投放式聲學都卜勒海流剖面儀觀測資料的後處理方法
2023-06-01 13:07:46
專利名稱：投放式聲學都卜勒海流剖面儀觀測資料的後處理方法
技術領域：
投放式聲學都卜勒海流剖面儀(Lowered Acoustic Doppler CurrentProfiler，即LADCP)觀測資料的後處理方法。
背景技術：
LADCP是近年國際海流監測技術領域興起的一種新的觀測儀器，國內各主要海洋機構也都對其進行了引進。然而，LADCP的生產廠家只能提供相關的初處理軟體(僅能實現聲信號的轉化)，對其資料後處理卻無能為力，目前的基本狀況如下1)LADCP儀器的觀測目的是獲得海流運動的絕對速度剖面，但其的觀測特點卻是在運動過程中實現對海流矢量的測量，並且在觀測過程中LADCP儀器本身的運動速度一般都比較大(與所觀測水體的運動速度同量級或大一個量級)，所以，LADCP的直接觀測結果只能是海流相對於運動著的儀器的速度。對於LADCP的資料後處理而言，最直接的想法就是先測得LADCP儀器本身運動的速度，但是，在目前的技術條件下，還難於對水下運動的LADCP儀器進行高精度的速度測量。因此，第一個問題就產生了如何在未知LADCP儀器本身運動速度的條件下求得海流運動的絕對速度剖面？2)多儀器同步觀測已經成為海洋調查領域比較流行的趨向，基於這種考慮，LADCP儀器在先天的硬體設計方面就沒有攜帶壓力、電導等傳感器，使其本身不能確定出觀測過程中不同觀測時刻的位置，所以，LADCP觀測實際上是LADCP、溫鹽深儀(Conductivity-Temperature-Depth System，即CTD)和全球定位系統(Global Position System，即GPS)構成的一個完整LADCP觀測系統。因此，第二個問題就產生了如何實現LADCP、CTD和GPS三種觀測資料的合理融合？以上問題的解決既涉及LADCP儀器本身的技術問題、又涉及物理海洋學研究的海流運動問題，更與海洋現場調查的具體實現有著密切的關係，是LADCP資料後處理的關鍵所在。由於其解決的困難，使得大量的LADCP觀測資料得不到客觀、有效的處理，從而造成極大的資源浪費。
發明內容
本發明的目的是提供一種客觀、有效的LADCP資料後處理方法，以實現根據現場同步觀測所得的LADCP、CTD和GPS原始資料，在未知LADCP儀器本身運動速度條件下獲得海流運動的絕對速度剖面，使LADCP觀測所得的大量實測資料能夠得以充分利用。
本發明首先對LADCP、CTD和GPS的原始資料進行初處理，實現三種資料的同步性融合；接著鑑於LADCP的「瓦迭式資料」特點和「同剖面內相鄰兩水層的測量值之差等於絕對速度之差」的特性，把LADCP的所有觀測值轉化為各相鄰觀測水層的垂向切變流速；然後由「底跟蹤法」求取觀測水柱內由表及底的絕對流速剖面；再由「GPS法」求取觀測水柱內由底及表的絕對流速剖面；最後，把上述所得的兩類絕對流速剖面通過權重耦合進行合成，就得到了整個觀測水柱的海流運動絕對速度剖面。
圖1本發明中LADCP瓦迭式資料示意圖(其中每條豎線代表LADCP測量的一個速度剖面)圖2本發明的具體實施流程圖具體實施方式
本發明的具體實施流程圖如圖2。
1.資料初處理，其中包括LADCP資料初處理、CTD資料初處理和GPS資料初處理，並實現它們的同步性融合。其具體步驟如下a.LADCP資料初處理利用儀器廠家提供的BBLIST1.0以上版本的LADCP資料初處理軟體，進行觀測資料的聲信號轉化，並處理成1秒鐘1個剖面(把LADCP每一次觀測的所有結果叫做一個剖面)的時序資料。
