CN104166130A - 利用布里渊频移和线宽同步反演海水温度和盐度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过布里渊频移和布里渊线宽同步反演海水温度、盐度的方法，本发明包括以下步骤：第一步是根据已有公式计算出一定范围温度和盐度下的布里渊频移和布里渊线宽；第二步根据建立的布里渊频移和布里渊线宽反演温度和盐度的数学模型，通过拟合第一步得到的值获得模型中的参数；第三步，得到所述温度和盐度的数学模型即温度与布里渊频移、线宽的关系式和盐度与布里渊频移、线宽的关系式，测量得到布里渊频移和布里渊线宽即可计算出海水的温度和盐度。本发明克服了单一使用频移或线宽反演带来的结果不准确的问题，提高了结果的准确度，实现了利用布里渊频移和布里渊线宽这两个参数同步精确反演。

Description

利用布里渊频移和线宽同步反演海水温度和盐度的方法

技术领域

本发明属于海水测量技术领域，更具体地，涉及一种利用布里渊频移和线宽同步反演海水温度和盐度的方法，能够准确地同时使用布里渊频移和布里渊线宽反演海水的温度和盐度，可用于海洋环境检测、气象遥感等部门。

背景技术

激光的布里渊散射是测量一些物理参数的重要工具，它已经在光纤及大气、海洋等领域得到了应用。布里渊雷达系统使用了法布里珀罗标准具及增强型电荷耦合器件，近年来，布里渊雷达系统已经应用于如海洋温度、盐度等一些海洋参数的测量，激光回波信号通过法布里珀罗标准具之后形成法布里珀罗干涉圆环，由增强型电荷耦合器件记录法布里珀罗干涉圆环图像，对法布里珀罗干涉圆环图像进行处理，得到法布里珀罗干涉光谱图像，通过对法布里珀罗干涉光谱图像进行处理，得到布里渊频谱参数，如布里渊频移和布里渊线宽，再由这些频谱参数反演出海水的温度、盐度等参数。

目前，已经有利用布里渊频移来反演海水的温度的方法，这种方法是将盐度值和频移值作为反演海水温度的参数，通过固定盐度值来计算温度值，在不知道盐度的情况下，这种方法就不可取。而且，由于海洋温度和盐度与频移和线宽有关，当忽略线宽的影响时，结果将变得不准确。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用布里渊频移和布里渊线宽同步反演海水温度和盐度的方法。目的是实现频移和线宽两个参数同步反演得到的海水温度和盐度，并提高结果的准确度。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用布里渊频移和布里渊线宽反演海水温度和盐度的方法，具体包括如下步骤：

第一步：根据布里渊频移和布里渊线宽与海水温度和盐度的关系式分别计算出在一定温度和盐度范围内的布里渊频移和布里渊线宽值，所述计算布里渊频移的关系式为：

$\begin{array}{c}{V}_B=\±\frac{2[n_0+S(n_1+n_{2}T+n_3{T}^2)+n_4{T}^2+\frac{n_5+n_{6}S+n_{7}T}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}}+\frac{n_8}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}^2}+\frac{n_9}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}^3}]}{\mathrm{\λ}}\×\\ [c_0+c_{1}T+c_2{T}^2+c_3{T}^3+c_{4}S+c_5{S}^2+c_6\mathrm{TS}+c_7{T}^{2}S]\end{array}---\left(1\right)$

其中，S为盐度，T为温度，n_i(i＝0～9)和c_j(j＝0～7)为常系数，λ为单位为米的激光波长，λ_nano为单位为纳米的激光波长；

所述计算线宽的关系式为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Γ}}_B=\frac{1}{4\mathrm{\π\ρ}}\{\frac{4\mathrm{\π}[n_0+S(n_1+n_{2}T+n_3{T}^2)+n_4{T}^2+\frac{n_5+n_{6}S+n_{7}T}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}}+\frac{n_8}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}^2}+\frac{n_9}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}^3}]}{\mathrm{\λ}}{\}}^2\\ \×[\frac{4}{3}{\mathrm{\η}}_s+{\mathrm{\η}}_b]{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)\end{array}---\left(2\right)$

