CN112834577B - 一种判断海洋环境磁场与海水电导率关联方法 - Google Patents

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Abstract

一种判断海洋环境磁场与海水电导率关联方法，属于海洋环境水下磁场特征统计分析技术。其特征是：连续观测1周海洋环境水下磁场数据，同步观测海水电导率、海洋表面地磁场强度、海浪波幅、海浪运动周期和海水水深；截取海洋环境水下磁场和同步环境参数数据样本；对海洋环境水下磁场数据进行0.1‑1Hz带通滤波，提取每个数据样本的极差值，对环境参数数据样本取平均值，形成样本集；设置环境参数允许误差范围门限，形成优选样本集；从观测数据起始时刻开始，间隔24小时对优选样本集进行分组，共得到7组优选样本集；计算7组优选样本集中海洋环境水下磁场极差值与海水电导率均值相关系数的最大值、最小值、平均值和离散系数，形成关联系数集。

Description

一种判断海洋环境磁场与海水电导率关联方法
技术领域
本发明属于海洋环境水下电磁场统计分析领域，涉及到一种判断海洋环境水下磁场极差与海水电导率关联关系的方法，特别涉及一种基于海洋环境水下磁场理论模型和统计分析的海洋环境水下磁场极差与海水电导率关联关系判断方法。
背景技术
近年来港口停泊的舰船和沿岸设施已经成为水下恐怖袭击的主要目标。随着新技术的发展和运用，可以远距离航行的水下无人航行器和蛙人运载器等，为水下恐怖活动的实施提供了条件。水下无人航行器、蛙人气瓶以及运载器等大多具有一定的磁性，通过检测磁异常信号能够实现对水下入侵目标的预警。
海洋环境水下磁场是入侵目标探测的背景干扰，如果对海洋环境水下磁场特性掌握的不够深入，将大幅度降低对入侵目标探测和识别的概率。传统的数据分析方法大多没有与入侵目标探测方法相结合，只对海洋环境水下磁场的时域、频谱、极化以及空间分布特性进行研究，得到的信息难以支撑水下目标的磁探测。基于海洋环境水下磁场的理论模型以及统计分析方法，确定海洋环境水下磁场极差与海水电导率的关联关系，进而定量分析海洋环境水下磁场特征与环境参数的相关程度，可以为入侵目标探测中环境水下磁场抑制和分辨等提供参考。
发明内容
本发明的目的是提供一种判断海洋环境水下磁场极差与海水电导率关联关系的方法，根据特定环境参数中海洋环境水下磁场极差大小，解决入侵目标磁探测中有效分辨海洋环境与目标信息的问题。
本发明的技术方案是：依据海洋环境水下磁场理论模型，海洋环境水下磁场极差与海水电导率、海洋表面地磁场强度、海浪波幅、海浪运动周期和海水水深具有一定的相关性，其中比较关键的环境参数为海水电导率；连续观测1周海洋环境水下磁场数据，同步观测海水电导率、海洋表面地磁场强度、海浪波幅、海浪运动周期和海水水深；以1分钟为时间长度进行海洋环境水下磁场数据的截取，共得到10080个海洋环境水下磁场数据样本，同步获取同等数量的海水电导率、海洋表面地磁场强度、海浪波幅、海浪运动周期和海水水深的数据样本；对海洋环境水下磁场数据进行0.1-1Hz的带通滤波，提取每个数据样本的极差值，对海水电导率、海洋表面地磁场强度、海浪波幅、海浪运动周期和海水水深数据样本取平均值，形成样本集；对海洋表面地磁场强度、海浪波幅、海浪运动周期和海水水深数据样本平均值再次取二次平均，设置允许误差范围门限上限为各自二次平均值的1.05倍，门限下限为各自二次平均值的0.95倍；从样本集中选择可以满足各自允许误差范围的环境参数样本以及对应的海洋环境水下磁场极差值样本和海水电导率均值样本，并将其定义为优选样本集；从观测数据起始时刻开始，间隔24小时对优选样本集进行分组，共得到7组优选样本集；计算7组优选样本集中海洋环境水下磁场极差值与海水电导率均值相关系数的最大值、最小值、平均值和离散系数，将这4种表征参数作为海洋环境水下磁场极差和海水电导率的关联系数集。
本发明的效果和益处是：
传统的研究海洋环境水下磁场极差与环境参数的关联关系，多基于理论模型确定海洋环境水下磁场极差与多个环境参数的统计分析结果，难以定量给出海洋环境水下磁场极差与环境参数的关联程度；基于大量的数据样本，通过设置非关键环境参数的允许误差范围，判断海洋环境水下磁场极差与关键环境参数的关联系数，进而推广到其它环境参数的关系程度分析，可以针对入侵目标探测开展相关的数据处理方法研究，并且能够对未知海域的海洋环境水下磁场特征进行预测。
