CN104677414B - 基于auv的ctd数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无人无缆潜器（AUV）的CTD数据处理的方法。该发明适用于基于AUV获得的CTD数据处理。该发明分成2个阶段，第1阶段是使用AUV获得CTD测量数据，第2阶段是根据AUV获得的CTD数据进行数据处理。本发明操作简单，能够有效实现根据AUV获得的CTD数据自动处理，具有方便高效的优点。

Description

基于AUV的CTD数据处理方法

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种基于AUV（Autonomousunderwater vehicle，无人无缆潜水器）获得的CTD数据处理（CTD数据处理包括海水的温度、盐度、深度和声速的数据处理）的方法。

背景技术

海水的温度和盐度是海洋水体最基本的物理要素，其量值对海洋中的其它物理要素和声速的性质、海水的化学和生物特性以及水体运动均有重要的影响。海洋中声速的计算来源于盐度、深度和温度数据。在海洋探测中，无人无缆潜器（AUV）在探测海洋调查数据具有明显的优势,它使用方便，探测效率高。AUV每个航次会产生大量的海洋调查数据（本发明关注CTD数据），因为数据具有时效性，大量的调查数据如不能迅速地应用到科学研究的实践中，数据本身重要的科学价值也就得不到体现。过去，CTD主要搭载在测量船上，它获得的CTD数据量小；现在，CTD越来越多地被搭载在AUV上，它获得的数据更多、更准确。但是，传统的数据处理方法无法快速处理如此大量的数据，所以提出一种基于AUV的CTD数据高效处理方法就显得尤其重要。

发明内容

为了克服现有方法数据处理效率低的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种AUV的CTD数据处理的方法，高效地处理CTD数据。CTD设备的测量值是电导率、深度和温度，目标的处理后的结果值是盐度和声速。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于AUV的CTD数据处理的方法，包括以下步骤：

使用搭载了CTD仪器的AUV测量其所在位置的CTD数据；

根据测量到的CTD数据计算出海水盐度值；

根据测量到的CTD数据和计算到的海水盐度值计算出海水声速值；

分别对水平面和垂直面的盐度值和声速值进行数据融合。

所述使用搭载了CTD仪器的AUV测量其所在位置的CTD数据，包括以下步骤：

AUV从水面下潜到作业深度，测量垂直面的CTD数据；

在定深航行，测量水平面的CTD数据；

AUV上浮到水面，测量垂直面的CTD数据；

根据需要循环上述步骤。

所述测量水平面的CTD数据在1海里以内不少于100个；当测量范围大于1海里时，每海里使用1个CTD数据结果来表征该单位区域内的CTD数据特征。

所述根据测量到的CTD数据计算出海水盐度值，具体为：

式中，

式中，

公式中C(S,t,p)表示盐度为S，温度为t℃和p个大气压时的电导率值，即由电导率测盐度法时的所测电导率值。

所述根据测量到的CTD数据和计算到的海水盐度值计算出海水声速值为：

c=1449.22+c_T+c_s+c_p+c_STP （6）

式中，

其中，S为海水盐度值，T为温度，P为大气压强。

所述对水平面盐度值/声速值进行数据融合，包括以下步骤：

A.将在1海里以内的盐度值/声速值按照从小到大排序，构成集合S={s₀,s₁,...,s_n}其中s₀<s₁<...<s_n；

B.从集合S中选择s₀,s_n/2,s_n分别作为3个簇C₀,C₁,C₂的中心，即p₀=s₀,p₁=s_n/2,p₂=s_n；

C.将集合S中的元素s_j，0<=j<=n，划分到距离簇中心最近的向量；

D.使用每个簇的元素均值作为新的聚类中心，即

E.重复步骤C-D直到聚类中心p₀,p₁,p₂不再发生变化，即簇C₀,C₁,C₂中元素不再发生变化；

F.该区域内盐度值/声速值的处理结果为p₁。

所述对垂直面盐度值/声速值进行数据融合，具体为：

式中，h_j=X_j-X_j-1,1≤j≤n；p''_j为待定系数，通过解方程组：

得到；深度数据为X_j，1<=j<=n，p_j(X),1≤j≤n表示当深度为X_j的盐度值，p(X)表示盐度关于深度的拟合函数。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.方法简单和应用广泛。本发明仅需要AUV和一台工作站，无需其它辅助装置，程序能够自动处理AUV测量的CTD数据。