其中，ρ是海水的密度，n_i(i＝0～9)同公式(1)，η_s是海水剪切粘滞系数，η_b是海水的体粘滞系数，θ是散射角。

通过所述公式(1)和(2)计算出在一定范围内的温度和盐度对应的布利渊频移值和布里渊线宽值。

第二步：确定温度与布里渊频移、布里渊线宽的拟合关系式和盐度与布里渊频移、布里渊线宽的拟合关系式，分别利用温度拟合关系式和盐度拟合关系式，拟合所述第一步得到的结果，得到所述温度拟合关系式和盐度拟合关系式中的待拟合参数，其中，所述温度与布里渊频移、布里渊线宽的拟合关系式为：

$T=t_1+t_2\·V_B+\frac{t_3}{{\mathrm{\Γ}}_B}+t_4\·V_B^2+\frac{t_5}{{\mathrm{\Γ}}_B^2}+\frac{t_6\·V_B}{{\mathrm{\Γ}}_B}+t_7\·V_B^3+\frac{t_8}{{\mathrm{\Γ}}_B^3}+\frac{t_9\·V_B}{{\mathrm{\Γ}}_B^2}+\frac{t_{10}\·V_B^2}{{\mathrm{\Γ}}_B}---\left(3\right)$

其中，t_x(x＝1～10)是待拟合参数；

所述盐度与布里渊频移、布里渊线宽的拟合关系式为：

$S=s_1+\frac{s_2}{V_B}+\frac{s_3}{V_B^2}+\frac{s_4}{V_B^3}+\frac{s_5}{V_B^4}+\frac{s_6}{V_B^5}+s_7\·\ln {\mathrm{\Γ}}_B+s_8\·{\ln }^2{\mathrm{\Γ}}_B+s_9\·{\ln }^3{\mathrm{\Γ}}_B+s_{10}\·{\ln }^4{\mathrm{\Γ}}_B+s_{11}\·{\ln }^5{\mathrm{\Γ}}_B---\left(4\right)$

其中，s_y(y＝1～11)是待拟合参数。

通过拟合，得到所述关系式中的待拟合参数t_x(i＝1～10)和s_y(i＝1～11)。得到待拟合参数后，带入所述关系式(3)和(4)，得到最终的反演关系式。

第三步：根据第二步中得到的所述温度拟合关系式和盐度拟合关系式中的待拟合参数，得到所述温度拟合关系式和盐度拟合关系式，获得待测海水的布里渊频移和布里渊线宽，利用所述温度和盐度的拟合关系式计算出海水的温度和盐度。

本发明通过所述第一步、第二步和第三步得到利用布里渊频移和布里渊线宽同步反演温度和盐度的方法，本方法在得到布里渊频移和布里渊线宽的情况下，能够同时反演出温度和盐度，其中反演温度时克服了现有方法中须知盐度这一条件，同时本方法利充分利用了与温度、盐度相关的布里渊线宽，由布里渊频移和布里渊线宽反演得到的温度和盐度准确度高。

附图说明

图1为本发明利用布里渊频移和线宽同步反演海水温度和盐度的方法流程图；

图2为本发明一实施例中不同盐度下不同温度与理论温度的差值；

图3为本发明一实施例中不同温度下不同盐度与理论盐度的差值。

具体实施方式

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种利用海水的布里渊频移和布里渊线宽同步反演海水温度盐度的方法，包括下列步骤：

首先通过布里渊频移与温度、盐度的关系式：

$\begin{array}{c}{V}_B=\±\frac{2[n_0+S(n_1+n_{2}T+n_3{T}^2)+n_4{T}^2+\frac{n_5+n_{6}S+n_{7}T}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}}+\frac{n_8}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}^2}+\frac{n_9}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}^3}]}{\mathrm{\λ}}\×\\ [c_0+c_{1}T+c_2{T}^2+c_3{T}^3+c_{4}S+c_5{S}^2+c_6\mathrm{TS}+c_7{T}^{2}S]\end{array}$

