海洋感应电磁场算法、系统、计算机设备和存储介质的制作方法

1.本发明属于海洋感应电磁场技术领域，尤其涉及海洋感应电磁场算法、系统、计算机设备和存储介质。


背景技术：

2.海洋中的各种盐类几乎完全解离，这使海水含有大量离子而成为导体。根据法拉第电磁感应定律，地磁场中流动的海水与磁场中运动的金属导体一样，也会产生感应电动势。海水的各种较大尺度的运动，如表面长波、内波、潮汐和海流等，都能感应出相应的电磁场。研究海水各种尺度运动所产生的感应电磁场，探求测量它们的方法，进而通过电磁测量来了解海水的各种运动，也是海洋电磁学研究的一个重要方面。
3.在洋流和潮波感应电磁场的研究方面，前人的工作主要是针对单一形式海水运动的感应电磁场所进行的研究，并没有对海水速度的分层进行深入研究，也没有分别针对洋流运动和潮波运动进行仿真分析。
4.现有的海洋感应电磁场测量分析方法较为单一，结果不容易得到印证，会使得海洋感应电磁场测量误差变大。


技术实现要素：

5.本发明实施例的目的在于提供一种海洋感应电磁场算法，旨在解决海洋感应电磁场测量不够精确的问题。
6.本发明实施例是这样实现的，一种海洋感应电磁场算法，所述海洋感应电磁场算法包括：
7.获取观测点的大地坐标系，根据大地坐标系确定观测点的地磁场强度；
8.获取观测点所在海域的洋流运动参数，根据所述地磁场强度和洋流运动参数确定观测点的第一感应磁场和第一感应电场；
9.获取观测点所在海域的潮波运动参数，根据所述地磁场强度和潮波运动参数确定观测点的第二感应磁场和第二感应电场；
10.设定所述第二感应磁场和所述第二感应电场的偏差范围，分别判断所述第一感应磁场和所述第一感应电场是否都在所述偏差范围内；若是，输出所述第一感应磁场和所述第一感应电场。
11.本发明实施例的另一目的在于一种海洋感应电磁场系统，所述海洋感应电磁场系统包括信息获取模块、模拟计算模块和输出模块；
12.所述信息获取模块通过定位装置获取观测点的大地坐标系，通过海水测量装置获取观测点的洋流运动参数、潮波运动参数，将所述大地坐标系、所述洋流运动参数和所述潮波运动参数发送给所述模拟计算模块；
13.所述模拟计算模块根据所述大地坐标系得到观测点的地磁场强度；根据所述地磁场强度和所述洋流运动参数计算出观测点的第一感应磁场和第一感应电场；根据所述地磁
场强度和潮波运动参数计算出观测点的第二感应磁场和第二感应电场；设定所述第二感应磁场和所述第二感应电场的偏差范围，分别判断所述第一感应磁场和所述第一感应电场是否都在所述偏差范围内；若是，将所述第一感应磁场和所述第一感应电场发送给所述输出模块；
14.输出模块输出所述第一感应磁场和所述第一感应电场。
15.本发明实施例的另一目的在于一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行海洋感应电磁场算法的步骤。
16.本发明实施例的另一目的在于一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行海洋感应电磁场算法的步骤。
17.本发明实施例提供的一种海洋感应电磁场算法，通过获取观测点所在海域的洋流运动参数和潮波运动参数，分别得到洋流状态下的感应电磁场和潮波状态下的感应电磁场。以潮波状态下的感应电磁场的标准，设定偏差值，判断洋流状态下的感应电磁场。根据不同算法得到观测点的海洋感应电磁场，其结果具有参考价值，更为可靠与准确。
附图说明
18.图1为一个实施例提供的海洋感应电磁场算法的流程图；
19.图2为一个实施例提供的地磁场模型结构框图；
20.图3为一个实施例提供的分层计算海洋感应电磁场的示意图；
21.图4为一个实施例提供的计算地磁场的流程图；
22.图5为一个实施例提供的多层洋流模型；
23.图6为导电介质中线电流与绝缘介质中镜像线电流的分布示意图；
24.图7为海水中体电流与空气层中镜像电流的分布示意图；
25.图8为一个实施例提供的海洋感应电磁场系统的结构图；
26.图9为一个实施例提供的海洋感应电磁场系统的流程图；
27.图10为一个实施例中计算机设备的内部结构框图。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.可以理解，本技术所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本技术的范围的情况下，可以将第一xx脚本称为第二xx脚本，且类似地，可将第二xx脚本称为第一xx脚本。
