本發(fā)明涉及海洋安防，尤其是涉及一種基于殘差修正理論的海底小目標(biāo)沖擊掩埋預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，以沉底水雷和水下未爆彈為代表的海底小目標(biāo)，因其具有隱蔽性好、易布放、難清除、效費(fèi)比高等特點(diǎn)，在第一次世界大戰(zhàn)前就已被各國(guó)海軍廣泛裝備，迄今為止可出色的完成反潛作戰(zhàn)、封鎖軍港、區(qū)域拒止等任務(wù)。海底小目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)過程中沖擊海底發(fā)生初始掩埋，隨后在浪、潮、流沖蝕，海底沉積物液化及底形遷移等作用下繼續(xù)發(fā)生掩埋。因此，提高水雷沖擊掩埋預(yù)測(cè)精度越來越受到國(guó)內(nèi)外海洋安防技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。

2、但沖擊掩埋過程作為一種非線性過程，其影響因素復(fù)雜；再加之沖擊掩埋作為一種初始掩埋機(jī)制，起到?jīng)Q定掩埋初始狀態(tài)的關(guān)鍵作用，并作為其余三種掩埋機(jī)制的初始條件結(jié)合多變復(fù)雜的海洋環(huán)境，導(dǎo)致很難建立通用性的沖擊掩埋預(yù)測(cè)方法，若不能精確構(gòu)建海底小目標(biāo)沖擊掩埋預(yù)測(cè)方法，就無法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同海底底質(zhì)環(huán)境下海底小目標(biāo)的沖擊掩埋深度預(yù)測(cè)，致使造成民眾財(cái)產(chǎn)損失、社會(huì)恐慌以及國(guó)際秩序動(dòng)蕩。以往研究通常以實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法預(yù)測(cè)沖擊掩埋深度及掩埋率，易受到海底環(huán)境變化的影響，造成方法的適用范圍較窄，缺少了基于殘差修正理論對(duì)于海底小目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)定量預(yù)測(cè)手段，大大限制了海洋安防技術(shù)人員對(duì)于海底小目標(biāo)沖擊掩埋深度的預(yù)測(cè)精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于殘差修正理論的海底小目標(biāo)沖擊掩埋預(yù)測(cè)方法，以解決上述背景技術(shù)中提到的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于殘差修正理論的海底小目標(biāo)沖擊掩埋預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

3、s1、獲取不同海底底質(zhì)環(huán)境相關(guān)特征，提取海底地形特征、海底底流特征以及海底底質(zhì)力學(xué)相關(guān)特征，利用海底沉積物分析方法對(duì)海底沉積物力學(xué)特征進(jìn)行刻畫；

4、s2、根據(jù)不同海底底質(zhì)環(huán)境相關(guān)特征，結(jié)合特征因子化方法，建立不同海底底質(zhì)環(huán)境下的海底沉積物的特征因子數(shù)據(jù)集；

5、s3、基于不同海底底質(zhì)環(huán)境下的特征因子數(shù)據(jù)集，通過運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析，根據(jù)湍流計(jì)算模型、bekker正應(yīng)力理論和庫塔-儒科夫斯基升力定理，建立沖擊掩埋運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論模型；

6、s4、根據(jù)不同海底底質(zhì)環(huán)境下的特征因子數(shù)據(jù)集和沖擊掩埋運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)，計(jì)算殘差序列并對(duì)殘差序列進(jìn)行l(wèi)jung-box白噪聲檢驗(yàn)；

7、s5、構(gòu)建基于堆疊泛化算法的殘差修正模型；

8、s6、利用基于堆疊泛化算法的殘差修正模型對(duì)不同海底底質(zhì)環(huán)境下海底小目標(biāo)沖擊掩埋深度及掩埋率進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。

9、優(yōu)選的，s3中建立沖擊掩埋運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論模型的具體步驟如下：

10、s31、根據(jù)三階stokes波模擬周期性海底底流，提取海底底流特征；

11、s32、根據(jù)bekker正應(yīng)力理論，計(jì)算沖擊掩埋過程中海底沉積物應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，結(jié)合牛頓第二定律，計(jì)算海底沉積物對(duì)于海底小目標(biāo)的正壓力；

12、s33、根據(jù)庫塔-儒科夫斯基升力定理，計(jì)算海底小目標(biāo)沖擊掩埋過程中所受的升力；

13、s34、基于納維-斯托克斯方程和海底底流作用，計(jì)算海底小目標(biāo)受到的摩擦阻力。

14、優(yōu)選的，s32中的沖擊掩埋過程中海底沉積物應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式為：

15、

16、其中，σ表示正應(yīng)力(pa)；z表示沉陷深度(m)；r表示貝式儀儀器短邊寬或直徑(m)；kc表示貝式儀承壓試驗(yàn)測(cè)量沉積物的黏聚模量，(n/mn+1)；kφ表示貝式儀承壓試驗(yàn)測(cè)量沉積物的摩擦角模量，(n/mn+2)；n表示貝式儀承壓試驗(yàn)測(cè)量土壤的變形指數(shù)，通常為0～1.5；k表示沉積物的變形模量；

