基于受限等距性质的波浪浮标模拟及其在多谱融合的应用🏆

实时海况信息在指导各种海洋作业（如海上结构物安装维护、船舶起降、远洋航行等）的决策中扮演着关键角色 。利用船舶的运动响应来估计波谱的“波浪浮标模拟”（Wave Buoy Analogy, WBA）方法，能够以低成本提供近乎实时的海况估计，因此受到广泛关注 。

然而，与标准球形浮标不同，船舶具有复杂的几何形状，其水动力响应（即响应振幅算子，RAOs）在不同频率和方向上呈非均匀分布 。这导致WBA方法在特定海况下（例如面对特定方向或高频的波浪时）性能会显著下降，可能产生错误的海况估计，误导决策并导致严重后果 。

本文针对WBA性能不稳定的问题，首次将压缩感知理论中的“受限等距性质”（Restricted Isometry Property, RIP）引入到WBA框架中，从数学角度解释性能差异的原因 。研究提出了一个RAO驱动的评估标准，该标准仅依赖RAO作为输入，即可在计算前预先评估WBA在特定海况下的估计可靠性 。

基于这一评估标准，本文进一步提出了一种多谱融合算法（multispectral fusion algorithm）。考虑到海洋作业中常有多艘船舶同时在场，该算法能够合理地融合来自不同几何形状和航向的船舶的多个独立波谱估计值 。通过使用所提出的评估标准作为权重分配依据，该算法能有效抑制不可靠的估计数据，同时放大准确估计值的贡献，最终生成一个比任何单一估计都更精确、更鲁棒的综合海况结果 。算法通过数值实验得到了验证 。

相关研究成果以“Restricted Isometry Property in Wave Buoy Analogy and Application to Multispectral Fusion”为题发表在国际期刊《IEEE TRANSACTIONS ON INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS》上 。本文第一作者为清华大学深圳国际研究生院张泰瑜（Taiyu Zhang），通讯作者为任政儒（Zhengru Ren）。该项目得到了深圳市科技计划项目和广东省自然科学基金的资助。文章入选ESI高被引论文。

[论文下载]