30.如图1所示，在一个实施例中，提出了一种海洋感应电磁场算法，所述海洋感应电磁场算法包括以下步骤：
31.步骤s202，获取观测点的大地坐标系，根据大地坐标系确定观测点的地磁场强度。
32.在本实施例中，大地坐标系包括观测点的经度、纬度和海拔高度，根据参考椭球wgs84给出。如图2所示，一种地磁场模型，将观测点的经度、纬度和海拔高度输入地磁场模型中，将大地坐标系转化为球面坐标系，计算出球面坐标系下的地磁场强度，最后将球面坐标系下的地磁场强度转化为大地坐标系下的地磁场强度，得到大地坐标系下的地磁场强度的各个分量(f
x
,fy,fz)。该方法操作简单便捷，无需进行额外的参数测定。
33.步骤s204，获取观测点所在海域的洋流运动参数，根据所述地磁场强度和洋流运动参数确定观测点的第一感应磁场和第一感应电场。
34.在本实施例中，洋流是指海水沿着一定方向有规律的具有相对稳定速度的水平流动。洋流运动参数指包括洋流运动速度、洋流状态下海水的电导率和海水的密度等等。海水的电导率、密度等等参数相对稳定，而洋流运动速度不稳定，对感应磁场的影响较大。因此除了洋流运动速度外，其余洋流运动参数均采用常用值。
35.在本实施例中，如图3所示，将厚度为d的洋流层分为n层。假设海水在整个洋流层中沿一个方向匀速运动,采用格林函数法计算一维和二维海水运动感应电磁场，并讨论了其在海水中的分布特征。其中，v1，v2，
…
，vn表示每一洋流分层的速度，h1，h2，
…
，hn表示深度，总海洋深度为d。填充的圆圈和空心的圆圈分别表示流进和流出的速度。利用格林函数法求解出了电磁场表达式，有以下形式：
[0036][0037][0038]
其中，b0是地磁场强度；s是波长方向上的水平波数，s＝2π/λy；α是增殖常数，α2＝s2 iwμ0σ，常数α由两个项组成，一个几何项s和一个电磁项它涉及电磁波传播过程中的阻尼；h
x
为第一感应磁场，ez为第一感应电场，第一感应磁场和第一感应电场是需要确定的感应电磁场强度。
[0039]
步骤s206，获取观测点所在海域的潮波运动参数，根据所述地磁场强度和潮波运动参数确定观测点的第二感应磁场和第二感应电场。
[0040]
在本实施例中，潮波是指是海水表面发生的一种波动现象，一般以正弦波或余弦波的形式。潮波运动参数包括潮波的速度、振幅、频率、在潮波状态下的海水电导率和密度等等。同样的，本实施例只将潮波的速度、振幅、频率视为变量，研究潮波的运动特性。
[0041]
海洋内波的形成类似海洋的表面波浪，海洋内波即潮波的周期从一分钟到数十小时，波速慢但振幅很大，能达到上百米。因为内波比表面波有更大的振幅，也可能产生可观测的感应电磁场。潮波产生的感应磁场和感应电场是一个与潮波的速度、振幅、频率相关的表达式，而第二感应磁场和第二感应电场为频率趋近于0的极限状态下的感应磁场和感应电场。
[0042]
步骤s208，设定所述第二感应磁场和所述第二感应电场的偏差范围，分别判断所述第一感应磁场和所述第一感应电场是否都在所述偏差范围内；若是，输出所述第一感应磁场和所述第一感应电场。
[0043]
在本实施例中，当潮波的频率接近于0hz时，由潮波运动产生的感应电磁场趋近于
洋流状态下的感应磁场，即第二感应磁场和第二感应电场。因此，本实施例以第二感应磁场和第二感应电场为判断的标准，根据具体实际情况设定一个感应磁场和感应电场的偏差范围。如果第一感应磁场和第一感应电场同时在设定的偏差范围内，那就说明测定的洋流状态下的感应电磁场强度是准确的。
[0044]
在洋流和潮波感应电磁场的研究方面，如果只采用单一的海水运动形式研究海洋的感应电磁场，可能会存在不自洽的问题，造成感应电磁场的计算误差。洋流和潮波感应电磁场通过不同的海水运动形式建构出不同的计算模型，确保不会出现重复自我验证的问题。因此，本实施例提供的一种海洋感应电磁场算法根据不同算法得到观测点的海洋感应电磁场，其结果更为可靠。
[0045]
如图4所示，在一个实施例中，步骤s202，所述获取观测点的大地坐标系，根据大地坐标系确定观测点的地磁场强度的方法，可以包括步骤s302～s308：
[0046]