b.CTD資料初處理利用儀器廠家提供的軟體(每種CTD都有其廠家匹配的資料處理軟體)進行資料初處理，並處理成1秒鐘1個資料(把CTD每一次觀測的所有結果叫做一個樣本，若干樣本的平均結果叫做一個資料)的時序資料。
c.GPS資料初處理從GPS觀測資料中提取出和LADCP/CTD觀測過程相同步的定位信息，處理成1秒鐘1個資料(把GPS每個時刻接收到的所有結果叫做一個樣本，若干樣本的平均結果叫做一個資料)的時序資料。
d.三種資料的同步性融合由於LADCP和CTD的觀測過程是同步進行的，所以它們的出、入水點是一致的，據此把1秒鐘1個資料的CTD時序資料同步融合到1秒鐘1個剖面的LADCP時序資料中去。
2.把LADCP的所有觀測值轉化為各相鄰觀測水層的垂向切變流速a.LADCP「瓦迭式資料」特點如果把聲學都卜勒海流剖面儀(ADCP)的觀測效果看成是一串海流計的作用，那麼LADCP的實際觀測就象是拖著這串海流計在做下放和上升的運動。如果把LADCP的一次觀測叫做一個剖面，把每個剖面內任一水層的所有觀測數據叫做一個資料，那麼LADCP的觀測結果中就會出現剖面與剖面的續連以及資料與資料的交錯，特別是一個個相繼的速度剖面，就如同屋頂瓦片的迭置一樣，因此稱之為「瓦迭式資料」(圖1)。
b.LADCP觀測資料的特性基於「瓦迭式資料」，可以發現LADCP每個剖面的測量過程非常短暫(通常為0.1s-0.3s)，以至於儀器本身在這段時間內的速度變化量非常微小，從而可以把LADCP儀器在這段時間內的運動速度作為一個常量。所以，在LADCP觀測的任意一個相同的剖面內，各觀測水層的速度關係可以表述如下Va1＝VL+V1Va2＝VL+V2Va3＝VL+V3Va4＝VL+V4……其中Va1、Va2等是各水層的絕對速度，VL是LADCP儀器本身的運動速度，V1、V2等是各水層LADCP的測量值，則Va1-Va2＝V1-V2Va2-Va3＝V2-V3Va3-Va4＝V3-V4……由這些式子看出「同剖面內相鄰兩水層的LADCP測量值之差就等於該兩水層的真實速度之差」。這是LADCP觀測資料最為基本的特性，也是本步驟得以實現最為關鍵的依據。如此以來，雖然LADCP的直接測量值不能反映海流運動的客觀屬性，但其同剖面內相鄰兩水層的測量值之差卻是海流運動特性的真實體現。
c.據以上所述，把LADCP的所有觀測值轉化為各相鄰觀測水層的垂向切變流速分別針對LADCP觀測的每一個剖面，把各相鄰水層的LADCP測量值進行相減，得到它們之間的速度切變量，進而除以層厚得到相應的切變率。這樣一來，就在觀測水柱的每一水層上得到若干的切變率值。值得指出的是，由於海水的垂向運動速度一般都很小，LADCP這種測量方式幾乎難於予以分辨，所以本說明書中所提及的速度是指海水的水平運動速度，切變率是指水平速度的垂向切變率。