附图说明
图1判断海洋环境水下磁场极差与海水电导率关联关系的流程图。
图2环境参数允许误差范围门限上限、均值和门限下限示意图。
图中：1门限上限；2均值；3门限下限。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
第一步：海洋环境水下磁场数据和同步环境参数观测
利用海洋环境水下磁场观测系统连续观测1周的海洋环境水下磁场数据，数据采样频率为10Hz。在海洋环境水下磁场数据观测的同时，利用磁场传感器在观测系统布放海域同步采集海洋表面地磁场强度，数据采样频率为1Hz；利用CTD在观测系统布放海域同步采集海水电导率和海水水深，两种环境参数数据采样频率均为1Hz；利用波潮仪在观测系统布放海域同步采集海浪波幅和海浪运动周期，两种环境参数数据采样频率均为1Hz。
第二步：海洋环境水下磁场数据和环境参数样本截取
海洋环境水下磁场数据与海水电导率、海洋表面地磁场强度、海浪波幅、海浪运动周期和海水水深的数据长度均为10080分钟。以1分钟为时间长度进行海洋环境水下磁场数据以及环境参数样本的截取，分别得到10080个海洋环境水下磁场、海水电导率、海洋表面地磁场强度、海浪波幅、海浪运动周期和海水水深的数据样本。
第三步：海洋环境水下磁场样本极差和海水电导率样本均值计算
选择巴特沃兹带通滤波器，设置上限截止频率为0.1Hz，下限截止频率为1Hz，滤波器阶数为4，对采集到的海洋环境水下磁场数据样本进行带通滤波处理。提取滤波后每个海洋环境水下磁场样本的最大值和最小值之间的差值，并将差值作为海洋环境水下磁场样本极差，共得到10080个海洋环境水下磁场样本极差值。
计算海水电导率、海洋表面地磁场强度、海浪波幅、海浪运动周期和海水水深数据样本的平均值，每个环境参数分别得到10080个均值样本，此时可以得到10080个海洋环境水下磁场极差值和同步环境参数均值的样本集。对海洋表面地磁场强度、海浪波幅、海浪运动周期和海水水深数据样本平均值再次取二次平均，设置海洋表面地磁场强度、海浪波幅、海浪运动周期和海水水深样本平均值允许误差范围门限上限为各自二次平均值的1.05倍，门限下限为各自二次平均值的0.95倍。
从样本集中选择海洋表面地磁场强度、海浪波幅、海浪运动周期以及海水水深平均值同时可以满足各自允许误差范围的样本，并确定对应的海洋环境水下磁场极差值样本和海水电导率均值样本，将满足允许误差范围的样本集定义为优选样本集。
以海洋环境水下磁场数据观测起始时刻开始，间隔24小时对优选样本集进行分组，共得到7组优选样本集；针对7组优选样本集，每组优选样本集中海洋环境水下磁场极差值样本为B1(i)(i＝1...n1)、B2(i)(i＝1...n2)、B3(i)(i＝1...n3)、B4(i)(i＝1...n4)、B5(i)(i＝1...n5)、B6(i)(i＝1...n6)和B7(i)(i＝1...n7)；针对7组优选样本集，每组优选样本集中海水电导率均值样本为σ1(i＝1...n1)、σ2(i＝1...n2)、σ3(i＝1...n3)、σ4(i＝1...n4)、σ5(i＝1...n5)、σ6(i＝1...n6)和σ7(i＝1...n7)。
第四步：海洋环境水下磁场极差和海水电导率关联系数集计算
计算7组优选样本集中海洋环境水下磁场极差值与海水电导率均值的相关系数，计算公式为：
Figure GSB0000199495580000051
相关系数的标准偏差为：
Figure GSB0000199495580000052
式中，
Figure GSB0000199495580000053
为相关系数平均值。可以得到相关系数的离散系数为：
Figure GSB0000199495580000054
计算得到相关系数Cj(j＝1...7)的最大值、最小值、平均值和离散系数，将这4种表征参数作为海洋环境水下磁场极差和海水电导率的关联系数集，从而最终确定海洋环境水下磁场极差和海水电导率的关联关系。