17、正壓力的計(jì)算表達(dá)式為：

18、

19、其中，σ表示正應(yīng)力(pa)；s0表示接觸面面積(m2)。

20、優(yōu)選的，s33中的升力計(jì)算表達(dá)式如下：

21、

22、其中，ρ2表示海水的密度(kg/m3)；γ表示目標(biāo)物周圍流體的環(huán)量(m3/s)；v表示海流的速度(m/s)；v1表示目標(biāo)的速度(m/s)；cl表示升力系數(shù)。

23、優(yōu)選的，s34中的摩擦阻力計(jì)算公式如下：

24、

25、其中，cd表示阻力系數(shù)。

26、優(yōu)選的，沖擊掩埋運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論模型表達(dá)式如下：

27、

28、其中，vx、vy、vz表示圓柱體目標(biāo)沿地球坐標(biāo)軸的速度分解(m/s)；z表示目標(biāo)的掩埋位移(m)；v表示目標(biāo)的速度(m/s)；fb表示目標(biāo)所受到的浮力(n)；g表示目標(biāo)的重力(n)；fp表示海底沉積物對(duì)于目標(biāo)的正應(yīng)力(n)；fh表示目標(biāo)所受到的流體升力(n)；f表示目標(biāo)受到的摩擦阻力(n)；ρ1表示圓柱體目標(biāo)的密度(kg/m3)；π1表示圓柱體的體積(m3)；g表示發(fā)生沖擊掩埋處的重力加速度(m/s2)。

29、優(yōu)選的，s5中的基于堆疊泛化算法的殘差修正模型構(gòu)建步驟如下：

30、s51、根據(jù)殘差修正理論，結(jié)合沖擊掩埋實(shí)驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)，計(jì)算實(shí)驗(yàn)?zāi)M和理論預(yù)測(cè)結(jié)果的殘差，表達(dá)式為：

31、

32、式中，δx(k)表示殘差，x(k)表示實(shí)驗(yàn)測(cè)試值，表示理論模型預(yù)測(cè)值；

33、s52、根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)和隨機(jī)過程相關(guān)原理，基于ljung-box白噪聲檢驗(yàn)方法對(duì)于殘差序列進(jìn)行檢驗(yàn)，判斷是否包含相關(guān)信息，具體包括：

34、根據(jù)ljung-box白噪聲檢驗(yàn)方法判斷殘差序列是否為白噪聲，如果殘差序列不為白噪聲，則認(rèn)為存在相關(guān)信息；反之，則認(rèn)為不存在相關(guān)信息。

35、根據(jù)ljung-box白噪聲檢驗(yàn)方法，滿足假設(shè)條件：

36、

37、式中，假設(shè)h0表示滯后m階序列值之間相互獨(dú)立的白噪聲；假設(shè)h1表示滯后m階序列值之間有相關(guān)性的白噪聲；

38、檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式如下所示：

39、

40、式中，n表示序列觀察期數(shù)；m表示指定的最大延遲階數(shù)；ρk表示k階自相關(guān)系數(shù)估計(jì)值；

41、s53、根據(jù)初級(jí)算法對(duì)于殘差序列進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合殘差序列構(gòu)建復(fù)合數(shù)據(jù)集；

42、根據(jù)堆疊泛化算法對(duì)于殘差值進(jìn)行預(yù)測(cè)，使用決策樹算法、隨機(jī)森林算法、自適應(yīng)增強(qiáng)算法和極限梯度提升算法作為堆疊泛化算法的4個(gè)初級(jí)算法，選擇極限梯度提升算法為堆疊泛化算法的次級(jí)算法。

43、s54、根據(jù)準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于堆疊泛化算法，在復(fù)合數(shù)據(jù)集上計(jì)算精度最高的次級(jí)算法，準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)指標(biāo)具體包括：

44、

45、式中，xi表示殘差序列中第i個(gè)殘差；表示殘差序列中的平均值。

46、優(yōu)選的，判斷殘差序列是否為白噪聲的準(zhǔn)則為：

47、當(dāng)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量小于選定置信水平下的臨界值，或者p值大于顯著性水平(如0.05)，不能拒絕原假設(shè)，序列為白噪聲；當(dāng)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量大于選定置信水平下的臨界值，或者p值小于顯著性水平(如0.05)，拒絕原假設(shè)，序列非白噪聲。

48、因此，本發(fā)明采用上述的一種基于殘差修正理論的海底小目標(biāo)沖擊掩埋預(yù)測(cè)方法，通過運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析，根據(jù)湍流計(jì)算模型、bekker正應(yīng)力理論和庫塔-儒科夫斯基升力定理，構(gòu)建沖擊掩埋運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論模型，利用ljung-box白噪聲檢驗(yàn)方法判斷殘差序列是否存在可提取利用的相關(guān)信息；根據(jù)堆疊泛化算法，構(gòu)建基于殘差修正理論的海底小目標(biāo)沖擊掩埋預(yù)測(cè)方法，對(duì)于海底小目標(biāo)的沖擊掩埋深度及掩埋率進(jìn)行精準(zhǔn)定量預(yù)測(cè)，能夠解決不同海底底質(zhì)環(huán)境下海底小目標(biāo)的沖擊掩埋深度難以進(jìn)行準(zhǔn)確定量預(yù)測(cè)的問題，提高海洋安防技術(shù)人員對(duì)于海底小目標(biāo)沖擊掩埋深度的預(yù)測(cè)精度。

49、下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。