場梯度

場梯度,是不同時刻切向和法向溫度梯度等值線分布的現象。在航磁測量領域中，為了更好地顯示地質體構造走向及邊界位置，提出了地磁總場梯度的概念。地磁總場梯度不受外源場變化的影響，地磁日變會在兩個磁力儀做差過程中被消除。

基本介紹

• 中文名：場梯度
• 外文名：field gradient 
• 拼音： chǎng tī dù
• 領域：電磁學
• 性質：數值分布
• 套用：磁場測量

場梯度定義

基本定義

場梯度,是不同時刻切向和法向溫度梯度等值線分布的現象。數值結果表明：材料內部溫度分布極不均勻,產生很大的溫度梯度;切向溫度梯度沿徑向在樣品的表面區域達到最大,沿周向在雷射強度的空間分布變化最明顯的位置值最大;法向溫度梯度的最大值點沿徑向隨時間推移逐漸向材料內部移,沿周向在雷射線源中心處最大。

測量方法

在航磁測量領域中，為了更好地顯示地質體構造走向及邊界位置，提出了地磁總場梯度的概念。從數學上來說梯度自身是標量函式在某一點的 3 個正交方向的導數所組成的向量，3 個正交方向的某一個方嚮導數成為該方向的梯度。在實際測量中可以採用兩個總場磁力儀間隔一定距離，將兩個磁力儀測量值做差再除以探頭間的距離，來計算該方向上的總場梯度。由於兩個探頭間的距離遠遠小於測線長度，因此一階差分近似代替總場方嚮導數是可行的。

測量精度

為了獲得較高的匹配精度，選擇合適的匹配特徵量尤為重要。在地磁場的短期變化中，地磁日變和磁暴等對地磁測量精度的影響較大，在選擇匹配特徵量時應當考慮到其受地磁短期變化的影響程度及長期穩定性。結合現有的磁測設備來看，地磁總場標量的測量精度最高，總場的相關分量及磁傾角和磁偏角因涉及到姿態矩陣變換等問題，測量精度普遍偏低。地磁總場梯度的測量精度與地磁總場相當，但又有其特有的優勢。首先，地磁總場梯度不受外源場變化的影響，地磁日變會在兩個磁力儀做差過程中被消除。

場梯度類型

生態場的場梯度

生態是生物與生物之間以及生物與環境之間相互作用的時空範圍。植物周圍都存在一定形式的生態場。生態場的分布與作用形式是以場的基本特徵函式—生態勢描述的用生態勢能刻劃生態場中任意點場的作用強度和分布形式。生態場的另一個重要性質是有梯度的存在,生態場梯度實際描述了植物對周圍作用強度的空間變化率,反映植物生態場分布的動態變化過程。生態場區別於經典物理場的重要特徵是,形成場的場源為有自身生長發育節律的生物。因而植物生態場的某些特徵呈現季節性變化。本文對羊草地上部生態場的生態勢、場梯度的定義、特徵及其季節性行為變化規律進行了較深入的分析探討。羊草地上部分生態場的生態勢植物之間的相互作用過程十分複雜,具有多組分、多變數和多水平特徵川,因而要求建立的模型,既應表征生態場性質,又能便於運算、可測。植物生態場中任意點的生態勢決定於3方面因素,第一是場源植物本身的生長狀態(以相對生長速率表示);第二是場源生態場作用的衰減(用勢消減係數表示);第三是某點的資源利用效力(以資源生成位表示)。這3方面因素綜合作用構成了植物生態勢。顯然生態勢表明了植物群落或生態場中植物或某處潛在植物生長過程中受到的壓力。那么生態場可定義為:生態場中任意一點受到來自場源植物與生境因子綜合作用的量度。羊草個體植株形成的生態勢,隨與場源羊草的作用距離而發生變化分析結果表明:地上部生態勢同場源羊草某一時刻或一段時間的相對生長速率成正比,即個體植株越高,生長越旺盛,生物量、葉面積越大,它對周圍作用越強,也就形成較高的生態勢。理論分析可見,羊草生態場中任意點的生態勢與該處的資源利用效力成反比關係。即生態場或植物群落中,某處資源越豐富,可利用性越高(水分、光照、營養充足),其它相鄰植物在該處形成生態勢越小,對這處作用減弱川。本實驗測得的資源生態位值(同一季節)並無明顯的規律性變化,這主要是由於取樣差異造成的,所以羊草生態勢變化曲線並不能反映資源利用效率的影響規律。羊草地上部生態勢與勢消減係數密切相關。勢消減係數方程表明,場或生態勢作用是隨與羊草的距離增大而減弱曲線都表征隨與羊草遠離的勢值衰減變化,這種變化形式是一株羊草形成的生態勢,在作用距離決定勢消減係數取決於場源植物的作用距離、植株高度和參數。那么距離羊草越近,勢值越高;植株越大,勢值越高。參數反映羊草個體的生物學形態分布特性,它對生態勢的影響體現在對勢變化曲線形狀上。不同羊草個體植株,其參數不同,勢值變化速度有異,而對勢值大小(最大值)無影響。