步骤s302，获取若干个不同地域的磁感应强度，确定有限个高斯系数，建构含高斯参数的地磁场强度表达式。
[0047]
步骤s304，在不同时间点，获取观测点的高斯系数，确定高斯系数随时间的变化规律。
[0048]
步骤s306，根据高斯系数的变化规律，确定某一时刻观测点的高斯系数。
[0049]
步骤s308，根据某一时刻观测点的高斯系数，确定观测点的所述地磁场强度。
[0050]
在本实施例中，在计算海洋感应电磁场时，地磁场是一个非常重要的参量，其在很大程度上影响了海水运动感应电磁场的分布。目前国际上通用的地磁场模型有igrf(international geomagnetic reference field，国际地磁参考场)和wmm(world magnetic model，世界磁场模型)。它们在反映全球地磁场分布方面较为准确。所以可以采用这两个模型作为研究不同海域感应电磁场分布时地磁场强度的依据。根据igrf和wmm，通过测量不同地域的磁感应强度，确定有限个未知系数，可得到地磁场强度的表达式。这些未知系数称作高斯系数。通过实验观察给出预测的变化系数，可以确定在未来某一时间的高斯系数，进而得到在某一时间、某一地点的地磁场强度。
[0051]
观测点的地磁场强度并不是不变的，符合一定的变化规律。如果将历史测定值作为观测点的地磁场强度，势必会造成误差。因此，为了准确描述某一时刻观测点的地磁场强度，本实施通过试验观察磁感应强度的变化规律，准确推算出某一时刻的地磁场强度，进而提高感应电磁场的计算精度。
[0052]
在一个实施例中，步骤s204，确定观测点的第一感应磁场和第一感应电场，具体可以包括步骤s402～s408：
[0053]
步骤s402，获取观测点所在海域的洋流层的厚度。
[0054]
步骤s404，将所述洋流层分割为若干个洋流分层，通过速度测量装置测得每一洋流分层的海水流动速度。
[0055]
步骤s406，根据海水流动速度和所述地磁场强度计算出每一洋流分层的感应电流，得到所述第一感应电场。
[0056]
步骤s408，根据毕奥-萨伐尔定律，计算出每一洋流分层的感应电流在观测点上产生的感应磁场，叠加所有感应磁场得到所述第一感应磁场。
[0057]
在本实施例中，如图5的多层洋流模型所示，x轴指向地理北极，z轴以从海面垂直
指向海底方向为正，图中每一层洋流所在的区域都被看作是一个无限大平面区域。其中，vi、σi、di表示第i潮波分层中海水的洋流速度、电导率和厚度，hi表示第i层海水的垂直坐标，h0＝0为海洋表面，i表示地磁倾角，θ表示地磁偏角。假设同一层海水的速度相同且只沿x轴方向运动，即vi＝v
ixex
，则由几何关系可以得到总地磁场f与地磁场各分量之间的关系为：
[0058]
f＝f(cosicosθe
x-cosisinθey siniez)
[0059]
在洋流模型的第i层中，电量为q的带电离子所受到的洛伦兹力为：
[0060]fi
＝-qυ
ixfzey
qυ
ixfyez
[0061]
其中，fy,fz分别表示总地磁场f的y分量和z分量。
[0062]
则在第i层海水中非静电场强水平分量的表达式为：
[0063][0064]
当海水的运动速度随深度连续变化时，非静电场强水平分量的表达式为：
[0065][0066]
根据欧姆定律，模型中第i层洋流的电流密度为：
[0067][0068]
感应电场是指由于磁场变化而产生的涡旋电场或电荷产生的静电场，而洋流中的非静电场本质上是运动电荷所受洛伦兹力的等效电场，因此认为洋流中的第一感应电场ey的数值为0μv/m。
[0069]
假设第i层洋流中的电流在场点p(x,y,z)处产生的磁感应强度为bi，由于每层洋流的平面范围均为无限大，故bi与水平面上的坐标x,y无关。由毕奥-萨伐尔定律(biot-savart)可得到bi在圆柱坐标系中的表达式为：
[0070][0071]
由于空气、海水和沉积岩的磁导率都近似相等，故假设介质的磁导率为定值且取值为真空的磁导率μ0。
[0072]
假设场点p(x,y,z)位于洋流层的第j层，化简得到：
[0073][0074]
将模型中各层传导电流在场点p(x,y,z)产生的磁场bi进行叠加，得到洋流中传导
电流产生的磁场的磁感应强度即第一感应磁场，其表达式为：
[0075][0076]