3.「底跟蹤法」求取水柱內由底及表的絕對流速剖面，其具體步驟如下a.從融合後的LADCP資料序列中提取出帶有底跟蹤信息的資料；b.選擇近底層為參考層，求取觀測水柱內各水層相對於它的相對流速首先對每一水層的所有切變率值進行高斯分布檢驗，然後對置信度為0.95的置信區間進行數據算術平均或其它統計平均，從而求得該水層的流速度切變率；依此繼續，求出所有水層的流速切變率；從參考層開始，對切變率值按照從底層到表層的順序進行深度遞推式積分，得到每一水層相對於參考層的相對流速；c.基於底跟蹤信息資料求取近底參考層的絕對流速LADCP的底跟蹤信息(只有在近底層附近時才能獲取)是指LADCP觀測所得的海底相對於LADCP儀器的速度V底跟蹤，而對於大地坐標系而言，海底是靜止不動的，所以，這類觀測值的反向值其實就是LADCP儀器自身運動的速度V測，把它和LADCP測量值直接相互作用就可以求出參考層的絕對速度V參考層V參考層＝V測-V底跟蹤(1)d.求取觀測水柱內由底及表的絕對流速剖面以上得到了參考層的絕對流速和每一水層相對於參考層的相對流速，求取整個水柱的絕對流速剖面只需對每一水層應用下面的簡單公式Vn-絕對＝V參考+Vn-相對於參考層(2)其中n代表觀測水柱內的每一個水層。
4.「GPS法」求取水柱內由表及底的絕對流速度剖面，其具體步驟如下a.從融合後的LADCP資料序列中提取出帶有GPS信息的資料；b.選擇近表層為參考層，求取觀測水柱內各水層相對於它的相對流速
首先對每一水層的所有切變率值進行高斯分布檢驗，然後對置信度為0.95的置信區間進行數據算術平均或其它統計平均，從而求得該水層的流速切變率；依此繼續，求出所有水層的流速度切變率；從參考層開始，對切變率值按照從表層到底層的順序進行深度遞推式積分，得到每一水層相對於參考層的相對流速；c.基於GPS信息資料求取近表參考層的絕對流速在GPS信息的利用方面，最直接的想法是把GPS的定位信息直接運用到LADCP儀器本身的速度確定上。但是，不僅GPS的定位精度達不到這種使用的要求，而且LADCP儀器本身和GPS天線之間還存在著非常顯著的相對運動，所以GPS的定位信息不能直接運用到LADCP儀器自身速度的確定上。然而，在LADCP的測量過程中，總可以做到使LADCP從測船的某一位置入水，再從相同的位置出水，也即「LADCP和測船的相對位置在入水時和出水時是保持不變的」。所以，在整個測量過程中，LADCP儀器本身速度VLADCP的時間積分就等於測船的水平位移，其公式表達如下0TVLADCPdt=XshipT-Xship0=DXship--(3)]]>其中XshipT是指出水點的測船位置，Xship0是指入水點的測船位置，DXship是指整個測量過程中測船的水平位移。
以此為該部分的設計依據，利用GPS信息資料求取近表層參考絕對流速剖面的具體步驟如下i.首先，對於任一特定水層的絕對速度V絕對，既可以用LADCP儀器本身速度VLADCP與LADCP測量值V測的和來表徵V絕對＝VLADCP+V測(4)也可以用參考層速度V絕對與相對於參考層速度V相對對於參考層的和來表徵V絕對＝V參考層+V相對於參考層(5)所以可得
V參考層＝VLADCP+V測-V相對於參考層(6)ii.把上式對整個測量過程的時間間隔T進行積分，並結合(3)式，可得 上式右邊第一項由GPS信息資料進行確定，第二項和第三項則由LADCP的測量值和前述處理步驟中直接獲取。如此以來，在GPS定位信息不能直接運用到LADCP儀器自身速度確定的情況下，考慮整個測量過程，利用LADCP在入水時和出水時和測船相對位置的不變性，求出了近表參考層的速度。
d.求取觀測水柱內由表及底的絕對流速剖面將以上得到的參考層絕對流速和每一水層相對於參考層的相對流速合成在一起，就得到整個水柱內每一水層的絕對流速，其公式表達為Vn-絕對＝V參考+Vn-相對於參考層(8)其中n代表觀測水柱內的每一個水層。
