一种基于四叉树分解算法优化的海浪磁场仿真方法技术

本发明专利技术提供了一种基于四叉树分解算法优化的海浪磁场仿真方法，解决现有海浪方向谱的数值仿真计算时，采用区间等分法采样，精度低，或为提高精度，因增加时空消耗过大而不适合在线计算的问题。该方法包括以下步骤：1)选择海浪频段和角度范围并获得海浪波高表达式，2)利用四叉树分解优化算法，对海浪方向谱函数进行海浪频段和海浪方向的离散化，频率采样间隔为Δω，方向采样间隔为Δθ；3)计算每个离散网格上海浪波高，4)利用随机数生成原理，产生(0,2π)之间均匀分布的随机相位ε

【技术实现步骤摘要】
一种基于四叉树分解算法优化的海浪磁场仿真方法


[0001]本专利技术涉及海浪磁场研究技术，具体涉及一种基于四叉树分解算法优化的海浪磁场仿真方法。

技术介绍

[0002]航空磁异常检测问题主要涉及到三个方面：目标信号模型、背景噪声特性模型、检测算法设计。由于航空磁探仪为被动工作，需跟随机载平台运动，航空磁探仪接收的目标磁异常信号不仅与目标自身的磁特性有关，而且与机载平台以及目标的运动态势有关。航空磁探潜在海洋环境背景场中工作，航空磁探潜低空飞行探测过程中海浪磁噪声是重要的噪声源。研究海浪磁噪声数学模型及其数值仿真模型对航空磁探潜工作具有重要意义。而研究海浪磁场数学模型及其数值计算是研究海浪磁噪声模型的基础。传统研究海浪磁场的方法是基于Weaver海浪磁场理论推导的积分形式，在实际分析海浪磁场时，需要利用数值计算再进行模拟，因此对数值仿真计算模型的研究和优化成为研究海浪磁噪声的关键点。
[0003]针对海浪磁场理论数值仿真计算模型的研究问题，以及根据海浪磁场与波浪频率、波浪方向以及相应频率的波高的相关性，得出不同方向和不同频率的海浪波高集中体现为海浪方向谱，可以采用将方向谱离散化来对海浪磁场进行数值计算。海浪谱即海浪能量谱，定义为单位频率间隔和单位方向间隔内的海浪平均能量密度，用来表示随机海浪的能量与各组成波的分布关系。海域的实际海浪谱特征通常根据定点剖面观测得到。海浪谱分为一维谱和二维谱，一维谱只考虑能量相对于频率的分布特性，又称为海浪频谱；二维海浪谱同时考虑频率和方向的分布，又称为方向谱。
[0004]针对方向谱的观测和研究，目前提出了许多模型，如张金春，陈志伟于2008年在《海军航空工程学院学报》发表的“基于海浪谱的东中国海海浪二维仿真”对海浪进行了二维仿真并提出了简化模型。而根据航空磁探潜的一般探测规律，风速在特定范围内，为描述符合航空磁探潜特定风速的海浪方向谱，传统简单有效的采样方法是区间等分法：将海浪频率和海浪方向区间分别进行M、N等分，取固定大小的采样子区域Δω
×
Δθ，Δω＝(ω
max
‑
ω
min
)/M，Δθ＝(θ
max
‑
θ
min
)/N；将每个采样子区域中心对应的频率和方向角作为单元波的频率和方向，再按照海浪磁场数值仿真基本算法步骤，将不同振幅和频率的单频重力波合成得到海浪磁场。区间等分算法虽然简单、容易实现；但是不够精确，为了尽可能的精确，需要极力加大采样数，但同时，时空消耗(运算量)也更大，因此不适合在线计算。