洋流层中分割的层数n越多，结果就越精确。当层数接近无穷时，上式中的求和式变为积分式。对于随z连续变化的速度场v(z)＝v
x
(z)e
x
，其产生的磁场的磁感应强度可以表示为：
[0077][0078]
在理论上，本实施例可以通过无限分割洋流层，并逐一测定每一洋流分层中的海水的流速，建构连续变化的速度场v(z)＝v
x
(z)e
x
，进而更加准确地计算出观测点产生的感应磁场。在实际测定中，并不需要完全测出速度场曲线v(z)＝v
x
(z)e
x
，只需要测得一系列连续的速度值即可。根据不同的实际需要适当确定洋流层的分割层数，在保持计算精度的前提下，可以尽量较少速度测量的工作量。
[0079]
在一个实施例中，步骤s408，所述叠加所有感应磁场得到所述第一感应磁场的方法，具体可以包括步骤s502～s508：
[0080]
步骤s502，获取观测点所在的海域的垂直空间高度，将海域分为空气层、所述洋流层和沉积层。
[0081]
步骤s504，根据毕奥-萨伐尔定律，计算出每一洋流分层的感应电流在观测点上产生的感应磁场。
[0082]
步骤s506，根据静电场唯一性定理，用每一洋流分层的感应电流计算出所述空气层的第一镜像感应磁场，以及所述沉积层的第二镜像感应磁场。
[0083]
步骤s508，将所述第一镜像感应磁场、所述第二镜像感应磁场和每一洋流分层的感应磁场进行叠加，得到所述第一感应电磁场。
[0084]
在本实施例中，如图5所示，在步骤s402～s408的基础上，考虑空气层-海水层之间的感应电流和海水层-沉积层之间的感应电流。
[0085]
我们采用镜像法来计算界面上的感应电流产生磁场。如图6和图7所示，设在导电介质中有一沿y轴方向流动的线电流i，根据唯一性定理，为使电势和电场在绝缘介质与导电介质的分界面处满足边界条件，空气中的镜像电流i'和导电介质中的源电流应对称分布，具有相同的大小和方向，即i'＝i。
[0086]
镜像电流在海水中产生的磁感应强度的表达式为：
[0087][0088]
将磁感应强度进行叠加，得到海水中洋流产生的总磁感应强度，即第一感应磁场，其表达式为：
[0089][0090]
在本实施例中，沉积层中岩石的电导率约为1s/m，所以沉积层为导体层，在洋流层与沉积层的界面处不存在感应电流。至此，得到了修正后的海水中洋流产生的第一感应磁场的最终表达式为
[0091]
不同介质的界面分层中存在感应电流，镜像感应电流又会产生的镜像感应磁场。本实施例将镜像感应磁场考虑进去，使得第一感应磁场的结果更加精确。
[0092]
在一个实施例中，步骤s206，所述确定观测点的第二感应磁场和第二感应电场的方法，具体可以包括步骤s602～s608：
[0093]
步骤s602，获取观测点所在海域的潮波层的厚度。
[0094]
步骤s604，将所述潮波层分割为n个潮波分层，建构n个潮波分层的简谐波运动函数。
[0095]
步骤s606，根据麦克斯韦方程，利用每一潮波分层的简谐波运动函数和所述地磁场强度，得到n个关于感应磁场和感应电场的方程。
[0096]
步骤s608，求解n个关于感应磁场和感应电场的方程，得到所述第二感应磁场和第二感应电场。
[0097]
在本实施例中，为了准确描述潮波的运动需建立多层潮波地电模型。该模型与洋流模型相似，都考虑空气层、潮波层和沉积层；将潮波层分割为n个子层，只不过每层潮波的运动速度均是时间t的函数。在潮波地电模型中所选取的坐标系与多层洋流模型中的坐标系相同，因而地磁场在海洋中分布的表达式也保持一致。在模型中取第i层海水的速度、电导率、磁导率和介电常数分别设为vi、σi、μi和εi(i＝1,2,
…
,n)，并假设潮波只沿x轴方向移动。
[0098]
由于潮波运动的周期性，各层潮波均以相同的角频率沿x轴方向作简谐波运动：
[0099]vi
(t)＝υ
i cos(ωt)e
x
＝re(υ
ieiωt
)e
x
[0100]
其中，vi(t)表示第i潮波分层中海水的速度，为矢量；ω表示各个潮波分层的角频率；t表示时间；vi表示第i潮波分层中海水的速度，为标量；e
x
表示在x轴上的向量。
[0101]
对每一层进行研究，都满足麦克斯韦方程，可以得到直角坐标系中潮波感应电磁场所满足的微分方程为：
[0102][0103]
其中，h
ix
为第i个潮波分层的感应磁场强度。