5.通過權重耦合獲得整個觀測水柱的海流運動絕對速度剖面不論是「底跟蹤法」，還是「GPS法」，在求取觀測水柱海流運動絕對速度剖面的過程中，都涉及了相應的積分過程，這樣隨著積分過程的延長就必然造成測量誤差的累積效應。然而，「底跟蹤法」是由底層向表層積分，誤差累積向上增長；「GPS法」則是由表層向底層積分，誤差累積向下增長。所以，可以根據它們這種誤差累積的逆向順序，進行相應的耦合處理，實現誤差趨小的過程控制，其具體步驟如下a.把由「底跟蹤法」得到的整個觀測水柱的海流運動絕對速度剖面稱為「底跟蹤剖面」；把由「GPS法」得到的整個觀測水柱的海流運動絕對速度剖面稱為「GPS剖面」；對它們進行格式統一化處理，即實現各水層的資料點位置相統一，整個資料序列的間隔和長度相統一。
b.「基準資料段」的耦合對比分析「底跟蹤剖面」和「GPS剖面」，求取它們之間速度最為接近的資料段(一般位於中段)，稱其為「基準資料段」。對該段資料進行耦合中各自權重皆取為50％，合成得到該段各水層的絕對流速。
c.從「基準資料段」往下直到近底層的耦合確定「底跟蹤剖面」從「基準資料段」往下直到近底層的各水層的權重係數從50％線性遞增至100％；確定「GPS剖面」從「基準資料段」往下直到近底層的各水層的權重係數從50％線性遞減至0％；然後各水層分別合成，得到該段各水層的絕對流速。
d.從「基準資料段」往上直到近表層的耦合確定「底跟蹤剖面」從「基準資料段」往上直到近表層的各水層的權重係數從50％線性遞減至0％；確定「GPS剖面」從「基準資料段」往上直到近表層的各水層的權重係數從50％線性遞增至100％；然後各水層分別合成，得到該段各水層的絕對流速。
綜上所述，由此構築的本發明可根據現場同步觀測所得的LADCP、CTD和GPS原始資料，在未知LADCP儀器本身運動速度的條件下獲得海流運動的絕對速度剖面。使我國投放式聲學都卜勒海流剖面儀觀測的大量資料有望得以充分利用。
權利要求
1.投放式聲學都卜勒海流剖面儀觀測資料的後處理方法，其特徵是首先對LADCP、CTD和GPS的原始資料進行初處理，實現三種資料的同步性融合；接著鑑於LADCP的「瓦迭式資料」特點和「同剖面內相鄰兩水層的測量值之差等於絕對速度之差」的特性，把LADCP的所有觀測值轉化為各相鄰觀測水層的垂向切變流速；然後由「底跟蹤法」求取觀測水柱內由表及底的絕對流速剖面；再由「GPS法」求取觀測水柱內由底及表的絕對流速剖面；最後，把上述所得的兩類絕對流速剖面通過權重耦合進行合成，就得到了整個觀測水柱的海流運動絕對速度剖面。
2.如權利要求1所述的觀測資料的後處理方法，其特徵在於上述的原始資料初處理，是將LADCP資料、CTD資料和GPS資料分別處理成1秒鐘1個剖面、1秒鐘1個資料和1秒鐘1個資料，並把1秒鐘1個資料的CTD時序資料同步融合到1秒鐘1個剖面的LADCP時序資料中去。
3.如權利要求1所述的觀測資料的後處理方法，其特徵在於上述的把LADCP的所有觀測值轉化為各相鄰觀測水層的垂向切變流速，是分別針對LADCP觀測的每一個剖面，把各相鄰水層的LADCP測量值進行相減，得到它們之間的速度切變量，進而除以層厚得到相應的切變率，於是就在觀測水柱的每一水層上得到若干的切變率值，即水平速度的垂向切變率。
