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1、河南科技大学本科毕业设计（论文）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
2、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 Exploring the Modeling Method and its Application to Com
3、plex Marine Light FiledABSTRACTSince entering the 21st century, the rise of the pace of the new science and technology revolution has been increasingly rapid. Whats more, the competition among countries all over the world is not only a territorial fight. Especially with growing scarcity of natural r
4、esources in the world, marine as an important area of high and new technology industry development, has began to attract more and more countries to join the competition of marine science and technology. The research of marine light field in the military, agriculture, meteorology, film and television
5、 entertainment industry has a wide range of application requirements. Recently, there are a lot of research in the modeling and simulation of the Marine environment at home and abroad, but they mainly relate to optical transmission characteristics, and focus more on the surface of light and shadow t
6、o simulate or to generate realistic 3 d animation in air medium, which seldom dabble in dynamic ocean modeling problems of the light field. This paper mainly studies modeling methods of the ocean dynamic light field under the influence of wind waves. Through qualitative and quantitative research of
7、the light field three-dimensional profile modeling, the modeling of ocean currents, thermohaline characteristics physical analysis and any plane light field radiation simulation, ect. we can establish a coarse-grained dynamic real-time simulation model of optical field and develop interactive underw
8、ater light field profile simulation system based on the model by using MATLAB software, which can realize complex marine light field systematic characterization of dynamic characteristics of indicators. By showing the XLAT plane, the XZ plane and the LATZ plane light radiation intensity dynamic simu
9、lation diagrams changing with Marine features, it provides full three-dimensional ocean light field real-time rendering technical support, which can be used to help the deep underwater vehicle implement environment detection tasks. Whats more, MATLAB calculation modeling method is more simple and in
10、tuitive, which can realize the dynamic effect and human-computer interaction. KELAT WORDS：marine field, wind sea, modeling, dynamic state, MATLAB simulation10目录 前言1第1章 复杂系统的建模与仿真方法16,1741.1 复杂系统的简单说明41.2 建模与仿真61.2.1 仿真的基本概念6第2章 MATLAB/SIMULINK建模仿真技术112.1 MATLAB/SIMLINK概述112.1.1 MATLAB简介112.1.2 MATLA
11、B编程环境的特点112.1.3 SIMULINK仿真工具简介132.2 MATLAB/SIMULINK的建模方法15第3章 海洋水体中光的传输特性173.1 海洋中的光及其重要作用173.2 海洋中光的传输特性173.3 Monte Carlo模型18第4章 交互式动态海洋光场建模214.1 海洋光场模型的建立214.1.1 基于stokes理论的光场二维数学模型的建立214.1.2 基于MATLAB的光场二维剖面224.2 风海波影响下海洋动态光场的建立254.2.1 三维海洋波浪曲面的生成254.2.2 三维海洋光场图形的获得264.2.3 三维海洋光场动态图的制作28结论30参考文献31
12、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
13、类的文明进步的大事。光场（light field），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
14、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
15、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. Arnush5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。Jerry Tessendorf6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。Vladimir Belyaev7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。Kei Iwasaki8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，MOREL9,1