[0104]
对z求导，考虑到在每一层潮波中vi均为常数，联立后可得到关于h
ix
的二阶微分方程：
[0105][0106]
求解可以得到潮波产生的感应磁场h
x
的方程组为：
[0107][0108][0109][0110][0111]
其中，h
ix
(z)表示第i潮波分层的感应磁场强度，h
0x
(z)表示所述空气层的感应磁场强度，h
n 1,x
(z)表示所述沉积层的感应磁场强度；ki表示常数；ai、bi为待定系数；h0表示空气层顶端，即z轴原点；hi表示第i个潮波分层的顶端到z轴原点的垂直高度，i＝1，
…
，n-1；hn表示第n个潮波分层的底端到z轴原点的垂直高度。
[0112]
根据潮波产生的感应磁场方程组，确定潮波产生的感应电场方程组
[0113][0114][0115][0116][0117]
其中，e
iy
(z)表示第i潮波分层的感应磁场强度，e
0y
(z)表示所述空气层的感应磁场强度，e
n 1,y
(z)表示所述沉积层的感应磁场强度；ai、bi为待定系数；σ'i＝σi iωεi为复电导率。
[0118]
根据层界面处电磁场的连续性条件，得到确定所有待定系数的方程为：
[0119]
(1)在空气层与潮波层的分界面上：
[0120][0121]
(2)在潮波层之间的分界面上(i＝1,2,
…
,n)：
[0122][0123]
(3)在潮波层与沉积层的分界面上：
[0124][0125]
确定所有待定系数的方程可以表示为ax＝s的形式，其中a为(2n 2)
×
(2n 2)阶带状稀疏矩阵，x为由所有待定系数组成的2n 2维列向量，s为源项。由于矩阵a每行仅有3个或4个非零元素且各行的中间元素呈指数衰减，故可以采用递推矩阵方法快速求解未知系数。将系数代入上述潮波产生的感应磁场h
x
和感应电场ey的表达式。
[0126]
感应磁场h
x
和感应电场ey的表达式包含未知参数，所以采用递推矩阵法求解系数，并且计算过程使用程序计算。当潮波分层n足够多时，就可以模拟海水速度和电参数随海水深度任意近似连续变化的潮波产生的感应电磁场分布；当潮波的频率接近于0hz时，通过计算机得出第二感应磁场和第二感应电场的数值。
[0127]
在洋流和潮波感应电磁场的研究方面，前人的工作主要是针对单一形式海水运动的感应电磁场所进行的研究，缺乏不同理论、不同类型的海水运动形式之间的对比研究，这可能会存在不自洽的问题。同时，由于洋流和潮波在运动特性上具有很大的相似性，通过对比研究可以探究运动频率对感应电磁场的影响。因此，在本实施例中，第二感应磁场和第二感应电场为理论计算值，是一个标准的数值，其目的是让第一感应磁场和第一感应电场有一个参考的对象。通过不同的模型计算，能更有效地验证第一感应磁场和第一感应电场的正确性。
[0128]
在一个实施例中，步骤s608，所述求解n个关于感应磁场和感应电场的方程，得到所述第二感应磁场和第二感应电场的方法，包括步骤s702～s708：
[0129]
步骤s702，获取观测点所在的海域的垂直空间高度，将海域分为空气层、所述潮波层和沉积层。
[0130]
步骤s704，根据分层界面处电磁场的连续性条件，建构所述空气层和所述潮波层的分界面的待定系数方程，建构所述潮波层之间的分界面的待定系数方程，建构所述潮波层和所述沉积层的分界面的待定系数方程。
[0131]
步骤s706，用所有待定系数方程的待定系数构造出稀疏矩阵，根据稀疏矩阵线性方程组的递推矩阵算法，得到感应磁场的表达式和感应电场的表达式。
[0132]
步骤s708，计算简谐波运动函数频率趋近于0时的感应磁场的表达式和感应电场的表达式，得到所述第二感应磁场和所述第二感应电场。
[0133]
在本实施例中，将海域分为空气层、所述潮波层和沉积层，以及后续的计算步骤均在上一个实施例中体现出来，此处不再赘述。本实施例是为了解决技术算计内部的运算量问题，其稀疏矩阵的计算方式具体如下：
[0134]
确定潮波感应电磁场中所有待定系数的稀疏矩阵线性方程组具有如下形式
[0135]a11
x1 a
12
x2 a
13
x3＝s1,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(a1)
[0136]a21
x1 a
22
x2 a
23