地球物理場梯度

套用地球物理資料進行地質體邊界的精確定位是地質填圖中的一項基礎性工作。它不僅可以刻畫岩性的變化,而且還可以提供有關構造體系、變形樣式等豐富的地下地質信息。另外,邊界位置信息與地球物理場資料、地質資料的聯合使用可以大大提高單一資料的解釋能力,得到更加豐富、全面的地下地質信息,提高地質填圖的質量。幾乎所有的位場邊界定位方法都是基於計算和追蹤某個位場變換函式的極大值進行的。磁源重力的水平梯度模描述了基底岩石的磁性變化。進一步探討了水平總梯度模的極大值法確定密度體和磁性體邊界的方法,並認為在假定了密度體或磁性體邊界為單個垂直邊界的情況下,重力異常或磁源重力異常的水平總梯度模在邊界上正好取極大值,可據此確定地質體的邊界位置。但當地質體邊界不垂直時,水平總梯度模的極大值就會偏離邊界位置,且對於很薄的地質體,水平總梯度模的極大值也不能反映它們的位置。

位場邊界定位方法大多是基於計算和追蹤某個位場變換函式的極大值進行的。傳統的求導方法(hgm,AS,LW)的振幅與異常的振幅是緊密聯繫的,因深源位場異常不明顯,故很難探測出深源的邊界。而Tilt水平總梯度模(Tilt-hgm)方法需要計算二次導數,因此對於數據的質量要求更高。基於位場梯度的歸一化標準差(NSTD)方法是一種從統計角度提出的方法。當數據比較平滑時,標準差的值較小;而當數據變化較大時(例如邊界的存在),它的值就會較大,所以這種方法可以用於邊界定位。另外,歸一化計算可以同時突出深層邊界產生的弱異常。模型試算及實際位場資料的處理。

水下場梯度

21 世紀以來，隨著現代軍事技術的不斷發展，水下載體的導航技術是各國研究的重點。出於隱蔽性的考慮，常常需要載體在水下潛航數月從而無法上浮水面接收 GPS 信息。傳統慣性導航系統在沒有 GPS輔助修正下，難以實現長時間精確導航，同時基於地形匹配、圖像匹配等導航技術在水下環境中也有其局限性。地磁場及其相關要素在空間分布的多樣性和高性能的磁測設備出現，使得利用地磁場特徵量實現匹配導航成為可能。通過與慣導系統組合導航，可以在無 GPS 輔助下有效抑制慣導系統漂移誤差，大大提高水下載體的生存能力和定位精度。目前地磁導航的匹配特徵量大多採用地磁總場。如哈爾濱工程大學的康崇教授團隊利用水下機器人搭載的 CS－L 磁力儀獲得了吉林松花湖水域 10 m 深處地磁總場數據並進行了匹配導航算法仿真，使修正後的航跡夾角誤差降低了 30%以上。國防科技大學的胡小平教授團隊同樣選取地磁總場作為匹配特徵量並進行了水下匹配實驗，經過磁補償後的匹配精度達到了 139 m。隨著磁測技術的提高以及地磁場模型理論的不斷完善，研究人員發現除地磁總場外的其他地磁特徵量包含著更豐富的匹配信息。地磁總場梯度模製作了地磁基準圖。

場梯度套用

地磁基準圖數據集的統計特性，體現了匹配特徵量的空間分布情況，進而反映了匹配機率和精度。目前描述地磁基準圖的性能指標較多，主要有地磁標準差、峰態係數、偏態係數、地磁費歇信息量、粗糙度、粗糙方差比、相關長度、地磁編碼失真等，這些指標所針對的角度也互不相同在匹配過程中數據積累階段，經典 MSD 算法忽略了軌跡在短時間內的航向變化，認為慣導僅僅積累了定位誤差而沒有考慮航向誤差，也就是基於慣導航跡與真實航跡平行的假設。但是當航向誤差不斷變大，基於平行假設的經典算法誤差隨之累計，最終的結果是算法結果發散，導致匹配失敗。過對比地磁總場梯度基準圖和地磁總場基準圖的性能指標，得到了地磁總場梯度基準圖數據分布均勻、起伏明顯、可用信息豐富的結論，若採用地磁總場梯度作為匹配特徵量將會獲得更高的配精度。同時經典 MSD 匹配算法的抗旋轉性較差，提出基於旋轉變換的改進算法能夠很好地解決這個問題。仿真結果表明了利用地磁總場梯度進行匹配的可行性及算法的抗噪聲性能良好; 在存在航向誤差的條件下，改進後的匹配算法相比與經典 MSD 算法，定位精度提高，且算法收斂性較好，驗證了改進算法的有效性。