小波变换在船载海洋重力测量数据处理与分析中的应用_刘备.pdf
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1、第 卷第期 年月系统工程与电子技术 文章编号:()网址:收稿日期:;修回日期:;网络优先出版日期:。网络优先出版地址:基金项目:国家自然科学基金(,);海军工程大学自主立项项目();广西空间信息与测绘重点实验室开放基金()资助课题通讯作者引用格式:刘备,边少锋,纪兵,等小波变换在船载海洋重力测量数据处理与分析中的应用系统工程与电子技术,():,():小波变换在船载海洋重力测量数据处理与分析中的应用刘备,边少锋,纪兵,贤鹏飞(海军工程大学电气工程学院,湖北 武汉 ;广西空间信息与测绘重点实验室,广西 桂林 )摘要:船载重力测量是获取海洋地球重力场的重要方法之一,为提高船载重力测量数据的精度,采用
2、 小波和 小波两种小波变换方法,分别对添加了两种随机噪声的某海域重力测量数据进行降噪处理与分析。结果显示,经 小波处理的数据绝对精度分别提高了 和 ,相对精度分别提高了 和;采用 小波变换后,绝对精度分别提高了 和 ,相对精度分别提高了 和。两种小波变换方法处理后的数据均能够很好地保留数据基本变化趋势、为重力勘探判别物体提供判别依据。关键词:船载重力测量;多贝西小波;小波;误差比率中图分类号:文献标志码:,(.,;.,):,:;();引言海洋重力测量作为地球重力场研究的一个重要组成部分,为海洋资源勘探、军事应用、基础海洋研究等领域提供了重要的数据支撑 。目前,海洋重力测量的主要方法包括卫星重力
3、测量、航空重力测量和船载重力测量,船载海洋重力测量是获取高精度以及高分辨率海洋重力场信息的重要方法之一 。常规的重力测量包括静态重力测量和动态重力测量。但由于海洋环境的特殊性,静态重力测量无法满足当前海洋开发和未来海战的需求。动态重力测量以第期刘备等:小波变换在船载海洋重力测量数据处理与分析中的应用 其能够快速获取高精度、高分辨率的优势成为获取海洋重力场信息的主要手段之一 。动态重力测量获取的高精度、高分辨率海洋重力场信息能够为海洋开发、海底地形反演、未来海战等提供一些关键信息 。卫星重力测量作为动态重力测量的主要手段之一,其空间分辨率目前可以达到 ,测量精度可达到 ,若需要更高精度的海洋重力
4、场测量成果,则需要通过船载重力测量方式获取重力场数据对卫星重力场数据进行补充 。船载重力测量由于其测量环境的特殊性,其数据处理成为制约测量成果精度的关键问题之一。对于高精度海洋重力测量数据处理与分析,文献 将 重力仪搭载在不同测量船只上进行测量任务,并对测量结果进行处理分析,搭载在两艘测量船上的测量精度分别为 、,并利用测量结果给出了波罗的海地区局部大地水准面构建的初步结果。等 对北大西洋地区的重力测量数据进行了处理分析,结果为交叉点处的标准差为 ,经平差处理后提高到 。蔡劭琨等 将经验模态分解用于动态重力测量数据处理当中,将重 力 异 常 的 内 符 合 精 度 从 提 高 到 了 。董庆亮
5、等 对丹麦技术大学重力数据用于检查海洋重力测量成果的可行性进行了研究,对海洋重力测量数据的检核方法起到了补充作用。吴燕雄等以激光干涉绝对重力仪为基础设计了一套船载绝对重力仪测量系统,并给出了该系统工作的误差修正方法、动态限制条 件 和 修 正 精 度,经 修 正 后 该 系 统 测 量 精 度 优 于 。黄谟涛等 对海空重力测量误差进行深入分析,提出了一种适用于补偿各类海空重力仪动态效应剩余影响的通用模型,经验证,该模型将海洋重力测量的内符合精度从 提高到 。对于船载海洋重力测量来说,外界环境会产生大量的噪声。如何减弱噪声、消除噪声对测量成果的影响,提高测量精度,具有非常重要的意义 。目前常用
6、的降噪方法是采用有限冲激响应(,)低通滤波器,可以降低高频噪声,但滤波器最优参数的普适性不高 。孙鹤泉等 将最大重叠离散小波变换(,)用于海洋重力观测航行数据的降噪中,并对该方法的可靠程度进行了验证。基于小波变换具有适用性高的优点,本文将小波变换方法引入到船载重力场数据处理分析中,并利用实测数据验证小波变换方法用于船载重力场数据降噪中的精度和可靠性。船载重力测量本文用于验证实验的船载海洋重力场数据是将 型船载重力仪搭载到广海局“海洋四号”测量船上在某海域开展重力实验测量任务所测得的重力场数据。型船载重力仪(见图)是一款针对船载平台的动态重力仪,系统由重力仪本体、不间断电源(,)、全球导航卫星系
7、统(,)接收机、显控设备实时显控软件等组成。其中,重力传感器采用高精度石英挠性加速度计,姿态测量传感器采用高精度光学陀螺。重力仪在线实时完成数据采集与处理,通过可视化软件实时显示重力异常、位置、速度、姿态等信息。图 重力仪 该次重力实验测量任务开始前,测量人员在珠江口外海进行了仪器精度测试,完成了重复线和交叉点测量,在确保仪器精度满足要求之后,测量船再去测区开展作业,测线图如图所示。图测线图 测线包括东西测线、南北测线、和 斜线。测线间距。其中、测线各有两条重复线。数据处理方法及评价指标 小波变换理论小波变换的出现弥补了傅里叶变换中的不足。小波是一种长度有限、平均值为的波形,主要特点有:在时域
8、具有紧支性或近似紧支性;直流分量为。小波变换的数学公式可以表示如下:系统工程与电子技术第 卷 (,)(),()()()式中:为尺度因子;反映位移。在不同尺度下小波的持续时间随式()右边值的加大而增宽,幅值则与式()右边值反比减少,但波的形状保持不变。常用的小波基函数有 小波、多贝西(,)小波、小波、墨西哥小波(,)和 双 正 交 样 条 小 波(,)等。本文选择了 小波和 小波两种基函数用于数据的变换处理,并对变换结果进行对比分析。误差比率误差比率是指先将相邻重力异常值作差,然后再将两个相邻的差值相比得到的数值,具体计算如下:()误差比率可以显示重力异常差值的变化趋势及规律。本文选取误差比率作
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