CN110955860B - 一种垂直发射航行体水下流切变特征参数估计方法 - Google Patents

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Abstract

针对航行体试验中的水下段环境适应性分析与评价的需求，本发明公开了一种垂直发射航行体水下流切变特征参数估计方法。该方法基于航行体出水过程中的海流剖面测量数据，对海流分层、流向切变和流速切变三类特征参数进行估计。对于海流分层参数的估计，以一定的参考流速为阈值，将海流剖面分割为若干强流层和弱流层，分别计算流层位置、流层厚度和流层强度等参数；对于流向切变参数的估计，根据流层中的流矢量序列估计层内主流向、主流向标准差等参数，并由相邻水层的主流向偏差确定流向切变量参数；对于流速切变参数的估计，根据流速剖面计算流速梯度，以一定的参考流速梯度为阈值，将海流梯度剖面分割为若干正切变层和负切变层，分别计算流速切变层位置、流速切变层厚度和流速切变层强度等参数。该方法能够完整反映海洋上层、中层、下层的海流结构，并估计得出其间的流向切变和流速切变特征参数。

Description

一种垂直发射航行体水下流切变特征参数估计方法
技术领域
本发明属于水下垂直发射航行体性能试验领域，涉及航行体在非均匀流场出水过程中的流切变特征参数估计方法。
背景技术
水下垂直发射航行体的水动力设计是一个重要问题，航行体高速出水伴随着空泡流，在这一过程中海流对水质点的扰动形成相对速度，进而对航行体形成附加攻角，加剧深泡界面的不稳定程度。尽管这一问题在理论层面已开展了大量研究(唐一华，权晓波，谷立祥等.水下垂直发射航行体空泡流[M].北京：中国宇航出版社，2017.)，但都无法代替真实海洋环境下试验，而相关的环境测量数据及分析方法成为航行体出水性能评价的重要依据。
真实海洋中的海流既具有较强的时变性，又有垂向分层的结构特性。影响航行体出水的海流特征与常规海洋学中定义有所差异(张月华.海流对水弹道的影响数值分析[J].四川兵工学报，2009，30(3)：8-10.)。海洋学关注的海流通常是较大区域的、缓变的，侧重于海-气系统中的动力现象在某一海区的发展与演化；而对于垂直发射航行体试验，关注的重点是出水点附近从发射深度到水面的整个水柱的流结构及切变特性，这种切变既包括方向切变，又包括速度切变。流切变作为影响航行体水中段运动的重要因素，可造成航行体轨迹和姿态的不连续变化，且这种变化与空泡流的耦合作用将加剧航行体的不稳定性。目前虽有了一些海流剖面的测量数据，但还没有形成针对水下流切变特征参数估计的有效方法。随着新型垂直发射航行体的不断发展，对海洋环境的测量和分析的要求越来越高，要求对水下流切变特征量进行可靠、准确的估计，以支撑航行体水下性能设计以及环境适应性的分析与评价。
发明内容
针对垂直发射航行体试验中的水下段环境适应性分析与评价需求，本发明提出一种基于海流剖面测量数据对航行体出水过程中的流切变特征参数进行估计的方法。该方法以一定的参考流速为阈值，将海流剖面分割为若干强流层和弱流层，并估计流层位置、流层厚度和流层强度三类海流分层参数；根据流层中的流矢量序列估计层内主流向、主流向标准差等参数，并由相邻水层的主流向偏差确定流向切变量参数；根据流速剖面计算流速梯度，以一定的参考流速梯度为阈值，将海流梯度剖面分割为若干正切变层和负切变层，并估计流速切变层位置、流速切变层厚度和流速切变层强度三类流速切变特征参数。该方法能够完整反映海洋上层、中层、下层的海流结构，并估计得出其间的流向切变和流速切变特征参数。
本发明采用的具体技术方案如下：
(1)海流分层参数估计
根据海流在垂直方向上的非均匀变化，把海流剖面切分为若干强流层和弱流层，可依据不同水层之间的边界确定其位置、厚度和层中流速强弱。
①海流分层定义
选取一个参考流速vc作为阈值，对于某一流速剖面V(z)(z为水深)，可将深度范围[za，zb]之间的满足如下条件的水层定义为强流层：
V(z)≥vc，z∈[za，zb] (1)
不满足这一关系式的水层则定义为弱流层。
②流层边界位置计算
对于一个由声学多普勒海流剖面仪(ADCP)或其它类型的海流计定点测量得到的离散海流剖面V(zk)＝[v1，v2，…，vN](k为数据点序号，N为剖面数据点数)，根据参考流速可将海流剖面划分为若干强流层和弱流层。若流层l中所包含的数据点序号满足i≤k≤j，则该流层的上边界位置
Figure BSA0000197274800000021
和下边界位置
Figure BSA0000197274800000022
可由以下线性关系确定：
Figure BSA0000197274800000023
其中：vi、vj分别为第i、j个数据点的流速值。
③海流分层参数估计
计算得到流层边界位置后，流层位置ZL(l)、流层厚度DL(l)和流层强度VL(l)三个特征参数可由下式进行估计：
Figure BSA0000197274800000024
其中：l为根据参考流速分层后的流层序号；M为第l层中的数据点数。
(2)流向切变特征参数估计
根据参考流速对流速剖面划分的若干强流层和弱流层，若将流层l中的流矢量序列按一定的角分辨率分别投影至0～360°，将各投影方向的流矢量求和取模，得到该投影方向上的累加流速S(l)，并以S(l)取极大值时的投影方向θ(l)作为层内主流向的估计值，表达式为：
Figure BSA0000197274800000031
式中V(l)(zj)＝[v1，v2，…，vM]、D(l)(zj)＝[d1，d2，…，dM]分别为该流层中的流速、流向数据序列，zj为第j个水深数据，M为流层中的数据点数。
同时，可通过主流向标准差σ(l)反映层内流向值的离散程度，表达式为：
Figure BSA0000197274800000032
若考虑相邻两流层l和m之间的流向切变，可构建流向切变量Δθ(l，m)，Δθ(l，m)＝θ(m)-θ(l)，正值表示顺时针切变，负值表示逆时针切变。