技术实现思路

[0005]为了解决现有海浪方向谱的数值仿真计算时，采用区间等分法采样，存在采样精度低，或者为了提高精度，因增加时空消耗过大，而不适合在线计算的技术问题，本专利技术提供了一种基于四叉树分解算法优化的海浪磁场仿真方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是：
[0007]一种基于四叉树分解算法优化的海浪磁场仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]1)选择海浪频段和角度范围并获得海浪波高表达式
[0009]1.1)以地理北直角坐标系OXYZ为基础对海浪波建立海浪磁场坐标系；
[0010]其中，OXY位于平均海平面，OZ垂直向上；Z＞0为空气介质，Z＜0为海水介质；
[0011]海浪传播方向为OW，OW与OX轴的夹角为θ；
[0012]磁北方向为ON，地磁场矢量H
E
与ON的夹角表示地磁倾角I；ON与OX轴的夹角为地磁偏角γ；
[0013]1.2)采用Pierson
‑
Moskowitz谱模型计算海浪频谱S(ω)：
[0014][0015]式中，ω为采样频率，α＝0.0081，β＝0.74，g为重力加速度；
[0016]U为海面上19.5m处风速，风速取值范围(0,20)m/s；
[0017]1.3)按照下式计算海浪方向分布函数：
[0018][0019]1.4)根据步骤1.2)的海浪频谱S(ω)和步骤1.3)的海浪方向分布函数计算海浪方向谱函数S(ω,θ)：
[0020]S(ω,θ)＝S(ω)G(ω,θ)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0021]1.5)设定频率范围为ω
i
‑
Δω
i
/2至ω
i
+Δω
i
/2，角度范围为θ
j
‑
Δθ
j
/2至θ
j
+Δθ
j
/2，并计算对应的海浪波高a
ij
：
[0022][0023]式中：i＝1,2,3,
…
,N；j＝1,2,3,
…
,N；
[0024]2)海浪方向谱函数进行离散化
[0025]利用四叉树分解优化算法，对海浪方向谱函数进行海浪频段和海浪方向的离散化，频率采样间隔为Δω，方向采样间隔为Δθ；
[0026]3)计算每个离散网格上海浪波高
[0027]按照步骤1.5)中的公式计算得到每个离散网格ω
i
和θ
j
对应的海浪波高a
ij
；
[0028]4)生成随机相位
[0029]利用随机数生成原理，产生(0,2π)之间均匀分布的随机相位ε
n
；
[0030]5)计算单频波磁场
[0031]按照下式计算ω
i
和θ
j
对应离散网格下的单频重力波产生的磁场信号模值h
B
(z,θ)：
[0032][0033]其中，a、k分别表示单频波幅度、波数；μ0为海水在真空中的磁导率，σ为海水电导率，H
E
为地磁场矢量；
[0034]6)合成海浪磁场信号
[0035]6.1)设航空磁探仪在海平面上方高度Z
m
沿着OM直线飞行，飞行路径OM与OX轴的夹角为β，航空磁探仪的飞行速度为v；按照下式计算多普勒频移f
′
：
[0036][0037]6.2)分别计算海平面上方z
m
高度航空磁探仪静止和运动下检测到的海浪磁场，合成海浪磁场信号，得到海浪磁场仿真结果；
[0038]其中，数值计算公式分别表示为B
s
(x,y,z
m
,t)和B
f
(x,y,z
m
,t)；
[0039][0040][0041]式中，Ω
n
＝xcosθ
n
+ysinθ
n
，ω
′
n
＝2πf
′
，a
n
、ω
n
、k
n
、θ
n
为第n个波的幅度、频率、波数、波浪本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于四叉树分解算法优化的海浪磁场仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选择海浪频段和角度范围并获得海浪波高表达式1.1)以地理北直角坐标系OXYZ为基础对海浪波建立海浪磁场坐标系；其中，OXY位于平均海平面，OZ垂直向上，Z＞0为空气介质，Z＜0为海水介质；海浪传播方向为OW，OW与OX轴的夹角为θ；磁北方向为ON，地磁场矢量H
E
与ON的夹角表示地磁倾角I；ON与OX轴的夹角为地磁偏角γ；1.2)采用Pierson
‑
Moskowitz谱模型计算海浪频谱S(ω)：式中，ω为采样频率，α＝0.0081，β＝0.74，g为重力加速度；U为海面上19.5m处风速，风速取值范围(0,20)m/s；1.3)按照下式计算海浪方向分布函数：1.4)根据步骤1.2)的海浪频谱S(ω)和步骤1.3)的海浪方向分布函数计算海浪方向谱函数S(ω,θ)：S(ω,θ)＝S(ω)G(ω,θ)
ꢀꢀꢀ
(3)1.5)设定频率范围为ω
i
‑
Δω
i
/2至ω
i
+Δω
i
/2，角度范围为θ
j
‑
Δθ
j
/2至θ
j
+Δθ
j
/2，并计算对应的海浪波高a
ij
：式中：i＝1,2,3,
…
,N；j＝1,2,3,
…
,N；2)海浪方向谱函数进行离散化利用四叉树分解优化算法，对海浪方向谱函数进行海浪频段和海浪方向的离散化，频率采样间隔为Δω，方向采样间隔为Δθ；3)计算每个离散网格上海浪波高按照步骤1.5)中的公式计算得到每个离散网格ω
i
和θ
j
对应的海浪波高a
ij
；4)生成随机相位利用随机数生成原理，产生(0,2π)之间均匀分布的随机相位ε
n
；5)计算单频波磁场按照下式计算ω
i
和θ
j
对应离散网格下的单频重力波产生的磁场信号模值h
B
(z,θ)：其中，a、k分别表示单频波幅度、波数；μ0为海水在真空中的磁导率，σ为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王豪，
申请(专利权)人：北京军懋国兴科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：