CN110108951A - 实现船舶水下标量电位由远及近曲化直换算的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶水下电场技术领域，具体涉及一种实现船舶水下标量电位由远及近曲化直换算的方法。采用电场传感器阵列获得测量曲线S上各个测量点的电位测量值；将测量曲线S上电位测量值作为目标直线L上的初始电位值，并进行边界积分运算，得到测量曲线S上的电位换算值；计算测量曲线S上各个点的电位换算值和原始测量值的差值e，并依据差值e对目标直线L上的初始电位值进行调整；将调整后的初始电位值迭代运算，直至测量曲线S上的电位换算值与电位测量值之间的差值小于阈值，则将此时目标直线L上的电位值输出。曲化平换算可以视为多组不同竖直面上曲化直换算的结果的组合，多次使用本方法可以用于实现船舶水下标量电位的由远及近曲化平换算。

Description

实现船舶水下标量电位由远及近曲化直换算的方法

技术领域

本发明涉及船舶水下电场技术领域，具体涉及一种实现船舶水下标量电位由远及近曲化直换算的方法。

背景技术

目前，船舶消磁技术、声隐身技术及相关探测与对抗技术的发展日趋完善，船舶的声、磁信号的探测也就越来越困难。随着电场探测传感器的迅速发展，船舶水下电场的测量成为可能。研究表明，中型船舶附近的水下静电场总场强具有数百μV/m的量级，并且在近场区域内表现出明显的分布特征，是一个可被利用的新的船舶目标信号。船舶电场对船舶活动状态的监视和跟踪具有重大的意义。

深度换算正是研究电场分布规律的一种重要方式，它是指在实际测量得到某一深度场域上电场分布特征的基础上，根据场域内电场的物理特性，结合数值方法获得船舶电场在不同深度场域上分布状况的一种方法。根据换算方向的差异，可分为由远及近换算和由近及远换算。在场源(船舶)下方的无源区域内，由远及近换算即从远离源的测量面向靠近源的目标面进行换算的过程，由近及远换算即从靠近源的测量面向远离源的目标面进行换算的过程，不同的换算方向对应不同的场域边界条件。

目前所有的换算算法均要求用于换算的源数据为平行于水平面的某深度平面上的电场数据，只能实现由平面上的电场数据得到不同深度平面上电场数据的换算(可简称为“平化平”换算)和由平面上的电场数据得到不同深度曲面上电场数据的换算(可简称为“平化曲”换算)。而实际上，由于海洋环境的影响及布设方法的限制，电场测量传感器往往难以实现平面布设，因此通常只能获得曲面上的电场测量数据，这就使得已有的“平化平”及“平化曲”换算方法不能适用。因此，研究由曲面上的电场数据换算得到另一深度平面上电场数据的换算方法(即“曲化平”换算)具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种换算精度高，且换算精度、换算距离、换算计算量、换算时间等可主动控制，便于实际应用的实现船舶水下标量电位由远及近曲化直换算的方法。

本发明一种实现船舶水下标量电位由远及近曲化直换算的方法，其技术方案为：

在xOz平面内构建较深深度下的测量曲线S和较浅深度下的目标直线L，所述xOz平面为与水平面垂直的竖直平面，z方向竖直向下，x方向垂直于z方向，平行于水平面，所述测量曲线S和目标直线L上以相同的水平间隔设置有均匀分布的若干测量点；

曲化直换算过程包括：

步骤一：采用电场传感器阵列获得测量曲线S上各个测量点的电位测量值；

步骤二：将测量曲线S上各个测量点的电位测量值分别作为目标直线L上具有相同x坐标的各个测量点的初始电位值；

步骤三：利用目标直线L上各个测量点的初始电位值，进行边界积分运算，得到测量曲线S上各个测量点的电位换算值；

步骤四：计算测量曲线S上各个点的电位换算值和原始测量值的差值e，并依据差值e对目标直线L上的初始电位值进行调整；

步骤五：将调整后的初始电位值带入步骤三进行边界积分运算，重复步骤三和步骤四，直至测量曲线S上的电位换算值与电位测量值之间的差值小于阈值，则将此时目标直线L上的电位值输出。