和布里渊线宽与温度、盐度的关系式：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Γ}}_B=\frac{1}{4\mathrm{\π\ρ}}\{\frac{4\mathrm{\π}[n_0+S(n_1+n_{2}T+n_3{T}^2)+n_4{T}^2+\frac{n_5+n_{6}S+n_{7}T}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}}+\frac{n_8}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}^2}+\frac{n_9}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}^3}]}{\mathrm{\λ}}{\}}^2\\ \×[\frac{4}{3}{\mathrm{\η}}_s+{\mathrm{\η}}_b]{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)\end{array}$

计算出不同温度和盐度条件下的频移和线宽值。

在本实例中，激光波长λ＝532x10^-9m，散射角θ＝180°。其中的频移公式中n_i(i＝0～9)和c_j(j＝0～7)的值如表1所示。

表1 布里渊频移关系式中n_i(i＝0～9)和c_j(j＝0～7)的值

n0＝1.31405	n1＝1.779×10-4	c0＝1402.39	c1＝5.0111
				n2＝-1.05×10-6	n3＝1.6×10-8	c2＝-5.5095×10-2	c3＝2.2154×10-4
n4＝-2.02×10-6	n5＝15.868	c4＝1.3295	c5＝1.2896×10-4
				n6＝0.01155	n7＝-0.00423	c6＝-1.2756×10-2	c7＝9.6840×10-6
n8＝-4328	n9＝1.1455×106

布里渊线宽关系式中n_i(i＝0～9)的值如表1所示，密度ρ的公式如下:

$\mathrm{\ρ}=\underset{p=0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{p1}{T}^p+S\underset{p=0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{p2}{T}^p+S^{3/2}\underset{p=0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{p3}{T}^p+a_{04}{S}^2$

其中的系数a_pq(p＝0～5,q＝1～4)如表2所示

表2 水密度公式中系数a_pq(p＝0～5,q＝1～4)

布里渊线宽关系式中的剪切粘滞系数η_s的公式为：

${\mathrm{\η}}_s=0.1[\underset{e=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_e{T}^e+S\underset{e=0}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{R}_e{T}^e]$

其中，Q_e(e＝0～3)和R_e(e＝0～3)的系数如表3所示

表3 剪切粘滞系数中的系数Q_e(e＝0～3和R_e(e＝0～3)

布里渊线宽关系式中体粘滞系数的公式如下：

η_b＝(4.8840-0.2488T+7.3×10^-3T²-0.6125×10^-5T³)·η_s

本例中，温度T的取值为0℃到30℃，取值间隔为5℃；盐度的取值为0‰到35‰，取值间隔为5‰。得到不同温度和盐度情况下的布里渊频移和布里渊线宽如表4和表5所示。

表4 不同温度和盐度下得到的频移值V_B(GHz)

表5 不同温度和盐度下得到的线宽值Γ_B(GHz)

再通过温度和盐度分别与布里渊频移和布里渊线宽的关系式拟合这些数据，其中温度与布里渊频移和布里渊线宽的关系式为：

$T=t_1+t_2\·V_B+\frac{t_3}{{\mathrm{\Γ}}_B}+t_4\·V_B^2+\frac{t_5}{{\mathrm{\Γ}}_B^2}+\frac{t_6\·V_B}{{\mathrm{\Γ}}_B}+t_7\·V_B^3+\frac{t_8}{{\mathrm{\Γ}}_B^3}+\frac{t_9\·V_B}{{\mathrm{\Γ}}_B^2}+\frac{t_{10}\·V_B^2}{{\mathrm{\Γ}}_B}$

