艇位周边海域海洋要素快速分析方法技术

本发明专利技术公开了一种艇位周边海域海洋要素快速分析方法：(1)将舰艇航迹所采集的温盐流资料进行插值处理，并进一步处理得到海洋温盐流距平矩阵；(2)对海洋温盐流距平矩阵进行经验正交函数分解，得到模态结果；(3)对模态结果进行显著性检验，判断其是否具有物理意义,得到有效模态结果；(4)利用有效模态结果，建立目标泛函，对目标泛函求极小值，构建实时分析模型；(5)将(2)分解得到的模态结果代入实时分析模型，得到艇位周边海域海洋温盐流要素的实时分析结果，实现舰艇在未知海域航行时对周围海域温盐流要素的实时预测。本发明专利技术通过经验正交函数方法，对四维温盐流场进行分解分析，从而实现艇位周边海域海洋温盐流要素实时分析。

A fast analysis method of marine elements in the surrounding sea area

【技术实现步骤摘要】
艇位周边海域海洋要素快速分析方法
本专利技术涉及海洋要素实时分析，特别涉及一种艇位周边海域海洋要素快速分析方法。
技术介绍
在世界各地，我们都可以看到异常气候，其中，海洋对气候的影响尤为重要，尤其是海洋温盐流的实时变化趋势和特点，对于军事决策、演习等极为重要。但以往的海洋温盐流分析，由于缺乏连续的、大范围的、实时的海洋调查资料，往往是通过对零星区域和站点的观测资料或者非实时资料进行分析，这种方法代表性较弱，得到的分析结果可信度很低，故均难以满足当今社会的军事和民用需求，所以对海洋温盐流的实时分析研究少之又少，进而对于海洋温盐流的实时分布规律和流动特征缺乏足够的认识，如果能认识和掌握海洋温盐流的实时分布规律及流动特征，那么对海洋温盐流的实时分析将具有重要的意义。近几年，卫星观测遥感技术和舰艇观测技术发展迅速，我们可以获得连续的、实时的海洋温度观测资料，故我们可以采用一种新的分析方法---经验正交函数法(EOF)，对海洋温盐流进行合理的分析，得到海洋温盐流要素时空四维正交模态，这种模态不但有效考虑了同一要素不同时空点之间的关联，还有效考虑了不同要素之间的动力热力关联。利用该方法，可以有效地提高分析的精度和水平，为海洋军事发展提供一定的帮助。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种艇位周边海域海洋要素快速分析方法，本专利技术构造艇位周边海域海洋温盐流实时分析场，用于提高舰艇在未知海域航行时对周围海洋温盐流的实时预测。本专利技术通过经验正交函数方法(EOF)，对四维温盐流场进行分解分析，从而实现艇位周边海域海洋温盐流要素实时分析。本专利技术所采用的技术方案是：一种艇位周边海域海洋要素快速分析方法，包括以下步骤：步骤1，将舰艇航迹所采集的温盐流资料进行插值处理，并进一步处理得到海洋温盐流距平矩阵；步骤2，对步骤1处理得到的海洋温盐流距平矩阵进行经验正交函数分解，得到模态结果；步骤3，对步骤2分解得到的模态结果进行显著性检验，判断步骤2得到的模态结果是否具有物理意义,得到有效模态结果；步骤4，利用步骤3得到的有效模态结果，建立目标泛函，对目标泛函求极小值，构建实时分析模型；步骤5，将步骤2分解得到的模态结果代入步骤4构建得到的实时分析模型，得到艇位周边海域海洋温盐流要素的实时分析结果，实现舰艇在未知海域航行时对周围海域温盐流要素的实时预测。进一步地，步骤1中，所述的将舰艇航迹所采集的温盐流资料进行插值处理，得到温盐流资料的距平结果包括：从海洋卫星和航迹观测采集的温盐流数据组成海洋温盐流矩阵X，对海洋温盐流矩阵X进行插值处理，对插值结果进行距平处理，得到海洋温盐流距平矩阵X'；海洋温盐流矩阵X采用Xab表示，海洋温盐流距平矩阵X'采用X'ab表示，则：式中，xab(a＝1,...,m；b＝1,...,n)表示原数据在第a空间位置第b时间点的温盐流要素，yab(a＝1,...,m；b＝1,...,n)表示距平数据在第a空间位置第b时间点的温盐流要素。