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Machine learning for phase-resolved reconstruction of nonlinear ocean wave surface elevations from sparse remote sensing data

Ehlers, Svenja und Klein, Marco und Henlein, Alexander und Wedler, Mathies und Desmars, Nicolas und Hofmann, Norbert und Stender, Merten (2023) Machine learning for phase-resolved reconstruction of nonlinear ocean wave surface elevations from sparse remote sensing data. Ocean Engineering (288). Elsevier. doi: 10.1016/j.oceaneng.2023.116059. ISSN 0029-8018.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
2MB

Offizielle URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0029801823024435

Kurzfassung

Accurate short-term predictions of phase-resolved water wave conditions are crucial for decision-making in ocean engineering. However, the initialization of remote-sensing-based wave prediction models first requires a reconstruction of wave surfaces from sparse measurements like radar. Existing reconstruction methods either rely on computationally intensive optimization procedures or simplistic modelling assumptions that compromise the real-time capability or accuracy of the subsequent prediction process. We therefore address these issues by proposing a novel approach for phase-resolved wave surface reconstruction using neural networks based on the U-Net and Fourier neural operator (FNO) architectures. Our approach utilizes synthetic yet highly realistic training data on uniform one-dimensional grids, that is generated by the high-order spectral method for wave simulation and a geometric radar modelling approach. The investigation reveals that both models deliver accurate wave reconstruction results and show good generalization for different sea states when trained with spatio-temporal radar data containing multiple historic radar snapshots in each input. Notably, the FNO demonstrates superior performance in handling the data structure imposed by wave physics due to its global approach to learn the mapping between input and output in Fourier space.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/198238/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Machine learning for phase-resolved reconstruction of nonlinear ocean wave surface elevations from sparse remote sensing data
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Ehlers, SvenjaTechnische Universität HamburgNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Klein, Marcomarco.klein (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2867-7534144691211
Henlein, AlexanderDelft University of TechnologyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wedler, Mathiesmathies.wedler (at) tuhh.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Desmars, Nicolasnicolas.desmars (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hofmann, NorbertTechnische Universität HamburgNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Stender, MertenTechnische Universität BerlinNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:15 November 2023
Erschienen in:Ocean Engineering
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1016/j.oceaneng.2023.116059
Verlag:Elsevier
ISSN:0029-8018
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Deep operator learning Fourier neural operator Nonlinear ocean waves Phase-resolved surface reconstruction X-band radar images Radar inversion
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Energiesystemdesign
HGF - Programmthema:Digitalisierung und Systemtechnologie
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SY - Energiesystemtechnologie und -analyse
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Energiesystemtechnologie
Standort: Geesthacht
Institute & Einrichtungen:Institut für Maritime Energiesysteme
Hinterlegt von: Klein, Marco
Hinterlegt am:18 Okt 2023 07:31
Letzte Änderung:26 Sep 2024 09:46

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