4.如權利要求1所述的觀測資料的後處理方法，其特徵在於上述的「底跟蹤法」求取水柱內由底及表的絕對流速剖面，其步驟如下a.從融合後的LADCP資料序列中提取出帶有底跟蹤信息的資料；b.選擇近底層為參考層，求取觀測水柱內各水層相對於它的相對流速；c.基於底跟蹤信息資料求取近底參考層的絕對流速；d.以如下公式求取觀測水柱內由底及表的絕對流速剖面Vn-絕對＝V參考+Vn-相對於參考層其中n代表觀測水柱內的每一個水層。
5.如權利要求1所述的觀測資料的後處理方法，其特徵在於上述的「GPS法」求取水柱內由表及底的絕對流速度剖面，其步驟如下a.從融合後的LADCP資料序列中提取出帶有GPS信息的資料；b.選擇近表層為參考層，求取觀測水柱內各水層相對於它的相對流速；c.利用LADCP在入水時和出水時測船相對位置的不變性，以如下公式 求出了近表參考層的速度；d.以公式求取觀測水柱內由表及底的絕對流速剖面Vn-絕對＝V參考+Vn-相對於參考層
6.如權利要求1所述的觀測資料的後處理方法，其特徵在於上述的通過權重耦合獲得整個觀測水柱的海流運動絕對速度剖面，其步驟是a.把由「底跟蹤法」得到的整個觀測水柱的海流運動絕對速度剖面稱為「底跟蹤剖面」；把由「GPS法」得到的整個觀測水柱的海流運動絕對速度剖面稱為「GPS剖面」；對它們進行格式統一化處理，即實現各水層的資料點位置相統一，整個資料序列的間隔和長度相統一；b.「基準資料段」的耦合對比分析「底跟蹤剖面」和「GPS剖面」，求取它們之間速度最為接近的資料段，稱其為「基準資料段」，對該段資料進行耦合中各自權重皆取為50％，合成得到該段各水層的絕對流速；c.從「基準資料段」往下直到近底層的耦合確定「底跟蹤剖面」從「基準資料段」往下直到近底層的各水層的權重係數從50％線性遞增至100％；確定「GPS剖面」從「基準資料段」往下直到近底層的各水層的權重係數從50％線性遞減至0％；然後各水層分別合成，得到該段各水層的絕對流速；d.從「基準資料段」往上直到近表層的耦合確定「底跟蹤剖面」從「基準資料段」往上直到近表層的各水層的權重係數從50％線性遞減至0％；確定「GPS剖面」從「基準資料段」往上直到近表層的各水層的權重係數從50％線性遞增至100％；然後各水層分別合成，得到該段各水層的絕對流速。
7.如權利要求4所述的觀測資料的後處理方法，其特徵在於上述的求取觀測水柱內各水層相對於它的相對流速的步驟是首先對每一水層的所有切變率值進行高斯分布檢驗，然後對置信度為0.95的置信區間進行數據算術平均或其它統計平均，從而求得該水層的流速切變率；依此繼續，求出所有水層的流速度切變率；從參考層開始，對切變率值按照從底層到表層的順序進行深度遞推式積分，得到每一水層相對於參考層的相對流速。
全文摘要
投放式聲學都卜勒海流剖面儀觀測資料的後處理方法。首先對LADCP、CTD和GPS的原始資料初處理，實現它們的同步性融合；接著把LADCP的所有觀測值轉化為各相鄰觀測水層的垂向切變流速；然後由「底跟蹤法」求取觀測水柱內由表及底的絕對流速剖面；再由「GPS法」求取觀測水柱內由底及表的絕對流速剖面；最後，把上述所得的兩類絕對流速剖面通過權重耦合為整個觀測水柱的海流運動絕對速度剖面。本發明的特點是可根據現場同步觀測所得的LADCP、CTD和GPS原始資料獲得海流運動的絕對速度剖面。使我國投放式聲學都卜勒海流剖面儀觀測的大量資料有望得以充分利用。
文檔編號G01S15/00GK1614442SQ20041009674
公開日2005年5月11日 申請日期2004年12月6日 優先權日2004年12月6日
發明者熊學軍, 胡筱敏, 郭炳火 申請人:國家海洋局第一海洋研究所