进一步地，步骤2中，所述的对步骤1处理得到的海洋温盐流距平矩阵进行经验正交函数分解，得到模态结果包括：步骤2-1，在经验正交函数分解中，把步骤1得到的海洋温盐流距平矩阵X'看作是依赖于空间位置P'和时间T'的二维随机过程X'(P',T'),二维随机过程X'(P',T')在m个空间位置上和n个时间点上的值X'(Pi',Tj')(i＝1,...,m；j＝1,...,n)都是随机变量；将X'(P',T')记为X'ij,则随机变量X'(Pi,Tj)(i＝1,...,m；j＝1,...,n)用矩阵表示为：式中，X'ij表示按时间空间二维随机过程来表示的距平矩阵，cij(i＝1,...,m；j＝1,...,n)表示第i空间位置第j时间点的温盐流要素，其中，每一列中的m个元素代表同一时间点不同空间位置的温盐流要素，每一行中的n个元素代表同一空间位置不同时间点的温盐流要素；步骤2-2，将每个按时间空间二维随机过程来表示的距平矩阵X'ij表示为m个仅依赖于空间位置的“值”和n个仅依赖于时间的“值”的乘积之和，即式中，P表示空间模态矩阵，T表示时间系数矩阵，pik表示同一时刻下不同空间位置的温盐流要素值，tkj表示同一位置下不同时刻的温盐流要素值；则，海洋温盐流距平矩阵X'表示为矩阵的乘积形式：X'＝PT(4)得出各行向量之间不相关的空间模态矩阵P和时间系数矩阵T，并将时间系数矩阵T中的各行向量按照相应的特征值大小由大到小排列，形成主成分向量；步骤2-3，采用Jacobi方法进行求解空间模态矩阵P，计算海洋温盐流距平矩阵X'和海洋温盐流距平矩阵的转置矩阵X'T的乘积，构成Jacobi矩阵S：步骤2-4，计算Jacobi矩阵S的特征值和特征向量，其中，将Jacobi矩阵S的特征向量依照特征值大小由大到小排列后即得到空间模态矩阵P；空间模态矩阵P与Jacobi矩阵S以及由Jacobi矩阵S的特征值构成的对角矩阵Λ满足关系：S×P＝P×Λ(6)将公式(6)的两侧同时乘PT得到：PTX'＝PTPT(7)所求的空间模态矩阵P是一个正交矩阵，满足PPT＝I，则，公式(7)变形为：T＝PTX'(8)按照公式(8)计算得到时间系数矩阵T，时间系数矩阵T中的每行数值表示相应模态的时间系数；步骤2-5，将步骤2-4计算得到的空间模态矩阵P和时间系数矩阵T相乘构成新的海洋温盐流距平矩阵X”与公式(4)所示的分解的海洋温盐流距平矩阵X'进行对比，验证后证实该经验正交函数分解方法具有可行性。进一步地，步骤3中，所述的对步骤2分解得到的模态结果进行显著性检验，判断步骤2得到的模态结果是否具有物理意义,得到有效模态结果包括：采用计算特征值误差范围来检验步骤2分解得到的空间模态矩阵P是否具有物理意义，具体为：特征值误差范围为：式中，n为时间点，ez为中间变量，λz为Jacobi矩阵S的特征值；若λz-λz-1>ez，则认为这两个特征值对应的空间模态是有价值的；经过检验，前r个空间模态通过显著性检验，则认为前r个空间模态为有效空间模态。进一步地，步骤4中，所述的利用步骤4得到的有效模态结果，建立目标泛函，对目标泛函求极小值，构建实时分析模型包括：利用步骤3得到的效空间模态构造特征向量矩阵A，并且，假定实时分析模型得出的分析结果为Aa，则：式中，表示特征向量矩阵A每一行元素的均值，为分析值距均值的偏差，其中，σ为标准差矩阵；设H为投影算符，构造价值函数J(Aa):式中，Ab表示初始场，对公式(11)进行求导得：由公式(12)得到实时分析模型为：Aa＝(HTH)-1HTAb(13)式中，Aa为实时分析模型得出的分析结果。本专利技术的有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种艇位周边海域海洋要素快速分析方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，将舰艇航迹所采集的温盐流资料进行插值处理，并进一步处理得到海洋温盐流距平矩阵；/n步骤2，对步骤1处理得到的海洋温盐流距平矩阵进行经验正交函数分解，得到模态结果；/n步骤3，对步骤2分解得到的模态结果进行显著性检验，判断步骤2得到的模态结果是否具有物理意义,得到有效模态结果；/n步骤4，利用步骤3得到的有效模态结果，建立目标泛函，对目标泛函求极小值，构建实时分析模型；/n步骤5，将步骤2分解得到的模态结果代入步骤4构建得到的实时分析模型，得到艇位周边海域海洋温盐流要素的实时分析结果，实现舰艇在未知海域航行时对周围海域温盐流要素的实时预测。/n

