基于双频多尺度的海底管道侧扫声纳图像增强算法

《Ocean Engineering》：Dual-frequency multi-scale based submarine pipeline side-scan sonar image enhancement algorithm

提出了一种基于功率的等效方法，通过频率域的流体动力数据计算六自由度船舶的等效附加质量和阻尼矩阵，避免了Cummins方程的复杂积分运算。该方法利用波浪谱加权平均，确保总动能和平均功率耗散守恒，适用于零速和非零速 maneuvering模型，验证表明其RMSE较传统零频近似降低显著，尤其在耦合的垂向和横滚运动中表现优异，为高效实时仿真和控制设计提供了物理一致的解决方案。

　　本文探讨了在波浪中对海洋船舶进行精确模拟和控制的方法，重点在于如何利用频率域的海况数据，推导出物理一致的等效附加质量和阻尼矩阵。传统上，海况理论通过求解Cummins方程来捕捉频率依赖的附加质量和阻尼，而操纵模型通常使用恒定的水动力系数，这些系数往往在零频率下进行近似。这种方法在某些海况下会导致性能下降。为了解决这一问题，本文提出了一种基于功率的平均方法，利用标准化的波浪谱对水动力系数进行加权平均，从而保留总动能和平均功率耗散。这种方法避免了选择任意频率（通常为零频率）的需要，适用于线性和非线性操纵模型，并且支持六自由度（6-DOF）船舶模型在零和非零航速下的应用。

研究首先回顾了海况理论与操纵理论之间的区别。海况理论基于线性水动力原理，描述了船舶在波浪中的运动响应，其中水动力系数是频率依赖的，由于流体记忆效应影响所有六个自由度。而操纵理论则关注船舶对控制输入（如舵、推进器和推进器）的响应，通常假设水动力系数是频率无关的。这种区分导致了两种理论之间的脱节，使得实际应用中难以准确捕捉瞬态行为和波浪诱导效应。早期的经验模型，如Abkowitz模型和Clarke等人的模型，为基于模拟的设计奠定了基础，但随着浅水操纵研究的发展，这些模型逐渐被改进的版本所取代，如Yang和Moctar的模型，该模型通过数值捕获测试和修正函数考虑了水深效应。

在操纵模型中，通常使用零频率下的附加质量和阻尼值，这虽然简化了模型，但在波浪激励条件下可能无法准确捕捉动态耦合。本文提出的方法旨在解决这一问题，通过将水动力系数整合到整个频率谱中，利用波浪谱的能量密度作为权重，确保模型在物理上的一致性。这种方法适用于六自由度模型，尤其在处理不同频率下运动耦合时，能够提供更准确的预测。

研究还详细讨论了基于频率域的运动方程，包括海况模型和操纵模型。海况模型通过Cummins方程考虑了频率依赖的附加质量和阻尼，而操纵模型则假设水动力系数为常数。虽然频率依赖的模型在计算上更为准确，但其复杂性限制了实时模拟和控制设计的应用。为此，本文提出了一种新的方法，通过在频率域中计算等效矩阵，从而在时间域中实现高效的模拟。

该方法在两个基准船舶模型上进行了验证：S175集装箱船和标准油轮。这些验证结果表明，基于功率的平均方法能够有效保留总动能和平均功率耗散，且在六自由度模型中表现优异。研究还展示了在不同海况下，该方法相对于传统零频率近似所带来的性能提升，特别是在垂直平面运动（如垂荡、横摇和纵摇）中，因为这些运动通常在较高的自然频率下达到峰值，而零频率近似无法捕捉这些混合频率效应。

研究进一步分析了等效矩阵的计算方法，其中涉及波浪谱的归一化处理和频率依赖的水动力系数。通过将水动力系数与波浪谱的能量密度进行加权平均，能够获得在物理上一致的等效附加质量和阻尼矩阵。这种方法适用于各种水动力模型，包括基于条理论、线性势流求解器或高保真CFD和EFD的模型，只要能够获取频率依赖的附加质量和阻尼数据。

在实际应用中，该方法能够有效减少计算复杂度，同时保持模型的物理一致性。例如，在六自由度模型中，传统方法可能需要求解Cummins方程，这通常涉及大量额外的微分方程。而基于功率的平均方法则通过常数矩阵简化了模型，使得实时模拟和控制设计更加高效。

研究还指出，虽然方法在六自由度模型中表现优异，但其在不同频率下的耦合效应仍然需要谨慎处理。例如，对于低频和高频运动之间的耦合，使用单一频率近似可能会导致模型的不准确。而基于功率的平均方法通过在整个频率谱上进行整合，能够更准确地捕捉混合频率的相互作用。

此外，研究还讨论了该方法的计算效率和适用性。通过使用标准化的波浪谱进行加权平均，该方法能够在保持模型物理一致性的前提下，显著减少计算复杂度。这对于需要实时模拟和控制设计的海洋船舶应用尤为重要，因为传统方法可能无法满足这些需求。

综上所述，本文提出了一种基于功率的平均方法，用于从频率域海况数据中推导等效附加质量和阻尼矩阵。该方法不仅能够提高模型的准确性，还能够在保持计算效率的同时，实现六自由度模型的统一模拟。这种方法适用于多种水动力模型，并且在不同海况和航速下表现出良好的适应性和准确性。研究通过两个基准船舶模型的验证，证明了该方法的有效性，并为未来的研究提供了方向，包括对二阶波浪力或直接CFD时间域力数据的扩展应用。