x3＝s2,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(a2)
[0137]a2i-1,2i-2
x
2i-2
a
2i-1,2i-1
x
2i-1
a
2i-1,2i
x
2i
a
2i-1,2i 1
x
2i 1
＝s
2i-1
,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(a3)
[0138]a2i,2i-2
x
2i-2
a
2i,2i-1
x
2i-1
a
2i,2i
x
2i
a
2i,2i 1
x
2i 1
＝s
2i
,i＝2,3,
…
,n-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(a4)
[0139]a2n-1,2n-2
x
2n-2
a
2n-1,2n-1
x
2n-1
a
2n-1,2n
x
2n
＝s
2n-1
,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(a5)
[0140]a2n,2n-2
x
2n-2
a
2n,2n-1
x
2n-1
a
2n,2n
x
2n
＝s
2n
.
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(a6)
[0141]
由上述各式，稀疏矩阵a为带状矩阵(每行仅有3个或4个元素)，所需内存量为o(n)。考虑到稀疏矩阵a各元素的组成特点(矩阵a各行中间元素是呈指数衰减的)，并要求在递推过程中不应出现溢出现象和分母趋于零的情况，由式(a1)和(a2)，用x2表示x1和x3，由式(a3)和(a4)，用x
2i
表示x
2i-2
和x
2i 1
(x
2i-1
已用x
2i-2
表示)。
[0142]
由式(a1)和(a2)，得
[0143][0144]
其中：
[0145][0146][0147]
假设已得到带入式(a3)和(a4)，经计算得到：
[0148][0149]
其中：
[0150][0151][0152][0153][0154]
将代入式(a5)和(a6)，经计算得到：
[0155][0156][0157]
利用递推方法求解该方程组的具体步骤如下：首先进行正向递推，经计算得到系
数数然后进行逆向递推，由x
2n
、x
2n-2
经逆向递推得到x
2i-2
、x
2i 1
(i＝n-1，
…
，2)、x3、x1。若直接采用矩阵求逆方法计算该方程组，则其运算量为o(n2)。而上述递推算法在正向递推过程中仅需要n次迭代，在逆向递推过程中亦仅需n次迭代，运算量降低为o(n)。
[0158]
综上所述，本实施例采用的系数矩阵运算法更加简便，可通过迭代快速推导出感应磁场的表达式和感应电场的表达式，节省运算资源。
[0159]
在一个实施例中，步骤s206，所述确定观测点的第二感应磁场和第二感应电场的方法，具体可以包括步骤s802～s814：
[0160]
步骤s802，获取观测点所在的海域的垂直空间高度，将海域分为空气层、潮波层和沉积层。
[0161]
步骤s804，将所述潮波层分割为n个潮波分层，根据潮波的周期性，建构n个潮波分层的简谐波运动函数
[0162]vi
(t)＝υ
i cos(ωt)e
x
＝re(υ
ieiωt
)e
x
[0163]
其中，vi(t)表示第i潮波分层中海水的速度，为矢量；ω表示各个潮波分层的角频率；t表示时间；vi表示第i潮波分层中海水的速度，为标量；e
x
表示在x轴上的向量。
[0164]
步骤s806，将每一潮波分层的简谐波运动函数带入麦克斯韦方程中，求取垂直方向z轴的二阶微分方程，得到潮波产生的感应磁场方程组
[0165][0166][0167][0168][0169]
其中，h
ix
(z)表示第i潮波分层的感应磁场强度，h
0x
(z)表示所述空气层的感应磁场强度，h
n 1,x
(z)表示所述沉积层的感应磁场强度；ki表示常数；ai、bi为待定系数；h0表示空气层顶端，即z轴原点；hi表示第i个潮波分层的顶端到z轴原点的垂直高度，i＝1，
…
，n-1；hn表示第n个潮波分层的底端到z轴原点的垂直高度。
[0170]
步骤s808，根据潮波产生的感应磁场方程组，确定潮波产生的感应电场方程组
