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user: 3. 主动消波技术的发展 为了在实验过程中使得造波板处的波浪与目标波相同。我们常采用主动消波的方法，即造波机根据造波信号生成目标波，由在造波板上或板前安装的波高仪测量从侧壁和对面传来的一次反射波部分，然后加给造波机一种与原来运动反向的修正信号，从而获得吸收反射波的效果，避免二次反射波的产生。 采用主动吸收系统有以下几个原因：1) 可以吸收反射回造波机的波，避免二次反射波破坏入射波；2) 防止水池中的共振振荡，减少最大测试持续时间；3) 有效减少实验运行之间剩余波衰减所需的时间；4) 减少造波机和池壁构成的人工边界对实验结果的影响，提高实验结果准确性；5) 达到低反射或零反射，节约试验水池的占用空间。 1970年，麻省理工学院的Milgram率先发表了关于主动消波方式的文章。传统的斜坡消波滩很难吸收小波高的波浪，而消波式造波机则更容易吸收。在一个消波系统函数的综合中，除了要求合成函数与理想消波系统接近外，还提出四个准则：1) 整个控制系统是稳定的；2) 消波系统在频率为零的情况下有零响应，以防止波板漂移；3) 实际反馈滤波器的频域传递函数必须小于理论上的频域传递函数，以防止产生高频噪声；4) Milgram从实验中得出结论，对于所有频率，反射系数应小于1，以防止非线性波中高频放大引起显著的二次谐波效应。在实验结果表明，有限振幅效应对一阶波的反射系数影响不大，且主动吸收适用于小波高波浪，而传统的消波滩吸收更适用于大波高波浪 [ 7 ]。 1981年，为了克服Milgram的波板后的流体共振问题，加州大学伯克利分校的Salter设计了一种干背式波板，使测量的力完全取决于作用在板面上的波浪压力。他提出通过单个力传感器测量造波机上的力作为修正信号输入造波机，消波式造波机除了产生所需的入射波外，波板运动可以抵消或“吸收”任何到达它的反射波。此方法有三个优势：1) 力传感器在整个造波机前取一个平均值，可以在横波存在的情况下获得最好的统计样本；2) 力传感器可以完全不受水体中的化学和生物变化的影响；3) 易将来自力传感器的信号与来自速度传感器的信号结合起来，从而修正给予水的能量速率。该系统是第一个在永久性实验室设施中运行的主动消波系统，在一个多向波水池中，它也可作为一个准三维系统 [ 8 ]。 1989年，G.N. Bullock和G.J. Murton指出Salter的测量水动力的方法更适用于低惯量造波板，对于高惯量造波板来说，测量板前水面的高度变化是一种更好的解决方案。对于浅水波，粒子运动均匀地分布在整个水深，优先选用活塞或楔形造波机。Bullock和Murton开发了楔形造波机的主动消波系统，在长20.7 m，宽0.9 m，深1.2 m的水槽中进行试验，波传感器与楔形体一起来回运动，测量的仰角信号被转换为使用模拟递归滤波器的波板运动，楔形板有以下优点：1) 适用于浅水；2) 波浪只产生于正面，因此不需要后面的海滩，水槽的可用长度略小于其总长度；3) 设计简单便宜，无需复杂的密封和水下轴承。事实证明，吸收系统比传统的反射系统有了很大的改进，提出了一种具有较好的吸收特性的滤波器设计 [ 9 ]。 1990年，Hiromaru Hirakuchi等和Chia Chuen Kao等针对推板式造波机，采用“时域控制方程”方法，从时域的角度进行消波的研究，在造波板上设置浪高仪来测量位于造波板上的波面高度，进而修正产生波浪的造波信号来达到消除二次反射的目的，通过深入的理论研究可以从反射系数的角度对系统性能进行理论评估。但对于不规则波，由于波浪是由无限个频率的组成波叠加而成，采用数学近似的方法，即用近似的常数代替涉及无穷个组成波的未知参数，这种方法计算量较小且反应迅速，但是对再反射可能造成时间延迟。目前，我国及日本水池的吸收式造波广泛采用 Hirakuchi理论 [ 10 ]。 1991年，Ikeya的理论发展是建立在具有全反射池壁的矩形水池的基础上的。波场以特征模的形式显示，该特征模对应于多向波造波机的傅里叶展开，其空间周期为水池宽的两倍。概述了将吸收控制信号与水面高度联系起来的三种方法：1) 将测量到的表面高度分解为本征模，并将每个模与吸收控制信号联系起来。