[科普中国]-场梯度

场梯度,是不同时刻切向和法向温度梯度等值线分布的现象。在航磁测量领域中，为了更好地显示地质体构造走向及边界位置，提出了地磁总场梯度的概念。地磁总场梯度不受外源场变化的影响，地磁日变会在两个磁力仪做差过程中被消除。

场梯度定义基本定义场梯度,是不同时刻切向和法向温度梯度等值线分布的现象。数值结果表明：材料内部温度分布极不均匀,产生很大的温度梯度;切向温度梯度沿径向在样品的表面区域达到最大,沿周向在激光强度的空间分布变化最明显的位置值最大;法向温度梯度的最大值点沿径向随时间推移逐渐向材料内部移,沿周向在激光线源中心处最大。

测量方法在航磁测量领域中，为了更好地显示地质体构造走向及边界位置，提出了地磁总场梯度的概念。从数学上来说梯度自身是标量函数在某一点的 3 个正交方向的导数所组成的向量，3 个正交方向的某一个方向导数成为该方向的梯度。在实际测量中可以采用两个总场磁力仪间隔一定距离，将两个磁力仪测量值做差再除以探头间的距离，来计算该方向上的总场梯度。由于两个探头间的距离远远小于测线长度，因此一阶差分近似代替总场方向导数是可行的。

测量精度为了获得较高的匹配精度，选择合适的匹配特征量尤为重要。在地磁场的短期变化中，地磁日变和磁暴等对地磁测量精度的影响较大，在选择匹配特征量时应当考虑到其受地磁短期变化的影响程度及长期稳定性。结合现有的磁测设备来看，地磁总场标量的测量精度最高，总场的相关分量及磁倾角和磁偏角因涉及到姿态矩阵变换等问题，测量精度普遍偏低。地磁总场梯度的测量精度与地磁总场相当，但又有其特有的优势。首先，地磁总场梯度不受外源场变化的影响，地磁日变会在两个磁力仪做差过程中被消除。

场梯度类型生态场的场梯度生态是生物与生物之间以及生物与环境之间相互作用的时空范围。植物周围都存在一定形式的生态场。生态场的分布与作用形式是以场的基本特征函数—生态势描述的用生态势能刻划生态场中任意点场的作用强度和分布形式。生态场的另一个重要性质是有梯度的存在,生态场梯度实际描述了植物对周围作用强度的空间变化率,反映植物生态场分布的动态变化过程。生态场区别于经典物理场的重要特征是,形成场的场源为有自身生长发育节律的生物。因而植物生态场的某些特征呈现季节性变化。本文对羊草地上部生态场的生态势、场梯度的定义、特征及其季节性行为变化规律进行了较深入的分析探讨。羊草地上部分生态场的生态势植物之间的相互作用过程十分复杂,具有多组分、多变量和多水平特征川,因而要求建立的模型,既应表征生态场性质,又能便于运算、可测。植物生态场中任意点的生态势决定于3方面因素,第一是场源植物本身的生长状态(以相对生长速率表示);第二是场源生态场作用的衰减(用势消减系数表示);第三是某点的资源利用效力(以资源生成位表示)。这3方面因素综合作用构成了植物生态势。显然生态势表明了植物群落或生态场中植物或某处潜在植物生长过程中受到的压力。那么生态场可定义为:生态场中任意一点受到来自场源植物与生境因子综合作用的量度。羊草个体植株形成的生态势,随与场源羊草的作用距离而发生变化分析结果表明:地上部生态势同场源羊草某一时刻或一段时间的相对生长速率成正比,即个体植株越高,生长越旺盛,生物量、叶面积越大,它对周围作用越强,也就形成较高的生态势。理论分析可见,羊草生态场中任意点的生态势与该处的资源利用效力成反比关系。即生态场或植物群落中,某处资源越丰富,可利用性越高(水分、光照、营养充足),其它相邻植物在该处形成生态势越小,对这处作用减弱川。本实验测得的资源生态位值(同一季节)并无明显的规律性变化,这主要是由于取样差异造成的,所以羊草生态势变化曲线并不能反映资源利用效率的影响规律。羊草地上部生态势与势消减系数密切相关。势消减系数方程表明,场或生态势作用是随与羊草的距离增大而减弱曲线都表征随与羊草远离的势值衰减变化,这种变化形式是一株羊草形成的生态势,在作用距离决定势消减系数取决于场源植物的作用距离、植株高度和参数。那么距离羊草越近,势值越高;植株越大,势值越高。参数反映羊草个体的生物学形态分布特性,它对生态势的影响体现在对势变化曲线形状上。不同羊草个体植株,其参数不同,势值变化速度有异,而对势值大小(最大值)无影响。1

