Time-domain wave estimation and prediction using wave radar on R/V Gunnerus

Abstract

Marine operasjoner beveger seg stadig på dypere vann og mer utfordrende omgivelser. Å garantere sikkerhet i slike omgivelser er en av de viktigste motivasjonene bak forskning i marin teknologi. Nøyaktige forutsigelser for bølgefelt på havet er et stort forskningsområde. Lokale prognoser for bølger can hjelpe planlegging og sikring av operasjoner, og kan brukes til optimalisering av bølgekraftverk.

Denne oppgaven vil gjennomgå utviklingen av en hydrodynamisk estimeringsalgoritme for irregulære bølgefelt. Ved bruk av lineær bølgeteori blir en måleserie i tidsdomenet tilpasset en hydrodynamisk modell som kan videreføre viktige parametre til mannskap. Modellen kan også bruke til å forutse bølgekinematikk videre i bølgens bevegelsesretning basert på målingen. Bølgeestimeringen er tested i simulerte omgivelser, med lovende reultater.

For å teste og validere modellen, ble det gjennomgått flere datainnsamlinger. Data fra bølgepinner i Marin Kybernetikk Laboratoriet ved NTNU ble samlet inn og brukt for testing av virkelige bølgemålinger. Rekonstruering av målte irregulære bølger ga gode resultater, med en RMS-error rundt 1% av signifikant bølgehøyde. Å predikere bølgekinematikk over avstand ga noe overensstemmelse, men indikerer at mer avanserte hydrodynamiske modeller trengs.

Som del av datainnsamlingen ble det også samlet inn data fra bølgeradaren på NTNU forskningsfartøy Gunnerus, på flere seilaser våren 2022. Denne dataen kunne fungere som virkelig bølgedata fra havet til å bruke videre. Testing og validering med disse dataene ga dog ikke tilfredsstillende resultater.

Marine operations are moving into deeper water and more challenging environments. Ensuring safety in such conditions is one of the primary motivators for research in marine technology. Obtaining accurate predictions of ocean wave fields is a large area of research. Local wave forecasts can assist operational planning and assure safety during operations, and may assist in optimizing wave energy converters.

This thesis will detail the development of a hydrodynamic estimation algorithm for an irregular wave field. Using linear theory a time-domain measurement is composed into a hydrodynamic model which can relay important parameters to onboard crew. The model can also be used for prediction of wave kinematics downwave from the measurement point. The wave estimation performance is tested in a simulated environment, showing promising performance.

For testing and validation of the model, a data collection campaign was conducted. Data from wave poles in the Marine Cybernetics Laboratory at NTNU was collected and used for testing on real measured wave data. Reconstructing measured irregular wave fields with the hydrodynamic model yielded good results with RMS error around 1% of the significant wave height. The forecasting of wave kinematics over distance showed some correspondence, with indications that more advanced hydrodynamic models may be needed.

As part of the collection campaign, data was collected from the wave radar on NTNU-owned Research Vessel Gunnerus over several cruises during the spring of 2022. This data was to serve as a real measured dataset of ocean waves to use. Testing and validation using this data did however not yield satisfactory results.