Claims (1)

1.一种判断海洋环境磁场与海水电导率关联方法，其特征包括以下步骤，
第一步：海洋环境水下磁场数据和同步环境参数观测
利用海洋环境水下磁场观测系统连续观测1周的海洋环境水下磁场数据，利用磁场传感器在观测系统布放海域同步采集海洋表面地磁场强度，利用CTD在观测系统布放海域同步采集海水电导率和海水水深，利用波潮仪在观测系统布放海域同步采集海浪波幅和海浪运动周期；
第二步：海洋环境水下磁场数据和环境参数样本截取
以1分钟为时间长度进行海洋环境水下磁场数据以及环境参数样本的截取，分别得到10080个海洋环境水下磁场、海水电导率、海洋表面地磁场强度、海浪波幅、海浪运动周期和海水水深的数据样本；
第三步：海洋环境水下磁场样本极差和海水电导率样本均值计算
对采集到的海洋环境水下磁场数据样本进行0.1-1Hz带通滤波处理，提取滤波后海洋环境水下磁场样本极差；计算海水电导率、海洋表面地磁场强度、海浪波幅、海浪运动周期和海水水深数据样本的平均值，每个环境参数分别得到10080个均值样本，形成样本集；对海洋表面地磁场强度、海浪波幅、海浪运动周期和海水水深数据样本平均值再次取二次平均，设置海洋表面地磁场强度、海浪波幅、海浪运动周期和海水水深样本平均值允许误差范围门限上限为各自二次平均值的1.05倍，门限下限为各自二次平均值的0.95倍；
从样本集中选择海洋表面地磁场强度、海浪波幅、海浪运动周期以及海水水深平均值同时可以满足各自允许误差范围的样本，并确定对应的海洋环境水下磁场极差值样本和海水电导率均值样本，形成优选样本集；
以海洋环境水下磁场数据观测起始时刻开始，间隔24小时对优选样本集进行分组，共得到7组优选样本集；针对7组优选样本集，每组优选样本集中海洋环境水下磁场极差值样本为B1(i)(i＝1...n1)、B2(i)(i＝1...n2)、B3(i)(i＝1...n3)、B4(i)(i＝1...n4)、B5(i)(i＝1...n5)、B6(i)(i＝1...n6)和B7(i)(i＝1...n7)；针对7组优选样本集，每组优选样本集中海水电导率均值样本为σ1(i＝1...n1)、σ2(i＝1...n2)、σ3(i＝1...n3)、σ4(i＝1...n4)、σ5(i＝1...n5)、σ6(i＝1...n6)和σ7(i＝1...n7)；
第四步：海洋环境水下磁场极差和海水电导率关联系数集计算
计算7组优选样本集中海洋环境水下磁场极差值与海水电导率均值的相关系数，计算公式为：
Figure FSB0000199495570000021
相关系数的标准偏差为：
Figure FSB0000199495570000022
式中，
Figure FSB0000199495570000023
为相关系数平均值；可以得到相关系数的离散系数为：
Figure FSB0000199495570000024
计算得到相关系数Cj(j＝1...7)的最大值、最小值、平均值和离散系数，将这4种表征参数作为海洋环境水下磁场极差和海水电导率的关联系数集。
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