分析,对构建的水面网格进行了层次化、细节化处理,并加入了光在水面发生反射和折射的效果,进一步提高了模拟水面的真实感。
KeiIwasaki[8]利用计算机中图形绘制的硬件设施,对小面积水域进行研究分析,成功实现了对水面折射、反射光影效果的快速模拟。
在海洋光场建模方面,MOREL[9,10]做出了很多贡献,为后人的研究做了很好的铺垫。
他成功仿真出了波长为490nm的光在海洋中进行辐射传输的光学特性。
海洋是一种复杂的生态系统,而且变化多端,所以对光场的建模更是存在很大的困难。
海面环境较之陆地地形等其它实物是一种极其复杂的自然环境,因为海平面十分广阔,并且由于风的作用海水水体的形状是不断变化的,形成的海面形状也是随机的、动态的。
海水的波动是受到各种力的作用而综合产生的,同时海面也会与水面上方的物体,周围环境中的物体相互作用,相互影响,产生各种各样的视觉效果,而且基于水力学的海水模型通常都是非常难解的偏微分方程,所以对海面的模拟十分困难,对海面下光场模型的建立也很困难。
MartinHieronymi和AndreasMacke[11]通过多次仿真,并分析实验结果得出如下结论:
在水下,光是可变的,而且光的可变性由水面的形状即波动聚焦效果的特殊性决定,而且相应水纹强度的增加与否以及光的可变性分布情况都取决于不规则水波场的形状,而光的特殊时空波动状态很大可能是由叠生单一波形造成的。
运用物理及地理方面知识对近海测量以及进行计算机仿真实验,P.Gerne和D.Antoine[12]总结出了水下光场强度与水深的衰减关系并得到了光场的衰减系数,由此构建出了光线在波动海面下传输的光照模型。
近几十年来,针对光场模型绘制的方法,人们提出了许多研究方案。
但这些传统的方法更侧重于大气-水面光影效果的模拟或对海洋场景的探测,而对水下光场及光影的动态效果建模问题涉及较少。
更准确的说,上述这些国内外研究理论模型只对实际的光传输情况作了近似处理,而很少涉足动态海洋光场的建模。
本文主要针对风海波影响下的海洋光场,进行动态海洋光场建模方法的研究,通过对光场立体剖面的建模、温盐密特性物理分析及任一平面内光场辐射度仿真等定性与定量研究,建立一种粗粒度的动态光场实时仿真模型。
利用MATLAB软件开发基于该模型的交互式水下光场剖面仿真系统,以此实现复杂海洋光场动态特性指标的系统化表征。
大致实施步骤为:
1,分析光场的传输特性,为建立光场数学模型做准备。
2,将变化复杂的海面实际系统构建成简单的数学模型。
3,利用已经建立的数学模型,通过MATLAB仿真软件绘制出海洋光场的二维剖面图,并进行色彩处理,使得到的图形更真实。
4,将二维图形方程拓展为三维的形式,和步骤三相同进行MATLAB仿真,得到立体的海洋光场图。
第1章复杂系统的建模与仿真方法[16,17]
§1.1复杂系统的简单说明
1.系统概念
系统类似于数学上的集合,具有某些特定的功能,并能将相互之间有影响、有依存关系的若干部分按照一定的规律结合起来。
严格来说,系统是完整的、有序的、不可分割的整体。
它是一个广泛的概念,可以泛指自然界的一切现象和过程。
在现代科学研究和工程实践中,系统框架几乎可以解决各个领域存在的各种问题。
各种工程系统、社会经济系统等此类系统是由人工制造的各类物体组成的。
有的系统完全由自然界和自然物构成,如星际系统、生态系统、海洋系统等。
2.系统分类
系统千差万别,种类繁多,有非常简单的也有十分复杂的。
系统是普遍存在的。
按照不同的分类方法可以将系统分成不同的类型。
根据物理特征,系统可分为工程系统和非工程系统。
其中,电气、机械、化工等方面的系统都属于工程系统。
社会、交通、管理、生态等方面的系统属于非工程系统。
由此可知,海洋光场属于非工程系统。
根据系统的状态变量是否连续变化,分为连续系统、离散系统和连续/离散混合系统。
由于海洋中的风海波、温度、盐度、密度等干扰因素以及状态变量的离散性,可知海洋光场系统是复杂离散的非工程系统。
3.系统的基本特征
一个完整的系统,通常都具有整体性、相关性、有序性和动态性四个基本特征。
实际应用中,任何系统都存在着实体、属性、活动三个方面的研究内容,称之为系统的三要素。