地球物理场梯度应用地球物理资料进行地质体边界的精确定位是地质填图中的一项基础性工作。它不仅可以刻画岩性的变化,而且还可以提供有关构造体系、变形样式等丰富的地下地质信息。另外,边界位置信息与地球物理场资料、地质资料的联合使用可以大大提高单一资料的解释能力,得到更加丰富、全面的地下地质信息,提高地质填图的质量。几乎所有的位场边界定位方法都是基于计算和追踪某个位场变换函数的极大值进行的。磁源重力的水平梯度模描述了基底岩石的磁性变化。进一步探讨了水平总梯度模的极大值法确定密度体和磁性体边界的方法,并认为在假定了密度体或磁性体边界为单个垂直边界的情况下,重力异常或磁源重力异常的水平总梯度模在边界上正好取极大值,可据此确定地质体的边界位置。但当地质体边界不垂直时,水平总梯度模的极大值就会偏离边界位置,且对于很薄的地质体,水平总梯度模的极大值也不能反映它们的位置。

位场边界定位方法大多是基于计算和追踪某个位场变换函数的极大值进行的。传统的求导方法(hgm,AS,LW)的振幅与异常的振幅是紧密联系的,因深源位场异常不明显,故很难探测出深源的边界。而Tilt水平总梯度模(Tilt-hgm)方法需要计算二次导数,因此对于数据的质量要求更高。基于位场梯度的归一化标准差(NSTD)方法是一种从统计角度提出的方法。当数据比较平滑时,标准差的值较小;而当数据变化较大时(例如边界的存在),它的值就会较大,所以这种方法可以用于边界定位。另外,归一化计算可以同时突出深层边界产生的弱异常。模型试算及实际位场资料的处理2。

水下场梯度21 世纪以来，随着现代军事技术的不断发展，水下载体的导航技术是各国研究的重点。出于隐蔽性的考虑，常常需要载体在水下潜航数月从而无法上浮水面接收 GPS 信息。传统惯性导航系统在没有 GPS辅助修正下，难以实现长时间精确导航，同时基于地形匹配、图像匹配等导航技术在水下环境中也有其局限性。地磁场及其相关要素在空间分布的多样性和高性能的磁测设备出现，使得利用地磁场特征量实现匹配导航成为可能。通过与惯导系统组合导航，可以在无 GPS 辅助下有效抑制惯导系统漂移误差，大大提高水下载体的生存能力和定位精度。目前地磁导航的匹配特征量大多采用地磁总场。如哈尔滨工程大学的康崇教授团队利用水下机器人搭载的 CS－L 磁力仪获得了吉林松花湖水域 10 m 深处地磁总场数据并进行了匹配导航算法仿真，使修正后的航迹夹角误差降低了 30%以上。国防科技大学的胡小平教授团队同样选取地磁总场作为匹配特征量并进行了水下匹配实验，经过磁补偿后的匹配精度达到了 139 m。随着磁测技术的提高以及地磁场模型理论的不断完善，研究人员发现除地磁总场外的其他地磁特征量包含着更丰富的匹配信息。地磁总场梯度模制作了地磁基准图。3

场梯度应用地磁基准图数据集的统计特性，体现了匹配特征量的空间分布情况，进而反映了匹配概率和精度。目前描述地磁基准图的性能指标较多，主要有地磁标准差、峰态系数、偏态系数、地磁费歇信息量、粗糙度、粗糙方差比、相关长度、地磁编码失真等，这些指标所针对的角度也互不相同在匹配过程中数据积累阶段，经典 MSD 算法忽略了轨迹在短时间内的航向变化，认为惯导仅仅积累了定位误差而没有考虑航向误差，也就是基于惯导航迹与真实航迹平行的假设。但是当航向误差不断变大，基于平行假设的经典算法误差随之累计，最终的结果是算法结果发散，导致匹配失败。过对比地磁总场梯度基准图和地磁总场基准图的性能指标，得到了地磁总场梯度基准图数据分布均匀、起伏明显、可用信息丰富的结论，若采用地磁总场梯度作为匹配特征量将会获得更高的配精度。同时经典 MSD 匹配算法的抗旋转性较差，提出基于旋转变换的改进算法能够很好地解决这个问题。仿真结果表明了利用地磁总场梯度进行匹配的可行性及算法的抗噪声性能良好; 在存在航向误差的条件下，改进后的匹配算法相比与经典 MSD 算法，定位精度提高，且算法收敛性较好，验证了改进算法的有效性。

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所