(3)流速切变特征参数估计
流速切变主要描述海流强弱在垂直方向上的跃变特征。对于一个由声学多普勒海流剖面仪(ADCP)或其它类型的海流计定点测量得到的离散海流剖面V(zk)＝[v1，v2，…，vN](k为数据点序号，N为剖面数据点数)，采用中央差分格式计算流速梯度，即对于i、j两个相邻数据点，其流速梯度Vg在分界位置的计算式为：
Figure BSA0000197274800000033
其中：vi、vj分别为第i、j个数据点的流速；zi、zj分别为第i、j个数据点的深度。
对于由离散流速剖面计算得到的流速剖面Vg(zk)＝[v1，v2，…，vN](k为数据点序号，N为剖面数据点数)，选取一个参考流速梯度vgc作为阈值，并将其插值到标准深度，并依据以下判据提取切变层：
Figure BSA0000197274800000034
参照公式(1)的海流分层过程，可对流速梯度剖面Vg(zk)进行分层，满足上式中第一个条件的水层为正切变层，满足上式中第二个条件的水层为负切变层。参照公式(2)可计算得到各分层的上、下边界位置。若将第m个分层的上、下边界位置分别表示为
Figure BSA0000197274800000035
则该层流速切变层位置ZG(m)、流速切变层厚度DG(m)和流速切变层强度VG(m)三个特征参数可由下式计算：
Figure BSA0000197274800000041
其中：
Figure BSA0000197274800000042
分别为上边界
Figure BSA0000197274800000043
下边界
Figure BSA0000197274800000044
处的流速。
有益效果
本发明能够解决传统海洋学流速、流向参数与航行体出水试验分析不匹配的问题，并根据测量海流剖面有效计算水下流切变特征参数，为航行体水下段运动的分析、评价提供准确的海流结构表征。
附图说明
图1典型海流剖面分层示意图。
图2典型海流剖面的流向切变参数估计示意图。
图3多次测量的垂向流速梯度频数分布图。
图4典型海流剖面的流速切变参数估计示意图。
具体实施方式
本实施例对本发明做进一步详细描述，具体实现过程分为以下4个步骤：
①海流剖面数据获取：由声学多普勒海流剖面仪(ADCP)或其它类型的海流计定点测量得到海流剖面，数据与水深值一一对应，每个水深对应位置包含流速、流向两类参数。将测量海流剖面剔除野值后插值到深度标准层。
②海流分层参数估计：选取参考流速vc，根据该参考流速将测量海流剖面序列分割为若干流层，大于参考流速的水层为强流层，小于参考流速的水层为弱流层，分割形成的水层个数为流层数(与实际海流剖面数据有关)。根据分层信息插值获取强/弱流层上、下边界的位置，取其平均值作为流层位置估计值；以强/弱流层下边界与上边界位置的深度差作为流层厚度估计值；计算强/弱流层中的平均流速，作为流层强度估计值。
附图1给出了一个典型海流剖面的分层示意图(图中数据为归一化的结果)，图中实线为流速量值，实际附近的点为数据点，垂向虚线表示参考流速量值。以0.4作为参考流速，分为3个强流层和3个弱流层，第1个强流层位置在0.05处，厚度0.09，强度0.56，第2个强流层位置在0.59处，厚度0.17，强度0.48，第3个强流层位置在0.81处，厚度0.06，强度0.40；第1个弱流层位置在0.30处，厚度0.42，强度0.20，第2个弱流层位置在0.73处，厚度0.10，强度0.36，第3个弱流层位置在0.92处，厚度0.15，强度0.28。
③流向切变特征参数估计：对于某一强/弱流层，将层中所包含数据序列的流速矢量按一定的角分辨率(不低于1°)分别投影至0°～360°，将投影方向的流速矢量求和并取模，得到该投影方向上的累加流速S(l)，并对模取极大值时的投影方向进行估计，得出层内主流向的估计值；将流层中流向数据值相对于层内主流向作平方和，再除以数据点数后开根，得到强/弱流层主流向标准差；对于两个相邻流层，后者与前者层内主流向的差值作为流向切变量的估计值，正值表示顺时针切变，负值表示逆时针切变。
附图2给出了与附图1相对应的海流剖面的流向切变参数估计示意图(图中数据为归一化的结果)，图中等值线表示流速矢量在沿0°～360°投影累加流速的方位-深度分布，垂向虚线表示估计得到的各流层的层内主流向，横向实线为对应流层的边界位置。在附图1给出的海流分层结果的基础上，通过流向切变特征参数估计，得到近表层的强流层层内主流向为166°，其下的弱流层层内主流向为310°，水深0.5以下的2个强流层和2个弱流层层内主流向相接近，分别为38°、40°、50°、55°，前两个流层之间形成显著的顺时针流向切变，流向切变量为144°，表层与中下层之间有显著的逆时针流向切变，最大流向切变量为-126°。
④流速切变特征参数估计：参考目标海域多次测量的海流剖面垂向流速梯度频数分布，其统计结果近似满足正态分布(附图3)，并将其拐点位置作为参考流速梯度；根据测量获得的海流剖面序列，采用中央差分格式计算流速梯度；依据参考流速梯度对海流梯度剖面进行分割，流速梯度值小于负的参考流速梯度值的水层定义为负切变层，流速梯度值大于参考流速梯度值的水层定义为正切变层，符合切变层条件的水层个数为流速切变层数；根据流速梯度分层信息插值获取流速切变层上、下边界的位置，取其平均值作为流速切变层位置估计值；以切变层下边界与上边界位置的深度差作为流速切变层厚度估计值；计算强/弱流层中的平均流速梯度，作为流速切变层强度估计值。
附图4给出了与附图1相对应的海流剖面的流速切变参数估计示意图(图中数据为归一化的结果)，图中垂向虚线表示参考流速梯度的量值。通过流速切变特征参数估计，存在1个负切变层和1个正切变层，负切变层位于水深0.09处，厚度0.12，强度-0.55，正切变层位于水深0.50处，厚度0.08，强度0.47。