较为优选的，所述电场传感器以相同的水平间隔均匀分布在测量曲线S上，形成曲线测量点阵。

较为优选的，利用目标直线L上各个测量点的初始电位值，进行边界积分运算，得到测量曲线S上各个测量点的电位换算值包括：

所述测量曲线S上点(x,z)的电位换算值为：

式中，l为目标直线L上各个测量点的水平间隔；在前述xOz坐标系中，z>z₀；

p为测量点的数量；

U₀(x_i,z₀)为目标直线L上点(x_i,z₀)的初始电位值。

本发明的有益效果为：

(1)采用边界积分法与迭代思想相结合的换算思路，算法易于编程实现，且换算结果具有较高的精度。

(2)换算所需输入数据为曲线点阵上的标量电位，更贴近实际应用情况。

(3)换算过程中的迭代步长可调，籍此可以实现换算精度、换算距离、换算计算量、换算时间等的主动控制，便于实际应用。

(4)利用插值法稍加改进即可解决水平方向上不均匀的曲线测量点阵上标量电位的由远及近的“曲化直”换算。

(5)曲化平换算可以视为多组不同竖直面上曲化直换算的结果的组合，多次使用本方法可以用于实现船舶水下标量电位的由远及近“曲化平”换算。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为本发明曲线向直线换算示意图；

图3为本发明迭代示意图；

图4为本发明曲线测量点阵示意图；

图5为本发明曲线测量点阵上的电位示意图；

图6为目标直线上电位的换算结果与理论结果示意图；

图7为曲线测量点阵上测量点的坐标；

图8为测量曲线点阵上的电位值；

图9为目标直线上的换算值与实测值的比较。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

本方法以某一深度曲线(较深)上船舶水下标量电位的实测值为基础，先将其做为目标直线(较浅)上电位的初始值，然后采用边界积分法，得到测量曲线上的电位换算值，再用测量曲线上的换算值与实测值之间的差值，对目标直线上的电位初始值进行校正，反复迭代，直到测量直线上的换算值和实测值之间的差值小于某一阈值，此时目标直线上的电位值即为所求。

出于简化问题的考虑，拟解决的由远及近“曲化直”问题的具体描述为：在xOz平面上由曲线均匀测量点阵S(即测量曲线S，两相邻测量点的水平间隔为l)上的电位分布获得目标直线L上的电位分布。水平方向上不均匀曲线测量点阵上的电位换算问题可通过插值法实现，本发明只关注水平方向上均匀的曲线测量点阵(以下简称曲线测量点阵)上的由远及近“曲化直”换算问题。其中，xOz平面为与水平面垂直的竖直平面，z方向竖直向下，x方向垂直于z方向，平行于水平面，所述测量曲线S和目标直线L上以相同的水平间隔设有均匀分布的若干测量点。如图2所示，曲线测量点阵上各测量点(以◆标记)的坐标为(x_i,z_i)，目标直线L上各点(以●标记)的坐标为(x_i,z₀)。

如图1所示，本发明的流程如下：

步骤一：采用电场传感器阵列获得测量曲线S上各个测量点的电位测量值。

以下采用一个仿真算例对步骤一进行解释，其过程如下：

首先，对船舶水下静态电场进行模拟。

采用一个水平静态电偶极子产生的场来模拟船舶水下静态电场。对海洋环境和模拟场源的设置如下：

①模拟场源

本实施例中，电偶极子的电偶极矩大小为1A·m，方向为x轴正方向，电偶极子的中心点的坐标为(0,0,5m)。

②海洋环境

设海水电导率为4S/m，海床电导率为0S/m，测量平面和目标平面的大小取为60m×60m。

其次，获得测量曲线点阵上的电位。

在xOz平面上，设获得电位分布的传感器沿x方向均匀布设在由曲线方程z＝0.001×(-x²+x+1)+55所述的曲线上(如图4所示)，构成曲线测量点阵，其中-50m≤x≤50m，布设水平间距为5m。

根据电偶极子在三层海洋模型中所产生场的计算公式，可以计算出曲线测量点阵上的电位分布如图5所示，并将其作为曲线测量点阵上电位测量值。

步骤二：将测量曲线S上各个测量点的电位测量值分别作为目标直线L上具有相同x坐标的各个测量点的初始电位值。如：目标直线L上点(x_i,z₀)处的初始电位值取为测量曲线S上点(x_i,z_i)处的电位测量值。

步骤三：利用目标直线L上各个测量点的初始电位值，进行边界积分运算，得到测量曲线S上各个测量点的电位换算值。

设目标直线L上点(x_i,z₀)处的初始电位为U₀(x_i,z₀)，则测量曲线S上点(x,z)的电位换算值为：

式中，l为目标直线L上各个测量点的水平间隔；在前述xOz坐标系中，z>z₀；

p为测量点的数量。

步骤四：计算测量曲线S上各个点的电位换算值和原始测量值的差值e，并依据差值e对目标直线L上的初始电位值进行调整。

步骤五：将调整后的初始电位值带入步骤三进行边界积分运算，重复步骤三和步骤四，直至测量曲线S上的电位换算值与电位测量值之间的差值小于阈值，则将此时目标直线L上的电位值输出。

