基于跨时空声速剖面聚类的声速分布快速估计方法

技术特征：
1.一种基于跨时空声速剖面聚类的声速分布快速估计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：首先判定声速分布估计区域的类型：根据目标区域所处纬度，分为存在表面层区域和无表面层区域；s2：对含表面层区域进行历史声速剖面数据样本聚类，得到存在表面层区域声速剖面聚类集合；s3：对无表面层区域进行历史声速剖面数据样本聚类，得到无表面层区域声速剖面聚类集合；s4: 对目标区域声速剖面所属类型进行时空映射，采用k邻近算法判断目标区域声速剖面所属类型，获得目标区域声速剖面所属类型估计输出；s5：目标区域声速剖面分布估计：以目标区域声速剖面所属类型估计输出中声速剖面样本平均值作为目标区域声速剖面分布估计。2.如权利要求1所述的一种基于跨时空声速剖面聚类的声速分布快速估计方法，其特征在于，所述s1具体为：s1-1：根据目标区域所处纬度l，将任务分为存在表面层区域，即其纬度范围为赤道0
°
到北纬50
°
或南纬50
°
之间，即或；若目标区域为存在表面层区域，按照纬度确定表面层与主跃层分层深度ds： (1)；若无表面层区域，即其纬度大于北纬或南纬50
°
，即或，其中n表示北纬，s表示南纬。3.如权利要求1所述的一种基于跨时空声速剖面聚类的声速分布快速估计方法，其特征在于，所述s2具体为：所述历史声速剖面数据样本总数为i，集合表示为，其中第i个声速剖面样本为，d为深度，单位为米；表面层负梯度参考声速剖面为；s2-1：初始化初始化表面层负梯度声速剖面集合，表面层正梯度声速剖面集合，声速剖面样本的欧式距离矩阵，候选声速剖面聚类中心集合，邻居声速剖面集合，声速剖面聚类集合；s2-2：相关性检验分类对中的声速剖面数据样本进行表面层深度区间部分截取，表示为，计算其与参考声速剖面样本之间的相关系数：
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(2)其中为参考声速剖面表面层平均声速值，是经验声速剖面表面层平均声速值；如果，则将声速剖面数据样本加入到表面层负梯度声速剖面集合，否则将声速剖面数据样本加入到表面层正梯度声速剖面集合；s2-3：局部密度聚类分别对表面层负梯度声速剖面集合，和表面层正梯度声速剖面集合，进行局部密度聚类；令候选声速剖面聚类中心集合，并在此集合标记声速剖面样本为，计算声速剖面样本与声速剖面样本之间的欧式距离：
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(3)将欧式距离计算结果存入声速剖面样本的欧式距离矩阵；如果，循环执行：随机选择声速剖面样本，重置；遍历每一个声速剖面样本，查询中与的欧氏距离，如果欧式距离小于预设欧氏距离密度阈值，即，则将声速剖面样本加入到邻居声速剖面集合，如果遍历每一个声速剖面样本后元素个数大于等于预设邻居数量阈值，即，则在声速剖面聚类集合中创建新聚类集合元素，同时在中剔除中的共有元素，否则从中剔除；令候选声速剖面聚类中心集合，将a替换为b，-替换为 ，聚类集合替换为，重复执行s2过程s2-3，得到存在表面层区域声速剖面聚类集合。4.如权利要求1所述的一种基于跨时空声速剖面聚类的声速分布快速估计方法，其特征在于，所述s3具体为：历史声速剖面数据样本总数为j，集合表示为其中第j个声速剖面样本为，d为深度，单位为米；s3-1：初始化
初始化声速剖面样本的欧式距离矩阵，候选声速剖面聚类中心集合，邻居声速剖面集合，声速剖面聚类集合；s3-2：局部密度聚类令候选声速剖面聚类中心集合，并在此集合标记声速剖面样本为，计算声速剖面样本与声速剖面样本之间的欧式距离：