[0171][0172][0173][0174][0175]
其中，e
iy
(z)表示第i潮波分层的感应磁场强度，e
0y
(z)表示所述空气层的感应磁场强度，e
n 1,y
(z)表示所述沉积层的感应磁场强度；ai、bi为待定系数；σ'i＝σi iωεi为复电导率。
[0176]
步骤s810，根据层界面处电磁场的连续性条件，得到空气层与潮波层的分界面的方程组、潮波分层之间的分界面的方程组、潮波层与沉积层的分界面的方程组
[0177][0178][0179][0180]
其中，fz表示地磁场在z轴方向上的分量。
[0181]
步骤s812，将空气层与潮波层的分界面的方程组、潮波分层之间的分界面的方程组、潮波层与沉积层的分界面的方程组建构稀疏矩阵方程，采用递推矩阵方法确定感应磁场h
x
和感应电场ey的表达式。
[0182]
步骤s814，计算简谐波运动函数频率趋近于0时的所述感应磁场h
x
和所述感应电场ey，得到所述第二感应磁场和所述第二感应电场。
[0183]
本实施例已经在上述做了详细阐述，再此不赘述。
[0184]
在一个实施例中，如图8和图9所示，一种海洋感应电磁场系统，所述海洋感应电磁场系统包括信息获取模块、模拟计算模块和输出模块；
[0185]
所述信息获取模块通过定位装置获取观测点的大地坐标系，通过海水测量装置获取观测点的洋流运动参数、潮波运动参数，将所述大地坐标系、所述洋流运动参数和所述潮波运动参数发送给所述模拟计算模块；
[0186]
所述模拟计算模块根据所述大地坐标系得到观测点的地磁场强度；根据所述地磁场强度和所述洋流运动参数计算出观测点的第一感应磁场和第一感应电场；根据所述地磁场强度和潮波运动参数计算出观测点的第二感应磁场和第二感应电场；设定所述第二感应磁场和所述第二感应电场的偏差范围，分别判断所述第一感应磁场和所述第一感应电场是否都在所述偏差范围内；若是，将所述第一感应磁场和所述第一感应电场发送给所述输出模块；
[0187]
输出模块输出所述第一感应磁场和所述第一感应电场。
[0188]
在本实施例中，如图8所示，系统模块包括信息获取模块、模拟计算模块和输出模块。其中，信息获取模块分别连接定位装置和海水测量装置；通过定位装置获取观测点的地理信息，地理信息包括大地坐标系和地理环境，而大地坐标系又包括观测点的经度、维度和海拔高度；通过海水测量装置测量观测点的洋流运动参数和潮波运动参数，其中具体包括：洋流速度、潮波流速、潮波振幅，潮波频率、海水深度、海水电导率、磁导率、介电常数等等。
[0189]
模拟计算模块包括数值根据输入的参数，分别计算不同洋流和潮波情况下的感应电磁场分布规律，实现对多维海水运动电磁场的定量描述和模拟。
[0190]
输出模块接收海洋感应电磁场模拟的结果，以图表、txt文本或者图形形式输出，输出的形式不限于此，在此不做限制。本实施所能实现的功能已在前面实施例中阐述出来，在此不赘述。
[0191]
此外，在另一个实施例中，如图9所示，提供了一种海洋感应电磁场模拟软件，用于实现海洋感应电磁场的数据或图像模拟。本软件开发平台为跨平台c图形用户界面应用程序开发框架，操作系统为windows系统。
[0192]
以图像输出为例，对海洋感应电磁场模拟软件做出如下说明：
[0193]
海洋感应电磁场模拟软件分为三个功能区：地磁场模型、潮波模拟和洋流模拟。在软件界面中，点击地磁场模型按钮，跳转页面；该界面在参考国际地磁场相关数据的基础上，实现了用户输入日期、经纬度、高度具体数值后，点击获取按键，即可得到所在地的电磁场，磁偏角等相关信息，流程如图2所示。例如：选择日期2020年1月1日，并输入经度45、纬度60；高度500；点击获取按键后，在结果显示区得到：地磁场f＝54519.38nt；x分量f
x
＝13912.54nt；y分量f
x
＝3874.63nt等等。
[0194]
除此之外，为了增强软件之的灵活性以及实用性，也可从该页面跳转至主页面或者其它另外两个仿真功能界面：潮波电磁场的仿真软件界面和洋流电磁场的仿真软件界面。
[0195]