步骤三～步骤五为本方法进行边界积分运算和迭代的过程，如图3所示，U(x_i,z_i)为测量曲线S上的电位测量值，U₀(x_i,z₀)为中间变量，U'(x_i,z_i)为测量曲线上电位换算值，RRMSE为测量曲线上的电位测量值与换算值之间的相对均方根误差，c为迭代终止阀值，η为迭代步长。U'(x_i,z₀)表示目标直线上的电位初始值，在迭代的过程，测量曲线上的电位换算值逐渐趋近测量曲线上的电位测量值，当RRMSE<c时，迭代终止，此时目标直线上的电位值即为换算值，即实现了由远及近“曲化直”换算。

设置迭代步长η为1，迭代终止阀值c为10^-16(经尝试，曲线测量点阵上的电位换算值和测量值在趋近过程中，RRMSE最小可以达到10^-17，所以这里终止阀值c取为10^-16)，获得xOz平面上z＝50m处直线上的电位的换算结果，与此同时，根据电偶极子在三层海洋模型中所产生场的计算公式得到xOz平面上z＝50m处直线上电位的理论结果。该换算结果和理论结果的对比示意如图6所示。根据该仿真换算结果可以看出，换算结果和理论结果吻合的较好，只在靠近目标直线的两端出现了一定的偏离。计算目标直线上电位换算结果和理论结果的相对均方根误差，得其结果为0.0483，相对均方根误差较小，说明换算精度较高，换算算法可行。

为保证换算方法的正确性，本实施例进一步对实验数据进行验证。

本实施例在实验室中模拟空气--海水--海床三层海洋环境，模拟海水水深0.53m，电导率为0.2047S/m。采用通有稳恒电流的两平行铂片模拟船舶静态电场的场源，两铂片间距0.03m，外加电流0.2A，置于水面下0.03m深度处。以海水--空气界面为xOy平面，竖直向下方向为z方向。

实验分别测得了z＝0.18m、0.20m、0.24m和0.26m的四个深度平面上的电位，在xOz平面上，按照图7所示取点规则，在四个测量平面取数据点，使其构成一个沿水平方向均匀布设的曲线测量点阵，点阵上相邻两点的水平间隔为5cm，曲线测量点阵上的电位测量值如图8所示。可见，换算得到的目标直线上的换算结果和实测结果在形状特征上吻合较好，表明换算方法是可行的。进一步可计算换算结果和实测结果的相对均方根误差，为0.2247。分析可知，实际测量值往往携带着不可忽视的测量误差，会在一定程度上降低换算精度。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种实现船舶水下标量电位由远及近曲化直换算的方法，其特征在于，在xOz平面内构建较深深度下的测量曲线S和较浅深度下的目标直线L，所述xOz平面为与水平面垂直的竖直平面，z方向竖直向下，x方向垂直于z方向，平行于水平面，所述测量曲线S和目标直线L上以相同的水平间隔设置有均匀分布的若干测量点；

曲化直换算过程包括：

步骤一：采用电场传感器阵列获得测量曲线S上各个测量点的电位测量值；

步骤二：将测量曲线S上各个测量点的电位测量值分别作为目标直线L上具有相同x坐标的各个测量点的初始电位值；

步骤三：利用目标直线L上各个测量点的初始电位值，进行边界积分运算，得到测量曲线S上各个测量点的电位换算值；

步骤四：计算测量曲线S上各个点的电位换算值和原始测量值的差值e，并依据差值e对目标直线L上的初始电位值进行调整；

步骤五：将调整后的初始电位值带入步骤三进行边界积分运算，重复步骤三和步骤四，直至测量曲线S上的电位换算值与电位测量值之间的差值小于阈值，则将此时目标直线L上的电位值输出。

2.根据权利要求1所述的实现船舶水下标量电位由远及近曲化直换算的方法，其特征在于，所述电场传感器以相同的水平间隔均匀分布在测量曲线S上，形成曲线测量点阵。

3.根据权利要求1所述的实现船舶水下标量电位由远及近曲化直换算的方法，其特征在于，利用目标直线L上各个测量点的初始电位值，进行边界积分运算，得到测量曲线S上各个测量点的电位换算值包括：

所述测量曲线S上点(x,z)的电位换算值为：

式中，l为目标直线L上各个测量点的水平间隔；在前述xOz坐标系中，z>z₀；

p为测量点的数量；

U₀(x_i,z₀)为目标直线L上点(x_i,z₀)的初始电位值。