【技术特征摘要】
1.一种艇位周边海域海洋要素快速分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将舰艇航迹所采集的温盐流资料进行插值处理，并进一步处理得到海洋温盐流距平矩阵；
步骤2，对步骤1处理得到的海洋温盐流距平矩阵进行经验正交函数分解，得到模态结果；
步骤3，对步骤2分解得到的模态结果进行显著性检验，判断步骤2得到的模态结果是否具有物理意义,得到有效模态结果；
步骤4，利用步骤3得到的有效模态结果，建立目标泛函，对目标泛函求极小值，构建实时分析模型；
步骤5，将步骤2分解得到的模态结果代入步骤4构建得到的实时分析模型，得到艇位周边海域海洋温盐流要素的实时分析结果，实现舰艇在未知海域航行时对周围海域温盐流要素的实时预测。


2.根据权利要求1所述的一种艇位周边海域海洋要素快速分析方法，其特征在于，步骤1中，所述的将舰艇航迹所采集的温盐流资料进行插值处理，得到温盐流资料的距平结果包括：
从海洋卫星和航迹观测采集的温盐流数据组成海洋温盐流矩阵X，对海洋温盐流矩阵X进行插值处理，对插值结果进行距平处理，得到海洋温盐流距平矩阵X'；
海洋温盐流矩阵X采用Xab表示，海洋温盐流距平矩阵X'采用X'ab表示，则：



式中，xab(a＝1,...,m；b＝1,...,n)表示原数据在第a空间位置第b时间点的温盐流要素，yab(a＝1,...,m；b＝1,...,n)表示距平数据在第a空间位置第b时间点的温盐流要素。


3.根据权利要求1所述的一种艇位周边海域海洋要素快速分析方法，其特征在于，步骤2中，所述的对步骤1处理得到的海洋温盐流距平矩阵进行经验正交函数分解，得到模态结果包括：
步骤2-1，在经验正交函数分解中，把步骤1得到的海洋温盐流距平矩阵X'看作是依赖于空间位置P'和时间T'的二维随机过程X'(P',T'),二维随机过程X'(P',T')在m个空间位置上和n个时间点上的值X'(Pi',Tj')(i＝1,...,m；j＝1,...,n)都是随机变量；
将X'(P',T')记为X'ij,则随机变量X'(Pi,Tj)(i＝1,...,m；j＝1,...,n)用矩阵表示为：



式中，X'ij表示按时间空间二维随机过程来表示的距平矩阵，cij(i＝1,...,m；j＝1,...,n)表示第i空间位置第j时间点的温盐流要素，其中，每一列中的m个元素代表同一时间点不同空间位置的温盐流要素，每一行中的n个元素代表同一空间位置不同时间点的温盐流要素；
步骤2-2，将每个按时间空间二维随机过程来表示的距平矩阵X'ij表示为m个仅依赖于空间位置的“值”和n个仅依赖于时间的“值”的乘积之和，即



式中，P表示空间模态矩阵，T表示时间系数矩阵，pik表示同一时刻下不同空间位置的温盐流要素值，tkj表示同一位...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾彬鹤，白杨，梁康壮，李威，邵祺，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12