因此，所有反馈信号都会影响到控制信号，因此必须经常进行分析；2) 扩展传递函数cosθ的变化，将结果与沿测量高程的造波机的二阶导数联系起来；3) 忽略方向变化，对应于准三维系统。Ikeya的第一种方法中，滤波器的应用受到横向边界条件的影响，这意味着空间周期是造波机宽度的两倍，未尝试将理论与预期消波能力直接联系起来。在第二种方法中，只会出现三个滤波器系数，而在第三个方法中，滤波器将减少到一个系数。在整个研究过程中，该方法忽略了频率变化，从而限制了其在实际应用中的适用性 [ 11 ]。 1994年，Christensen和Frigaard采用“入、反射波分离造波修正”方法，在造波板前布置两个浪高仪，从理论上讲，一个浪高仪可以为消波系统提供足够的信息，但为了系统的稳定，需要使用两个浪高仪。实际上，使用这两个浪高仪进行反射分析：相移一个信号，并将它加到另一个信号中，抵消来自造波机的波。产生的信号只包含要吸收的波，并且可以使用有限脉冲响应(即非递归)数字滤波器对所需的吸收信号进行线性转换。与传统的反射造波机相比，该方法获得了更好的入射波谱，但由于造波系统需要一定的响应时间，且瞬时利用了前面一定时段的波浪数据，长时间运行易造成误差的积累，影响了主动消波的效果 [ 12 ]。 1994年，丹麦水动力研究所(DHI) Schäffer等则采用“频域滤波器”方法 [ 13 ]，在造波板前设置浪高仪，通过时域分析分离出水池中的反射波并转化为造波机的修正后的造波信号来达到消波的目的。该系统利用一个适合于广泛频率范围内的目标传递函数的递归数字滤波器，具有浪高仪的自动校准功能，适用于推板式和摇板式造波机，除了不规则波测试中显示入射波的质量外，系统在吸收系数(1减去反射系数)方面的性能也是良好。目前，西欧水池广泛采用Schäffer理论 [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]。 将水槽系统应用于多向造波机的每一段，可以得到准三维(二维)主动吸收系统，但是这忽略了方向性效应。上述均是在准三维系统上的研究，相对于准三维方法，全三维系统具有的主动吸收算法考虑了反射波角的影响，可以区分不同方向的波，提高了斜波的吸收能力。 1996年，Schäffer和Skourup基于1994年Schäffer等的DHI消波系统，在数值波浪水池中，利用线性边界积分方程的方法，将分段造波机建模为运动边界，采用关于空间变化的三阶滤波器，将水动力反馈看作一个随时空变化的信号，用于造波机的控制信号，实现每个造波机段控制之间的耦合，进一步减少了二次反射，这很好地实现了主动吸收系统，且所得实验数据与理论一致。此方法涵盖了很宽的频率范围，而且随着波浪倾斜度的增加，全三维系统的性能变得更好。后来这种全三维消波系统被用于荷兰MARIN水池的造波系统 [ 17 ]。 2003年，柳淑学等采用“时域控制方程”方法，针对不规则波的未知参数问题提出了代表频率法，在造波板上和板前布置浪高仪，并进行了物理验证 [ 18 ]。在其基础上，王先涛针对不规则波提出了代表频率加权平均法，并根据波形稳定和吸收率等概念和方法定量分析吸收式造波的效果 [ 19 ]。 2009年，Johannes Spinneken和Chris Swan进一步研究水动力反馈系统，把造波机看做一个耦合的质量—弹簧—阻尼器系统，综合利用造波机的力、位置、速度和加速度，吸收系统采用阻抗数字滤波器网络，并建立了一个完整的频域模型，包括水动力反馈、波板动力学以及吸收滤波器。试验中，在板上施加单一频率的正弦力会使它运动，并产生一个波场，反过来，这个波场会由力传感器感知，在波板上产生一种力。这种力的性质取决于波的完全非线性，这种非线性力决定了造波机下一步要施加的力。因此，在一个频率上刺激一台力控的造波机，就会产生一个非线性或多频率的板运动，这与位置控制的造波机形成了鲜明的对比。数值试验表明，与位移反馈模式相比，力反馈模式减少了水槽中的散射波数量 [ 20 ]。 2013年，李宏伟提出了智能控制算法的主动消波方法，即采用基于S面控制器(Sigmoid曲面函数型控制器)的主动消波方法，由控制算法解算目标波所需的造波机的运动参数，将主动消波问题转化为控制规律的求解问题，并验证了该控制器的良好性能 [ 21 ]。