计算潮波电磁场的仿真软件界面分为两个部分。一部分为参数设置，包含地磁场垂直分量、电导率、磁导率、介电常数以及对潮波表面速度、海水深度等参量，所有参数已经预设了常见初值，可直接进行计算电磁场。同样的，用户也可以自行改变任一个参量值。除此之外，用户可实现直接地磁场模型中的计算结果，更加方便和人性化。另一部分为模拟结果，通过绘画框分别展示电场、磁场的仿真图像，可以通过清空图像来刷新页面。如果两次仿真之间不清空图像可以多次绘图，进行对比展示，使得对比更加精确。
[0196]
计算洋流电磁场的仿真软件界面与计算潮波的界面相同，主要在于参数输入不同。
[0197]
图10示出了一个实施例中计算机设备的内部结构图。该计算机设备包括该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、输入装置。其中，存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该计算机设备的非易失性存储介质存储有操作系统，还可存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器实现海洋感应电磁场算法。该内存储器中也可储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行海洋感应电磁场算法。计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
[0198]
本领域技术人员可以理解，图10中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
[0199]
在一个实施例中，本技术提供的海洋感应电磁场装置可以实现为一种计算机程序的形式，计算机程序可在如图10所示的计算机设备上运行。计算机设备的存储器中可存储组成该海洋感应电磁场装置的各个程序模块，比如，图8所示的信息获取模块、模拟计算模块和输出模块。各个程序模块构成的计算机程序使得处理器执行本说明书中描述的本技术各个实施例的海洋感应电磁场算法中的步骤。
[0200]
在一个实施例中，提出了一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机
程序时实现以下步骤：
[0201]
获取观测点的大地坐标系，根据大地坐标系确定观测点的地磁场强度；
[0202]
获取观测点所在海域的洋流运动参数，根据所述地磁场强度和洋流运动参数确定观测点的第一感应磁场和第一感应电场；
[0203]
获取观测点所在海域的潮波运动参数，根据所述地磁场强度和潮波运动参数确定观测点的第二感应磁场和第二感应电场；
[0204]
设定所述第二感应磁场和所述第二感应电场的偏差范围，分别判断所述第一感应磁场和所述第一感应电场是否都在所述偏差范围内；若是，输出所述第一感应磁场和所述第一感应电场。
[0205]
在一个实施例中，提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行以下步骤：
[0206]
获取观测点的大地坐标系，根据大地坐标系确定观测点的地磁场强度；
[0207]
获取观测点所在海域的洋流运动参数，根据所述地磁场强度和洋流运动参数确定观测点的第一感应磁场和第一感应电场；
[0208]
获取观测点所在海域的潮波运动参数，根据所述地磁场强度和潮波运动参数确定观测点的第二感应磁场和第二感应电场；
[0209]
设定所述第二感应磁场和所述第二感应电场的偏差范围，分别判断所述第一感应磁场和所述第一感应电场是否都在所述偏差范围内；若是，输出所述第一感应磁场和所述第一感应电场。
[0210]
应该理解的是，虽然本发明各实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，各实施例中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0211]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0212]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0213]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
[0214]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。