实体是组成系统的具体对象,如海洋光场中的海洋、阳光和一切干扰因素如风等都属于实体;属性是系统中的实体所具有的特征或状态参数;活动则反映了系统的变化规律,是指系统由一个状态变化到另一个状态的过程,如光从大气经海面发生折射反应进入海水的过程就是一次活动。
组成系统的各个实体之间通常会发生相互作用,比如在太阳光进入海水时,会被海水吸收一部分,还会由于大气和海水介质的折射率不同而发生光线的偏折,实体属性的这些变化一般用状态变量来描述。
在对系统进行研究过程中,除了要对系统的实体、属性、活动进行详细研究外,还要研究影响系统活动的外部条件,这些外部条件被称为环境。
如本文研究中,除了要了解海洋的特性,光的传输特性,还要对影响海洋光场状态的风速、洋流运动、海水的温度、盐度、密度等有充分考虑。
从严谨的科学态度上说,研究系统最关键的部分是研究系统的动态变化过程。
即,光在大气、海洋表面、海水中的一系列反应。
其实,介绍系统概念最主要目的是能更加深入的认识系统并熟练掌握系统的运动规律。
复杂工程、自然界和现代社会中存在着各种各样复杂的问题,为了更准确得心应手地处理这些棘手的问题,不仅要对实际系统进行定性地了解,还要定量地分析、综合所要研究的系统。
其中,建立系统模型是定量分析、综合系统等众多办法中最方便、合适的方法,对系统模型的解算可以使用数值计算和计算机仿真的方法。
4.系统模型
系统模型是计算机仿真所要研究的直接对象,它是对实际系统的一种抽象。
通过分析系统某种特性,或对系统本质和内在关系的描述,系统模型可以用来研究系统功能及其各部件间的作用规律。
为了定量分析系统,需要构造出系统的模型,而构造模型的关键是将系统本身的特点和内部的相互关系抽象起来。
系统模型可分为物理模型又称为实体模型,数学模型以及虚拟模型(或仿真模型)三大类。
其中,物理模型[18]指不以人的意志为转移而客观存在的实体。
如,海洋光场中建立的大气-海洋模型。
数学模型是更清晰、更实用的模型,它主要运用的是数学方法,从某种特定的功能或结构上对实际系统进行模拟,从而使原来真实系统的功能或结构特征以数学的形式重新实现。
仿真模型指的是应用仿真语言将系统已经建立的数学模型转换为可以被计算机实施的模型。
由于计算机技术的快速发展,数学模型被应用的机会越来越多。
在海洋光场模型的建立过程中,首先就是要把复杂的海洋模型转化为物理模型,然后再转化为数学模型进行仿真实验的。
§1.2建模与仿真
现代建模与仿真技术是建立在相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及建模与仿真应用领域的有关专业技术的基础之上的一门多学科的综合性技术。
现代建模与仿真技术依靠计算机系统,应用相关的物理效应设备及仿真器等工具,利用已经建立的相关模型参与到已有的或假想的系统中进行分析、研究、设计等各种生产研发活动。
近五十多年来,建模与仿真技术已经得到了越来越多科学应用领域的普遍需求。
因为有关学科技术的日渐成熟,使在它们推动下的建模与仿真技术迅速发展成为相对全面的专业技术体系,并迅速地发展为一项通用性、战略性很强关键技术。
建模与仿真技术与高性能计算(HighPerformanceComputing)一起成为了科学领域中继理论、实践性实验研究之后的第三种认识,而且成为了改造客观世界的重要手段。
它在航空、航天、信息、生物、材料、能源、先进制造等高新技术和工业、农业、商业、教育、医学生命、娱乐、生活服务等众多方面得到了成功的应用[19]。
§1.2.1仿真的基本概念
“仿真[20]是一项利用计算机进行试验的数字化技术,它包括数字与逻辑模型的某些模式,这些模型描述某一事件或经济系统(或者它们的某些部分)在若干周期内的特征。
”这是内勒(T.H.Naylor)在1966年对仿真作的定义。
计算机仿真的基本思想是利用已经建立的物理或数学模型来类比模仿现实的活动过程,进而探索对实际系统真实活动过程。
根据历来国内外计算机仿真界学者对仿真的理解,可概括出如下定义:
计算机仿真是对真实系统的模拟,是一门建立在计算机仿真、控制、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础上的多学科综合性技术。
仿真是连接真实系统和仿真模型的桥梁,为控制系统的分析、研究设计以及控制系统的计算机辅助教学等提供了经济、科学、有效的方法。
1.计算机仿真的要素及基本操作步骤
1)计算机仿真的要素
计算机仿真的要素包含系统、模型和计算机。
系统为研究的对象;模型是对系统的抽象;计算机为建模、仿真实验和对结果的分析的工具和手段。
仿真过程如图1-1所示。
建立数学模型仿真实验
建立仿真模型
图1-1仿真三要素及其对应关系
2)计算机仿真的基本步骤
①建立数学模型数学模型是系统仿真的主要依据。
系统数学模型是描述系统输入、输出变量以及内部各变量间关系的数学表达式。
②建立仿真模型计算机是一个高级工具,它所识别的语言是特殊的、专门的。
系统的数学模型一般是用数学定律、公式、方程等表达的,计算机通常不能直接识别这些方式。
所以直接得到的原始的系统数学模型并不能直接用来对系统进行仿真,还必须将其转换为计算机可以识别的而且能够对系统进行仿真的模型。
③编制系统仿真程序toolbox、Simulink是MATLAB中的关键模块,在系统仿真等操作中起了很重要的作用。
应用toolbox及其Simulink仿真集成环境作为仿真工具就是MATLAB仿真。
④仿真实验并输出仿真结果仿真实验是对仿真过程真实性的检验。
如图1-2给出了数字仿真的具体步骤以及主要的工作流程。
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图1-2仿真的工作流程
2.计算机仿真技术的主要作用和特点
1)计算机仿真技术利用的是对真实系统及其活动过程的仿真模拟方法,该方法成功取代了传统的实验方法,可对那些难以用数学公式表示的系统提供简单可行且有效的求解方案。
不仅在一定程度上大大减少了对人力物力的依赖和浪费,同时还能大幅度削减开发所耗费的时间,进一步提高了仿真开发的效率。
尤其对于那些难以在实际环境中进行实验和观察的复杂系统,仿真是唯一可行的办法。
2)计算机仿真技术以动态分析的方法代替了传统的静态分析方法,加强了对过程特性的研究和分析,使所建的数学模型更加接近真实系统或过程,从而使仿真的准确性得到了大幅度提高。
而且可以避免试验的危险性,可用于解决实际试验中难以实现的项目。
3)通过对系统中单独部件以及对完整系统的仿真,使人们能够比较详细地研究部件特性和系统特性并对此进行十分清楚的分析。
这样,将对后期相关产品的研发或进行技术方面的改进提供权威性的指导。
不仅如此,还可以对系统或系统的某些部分进行性能评价,系统抗干扰性的分析研究等。
4)优化系统和参数的设计。
在建立复杂系统模型之前,可以通过改变仿真模型的结构和调整系统参数来达到优化系统设计从而提高设计质量的目的。
除此之外,仿真试验只需在可重复使用的模型上进行,这也使得设计成本大幅度降低。
广泛应用包括最优化设计和最佳工况调节和控制等在内的最优化方法,可提高设计效率、缩短设计周期,以达到降低设计成本,节约经费的目的。
5)将传统的典型工况设计变成全过程工况设计,极大地提高了系统的可靠性、可调性和系统运行的效率。
而且可重现系统故障,以便分析、判断故障产生的原因。
§1.2.2建模的方法
系统模型的建立是系统仿真的核心问题。
根据对系统的了解程度,系统建模的方法大致可以分为机理建模法和辨识建模法两种。
(1)机理建模法
机理建模方法又称为演绎法、理论建模法,根据实际系统工作时的物理过程的机理进行建模。
它是最基本的系统建模方法,也是最常用的建模方法。
使用该方法进行建模时,必须对实际系统有较深入的分析和研究,还需要对原理高度抽象才能建立出系统模型。
目的是要使建立的模型同时具备易于使用、便于后期研究的优点,而且精度要足够高,能满足那些精密设计要求,还能准确表现出系统原有的工作过程。
2.辨识建模方法
辨识建模方法就是利用各种辨识算法来建立模型的动静态数学模型。
它主运用系统辨识技术,并根据系
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