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(4)将欧式距离计算结果存入声速剖面样本的欧式距离矩阵；如果，循环执行：随机选择声速剖面样本，重置；遍历每一个声速剖面样本，查询中与的欧氏距离，如果欧式距离小于预设欧氏距离密度阈值，即，则将声速剖面样本加入到邻居声速剖面集合，如果遍历每一个声速剖面样本后元素个数大于等于预设邻居数量阈值，即，则在声速剖面聚类集合中创建新聚类集合元素，同时在中剔除中的共有元素，否则从中剔除；获得无表面层区域声速剖面聚类集合。5.如权利要求1所述的一种基于跨时空声速剖面聚类的声速分布快速估计方法，其特征在于，所述s4具体为：根据目标任务纬度值l所在区间，声速分布估计目标区域的时空信息，其中时间信息均以“天”为单位，编码由每年1月1日开始为“1”，每日递增1个单位，12月31日为“365”，闰年2月29日与28日编码相同，为“59”；空间信息以经纬度进行度量，单位为度；如果目标区域为含表面层区域，历史声速剖面数据，存在表面层区域声速剖面聚类集合，历史声速剖面数据样本采样时空信息；如果目标区域为无表面层区域，历史声速剖面数据，无表面层区
域声速剖面聚类集合，历史声速剖面数据样本采样时空信息；以k邻近算法判断目标区域声速剖面所属类型。6.如权利要求5所述的一种基于跨时空声速剖面聚类的声速分布快速估计方法，其特征在于，所述s4具体为：s4-1：存在表面层目标区域声速剖面所属类型归类：(1)时空信息距离计算计算声速分布估计目标区域与历史声速剖面样本采样时空信息距离：
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(5)其中是时间距离，是空间距离，为权重参数平衡时空信息占比；时间距离计算依据： (6)空间距离计算依据：(7)其中当坐标位于北半球时，，位于南半球时，，经度编码方式定义为：
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(8)其中是坐标点编码前的原始经度；(2)所属类型映射对时空信息距离由小到大排序；选择k个与声速分布估计目标区域具有最短时空距离的历史声速剖面数据样本，根据此k个历史声速剖面数据样本中多数声速剖面样本所属的声速剖面类别作为目标区域声速剖面所属类型估计输出，记作；s4-2：无表面层目标区域声速剖面所属类型归类：(1)时空信息距离计算计算声速分布估计目标区域与历史声速剖面样本采样时空信息距离：
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(9)其中是时间距离，是空间距离，为权重参数平衡时空信息占比；时间距离计算依据：
(10)空间距离计算依据：(11)其中当坐标位于北半球时，，位于南半球时，，经度编码方式定义为：(12)其中是坐标点编码前的原始经度；(2)所属类型映射对时空信息距离由小到大排序；选择个与声速分布估计目标区域具有最短时空距离的历史声速剖面数据样本，根据此个历史声速剖面数据样本中多数声速剖面样本所属的声速剖面类别作为目标区域声速剖面所属类型估计输出，记作。

技术总结
本发明公开了一种基于跨时空声速剖面聚类的声速分布快速估计方法，属于海洋参数估计技术领域。本发明首先判定声速分布估计区域的类型：根据目标区域所处纬度，分为存在表面层区域和无表面层区域；对含表面层区域进行历史声速剖面数据样本聚类；对无表面层区域进行历史声速剖面数据样本聚类；对目标区域声速剖面所属类型进行时空映射，判断目标区域声速剖面所属类型，获得目标区域声速剖面所属类型估计输出；最后得到目标区域声速剖面分布估计。本发明解决了水下声速剖面分布的快速估计问题，缩短了目标区域水下声速分布估计时间开销，提高了水下声速分布估计实时性，以便水下定位导航授时系统提高水下测距、定位、导航与授时精度。度。度。


技术研发人员：黄威 李德识 徐天河 高凡
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：2022.10.12
技术公布日：2022/11/8