盐度与布里渊频移和布里渊线宽的关系式为：

$S=s_1+\frac{s_2}{V_B}+\frac{s_3}{V_B^2}+\frac{s_4}{V_B^3}+\frac{s_5}{V_B^4}+\frac{s_6}{V_B^5}+s_7\·\ln {\mathrm{\Γ}}_B+s_8\·{\ln }^2{\mathrm{\Γ}}_B+s_9\·{\ln }^3{\mathrm{\Γ}}_B+s_{10}\·{\ln }^4{\mathrm{\Γ}}_B+s_{11}\·{\ln }^5{\mathrm{\Γ}}_B$

拟合得到的温度关系式中的系数t_x(x＝1～10)如表6所示，盐度关系式中的系数s_y(y＝1～11)如表7所示：

表6 拟合得到的温度关系式中系数t_x(x＝1～10)

t1＝120.20	t2＝-43.253
		t3＝21.125	t4＝3.4079
t5＝-60.661	t6＝13.645
		t7＝-5.3609×10-3	t8＝3.6607
t9＝6.1565	t10＝-1.5792

表7 拟合得到盐度关系式中的系数s_y(y＝1～11)

s1＝7.18064353×105	s2＝2.71176747×107
		s3＝4.10067103×108	s4＝-3.10104773×109
s5＝1.17216990×1010	s6＝-1.77130230×1010
		s7＝42.8770135	s8＝-4.58265316
s9＝9.51343330	s10＝-11.3828414
		s11＝1.44472609

具体地，上述拟合算法可以为Levenberg-Marquardt法、Newton-Rapson法等拟合算法。

将得到的这些系数带入到相应的公式得到通过布里渊频移和布里渊线宽反演温度和盐度的关系式，利用这两个关系式，实现双参数同步反演。

为了验证通过本方法得到温度和盐度的准确性，对本方法得到的温度和盐度与理论温度和盐度进行了比较。得到不同盐度下不同温度与理论温度的差值和不同温度下不同盐度与理论的差值如图2和图3所示。

从图2中可以看出温度的最大的拟合误差范围为±0.08℃，从图3中可以看出盐度的最大拟合误差范围为±0.21‰，说明通过本方法得到温度和盐度能够满足高度精度测量。

本领域的技术人员容易理解，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。

Claims (5)

1.一种利用布里渊频移和布里渊线宽同步反演海水温度和盐度的方法，其特征在于，所述方法包括：

第一步：根据布里渊频移和布里渊线宽与海水温度和盐度的关系式分别计算出在一定温度和盐度范围内的布里渊频移和布里渊线宽值；其中所述计算布里渊频移的关系式为：

$\begin{array}{c}{V}_B=\±\frac{2[n_0+S(n_1+n_{2}T+n_3{T}^2)+n_4{T}^2+\frac{n_5+n_{6}S+n_{7}T}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}}+\frac{n_8}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}^2}+\frac{n_9}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}^3}]}{\mathrm{\λ}}\×\\ [c_0+c_{1}T+c_2{T}^2+c_3{T}^3+c_{4}S+c_5{S}^2+c_6\mathrm{TS}+c_7{T}^{2}S]\end{array}$

所述计算布里渊线宽的关系式为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Γ}}_B=\frac{1}{4\mathrm{\π\ρ}}\{\frac{4\mathrm{\π}[n_0+S(n_1+n_{2}T+n_3{T}^2)+n_4{T}^2+\frac{n_5+n_{6}S+n_{7}T}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}}+\frac{n_8}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}^2}+\frac{n_9}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{nano}}^3}]}{\mathrm{\λ}}{\}}^2\\ \×[\frac{4}{3}{\mathrm{\η}}_s+{\mathrm{\η}}_b]{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)\end{array}$

其中，S为海水盐度，T为海水温度，n_i(i＝0～9)和c_j(j＝0～7)为常系数，λ为单位为米的激光波长，λ_nano为单位为纳米的激光波长；ρ是海水的密度，η_s是海水剪切粘滞系数，η_b是海水的体粘滞系数，θ是散射角；