Claims (4)

1.一种基于海流剖面测量数据对垂直发射航行体出水过程中的水下流切变特征参数进行估计的方法，其特征是，根据声学多普勒海流剖面仪或其它类型的海流计定点测量得到的海流、流向剖面数据序列，以一定的参考流速vc为阈值，将海流剖面分割为若干强流层和弱流层，依据参考流速在流速剖面上的交会点获得分层的上、下边界位置，进而以上、下边界的平均位置估计流层位置ZLk、以上、下边界的垂向距离估计流层厚度DLk、以流层中的平均流速估计流层强度VLk；根据流层中的流矢量累加流速S(l)在全方位上的最大投影方向估计层内主流向，并以层中流向标准方差作为主流向标准差的估计值，同时将相邻水层的主流向偏差作为流向切变量的估计值；根据流速剖面计算流速梯度，以一定的参考流速梯度vgc为阈值，依据参考流速梯度在海流梯度剖面上的交会点获得正切变层和负切变层的上、下边界位置，进而以上、下边界的平均位置估计流速切变层位置ZGk、以上、下边界的垂向距离估计流速切变层厚度DGk、以流层中的平均流速梯度估计流速切变层强度VGk。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的海流分层参数估计过程为：以参考流速vc作为阈值，将测量获取的流速剖面中满足V(z)≥vc的水层定义为强流层，不满足的水层为弱流层，通过插值法获得流层l各强流层与弱流层的上边界
Figure FSA0000197274790000011
和下边界
Figure FSA0000197274790000012
并依据
Figure FSA0000197274790000013
分别估计流层位置ZL(l)、流层厚度DL(l)和流层强度VL(l)三类海流分层参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的流向切变特征参数估计过程为：将流层l中的流矢量序列按一定的角分辨率分别投影至0～360°，将各投影方向的流矢量求和取模，按
Figure FSA0000197274790000014
对S(l)取极大值时的投影方向进行估计，得到层内主流向θ(l)，并计算主流向标准差
Figure FSA0000197274790000015
作为层内流向离散程度的表征； 相邻流层l和m之间的流向切变量定义为Δθ(l，m)，Δθ(l，m)＝θ(m)-θ(l)，正值表示顺时针切变，负值表示逆时针切变。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的流速切变特征参数估计过程为：以参考流速梯度vgc作为阈值，将满足Vg+(z)≥vgc的水层定义为正切变层，满足Vg-(z)≤-vgc定义为负切变层，通过插值法获得第m个分层的上边界位置
Figure FSA0000197274790000016
和下边界位置
Figure FSA0000197274790000021
并依据
Figure FSA0000197274790000022
分别估计该层的流速切变层位置ZG(m)、流速切变层厚度DG(m)和流速切变层强度VG(m)三类流速切变特征参数。
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