第二步：确定温度与布里渊频移、布里渊线宽的拟合关系式和盐度与布里渊频移、布里渊线宽的拟合关系式，分别利用温度拟合关系式和盐度拟合关系式作为拟合模型，以第一步的温度值、盐度值，以及计算得到的频移值和线宽作为拟合数据进行拟合，得到所述温度拟合关系式和盐度拟合关系式中的待拟合参数，其中，所述温度与布里渊频移、布里渊线宽的拟合关系式为：

$T=t_1+t_2\·V_B+\frac{t_3}{{\mathrm{\Γ}}_B}+t_4\·V_B^2+\frac{t_5}{{\mathrm{\Γ}}_B^2}+\frac{t_6\·V_B}{{\mathrm{\Γ}}_B}+t_7\·V_B^3+\frac{t_8}{{\mathrm{\Γ}}_B^3}+\frac{t_9\·V_B}{{\mathrm{\Γ}}_B^2}+\frac{t_{10}\·V_B^2}{{\mathrm{\Γ}}_B}$

其中，t_x(x＝1～10)是待拟合参数；

所述盐度与布里渊频移、布里渊线宽的拟合关系式为：

$S=s_1+\frac{s_2}{V_B}+\frac{s_3}{V_B^2}+\frac{s_4}{V_B^3}+\frac{s_5}{V_B^4}+\frac{s_6}{V_B^5}+s_7\·\ln {\mathrm{\Γ}}_B+s_8\·{\ln }^2{\mathrm{\Γ}}_B+s_9\·{\ln }^3{\mathrm{\Γ}}_B+s_{10}\·{\ln }^4{\mathrm{\Γ}}_B+s_{11}\·{\ln }^5{\mathrm{\Γ}}_B$

其中，s_y(y＝1～11)是待拟合参数；

第三步：根据第二步中得到的所述温度和盐度拟合关系式中的待拟合参数，得到所述温度和盐度的拟合关系式；获得待测海水的布里渊频移和布里渊线宽，利用所述温度和盐度拟合关系式计算出海水的温度和盐度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一步中常系数n_i(i＝0～9)和c_j(j＝0～7)的值为：

n₀＝1.31405 n₁＝1.779×10^-4 c₀＝1402.39 c₁＝5.0111 n₂＝-1.05×10^-6 n₃＝1.6×10^-8 c₂＝-5.5095×10^-2 c₃＝2.2154×10^-4 n₄＝-2.02×10^-6 n₅＝15.868 c₄＝1.3295 c₅＝1.2896×10^-4 n₆＝0.01155 n₇＝-0.00423 c₆＝-1.2756×10^-2 c₇＝9.6840×10^-6 n₈＝-4328 n₉＝1.1455×10⁶

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述密度ρ的公式为：

$\mathrm{\ρ}=\underset{p=0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{p1}{T}^p+S\underset{p=0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{p2}{T}^p+S^{3/2}\underset{p=0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{p3}{T}^p+a_{04}{S}^2,$ 其中所述系数a_pq(p＝0～5,q＝1～4)的值如下表：

a_p1 a_p2 a_p3 a_p4 p＝0 999.842594 0.824493 -5.72466×10^-3 4.8314×10^-4 p＝1 6.793952×10^-2 -4.0899×10^-3 1.0277×10^-4 0 p＝2 -9.095290×10^-3 7.6438×10^-5 -1.6546×10^-6 0 p＝3 1.001685×10^-4 -8.2467×10^-7 0 0 p＝4 -1.120083×10^-6 5.3875×10^-9 0 0

p＝5 6.536332×10^-9 0 0 0

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述剪切粘滞系数η_s的公式为：

其中系数Q_e(e＝0～3)和R_e(e＝0～3)的值如下：

Q_e R_e e＝0 1.790×10^-2 2.473×10^-5 e＝1 -6.130×10^-4 4.843×10^-7 e＝2 1.447×10^-5 -4.717×10^-8 e＝3 -1.683×10^-7 7.599×10^-10

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述体粘滞系数η_b的公式如下：

η_b＝(4.8840-0.2488T+7.3×10^-3T²-0.6125×10^-5T³)·η_s。