2.经济高效，因为海洋试验数据具有时效性，大量的调查数据如不能迅速地应用到科学研究的实践中，数据本身重要的科学价值也就得不到体现。所以高效地处理试验数据，就能更好地提高海洋探测的经济效益。

附图说明

图1是本发明的组成示意图；

图2是本发明的CTD数据处理算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明由AUV、AUV上搭载的CTD仪器和工作站计算机组成，如图1所示。

CTD数据处理算法如图2所示，AUV测量CTD数据，上传到母船的工作站计算机后开始CTD数据处理。首先，对原始数据进行预处理，计算海水的盐度和声速，然后分别在水平面和垂直面对声速和盐度进行数据融合。

深水机器人安装CTD仪器和深度计，其中CTD用于测量CTD数据。在母船上安装一台工作站计算机，用于处理试验后的CTD数据。

第1步：使用AUV测量CTD数据。

AUV测量CTD数据分成3个阶段：第1阶段AUV从水面下潜到作业深度，这个阶段AUV测量的CTD数据是垂直面的CTD数据；第2阶段是在指定工作深度定深或定高航行，这个阶段AUV测量的CTD数据是水平面的CTD数据，其中水平面的测量间隔不小于10米。；第3阶段AUV从作业深度上浮到水面，这个阶段AUV测量的CTD数据是垂直面的CTD数据。所以CTD的测量数据分为两种类型：垂直面的CTD数据处理和水平面的CTD数据处理。AUV执行完探测任务后，回收到母船，使用工作站计算机处理试验获得的CTD数据。

第2步：对原始CTD数据进行预处理，计算出海水盐度值。

本步骤是将CTD设备的原始测量值电导率、深度和温度，处理成目标值盐度。海水盐度值是被测海水电导率、温度和压力的函数。公式（1）-（5）所示。公式中C(S,t,p)表示盐度为S，温度为t℃和p个大气压时的电导率值，即由电导率测盐度法时的所测电导率值；C(35,15,0)表示盐度标度为35‰，温度为15和1个标准大气压的电导率值，其值为42.896ms/cm。式中：

式中，

式中，

第3步：对原始CTD数据进行预处理，计算出海水声速值。

海水中的声速随温度、盐度和压力而变，计算公式如下：

c=1449.22+c_T+c_s+c_p+c_STP （6）

式中，

第4步：水平面盐度值的数据融合。

在1海里以内的区域内的海洋测量数据是等效的，所以可以将1海里的盐度数据进行融合。将探测区域的数据进行划分，将1海里以内的数据放在一起处理，进行数据融合。当测量范围大于1海里时，每海里使用1个盐度值结果来表征该单位区域内盐度值。将在1海里以内的盐度数据按照从小到大排序，构成集合S={s₀,s₁,...,s_n}其中s₀<s₁<...<s_n。算法内容如下：

（1）从集合S中选择s₀,s_n/2,s_n分别作为3个簇C₀,C₁,C₂的中心，即p₀=s₀,p₁=s_n/2,p₂=s_n

（2）将集合S中的元素s_j(0<=j<=n)划分到距离簇中心最近的向量，即

if(i==min|s_j-p_i|)thens_j∈C_i,(0<=i<=2,0<=j<=n)

（3）使用每个簇的元素均值作为新的聚类中心，即

（4）重复步骤2-3直到聚类中心p₀,p₁,p₂不再发生变化，即簇C₀,C₁,C₂中元素不再发生变化。

（5）该区域内盐度的处理结果为p₁。

第5步：水平面声速的数据融合。

在因为1海里以内的区域内的海洋测量数据是等效的，所以可以将1海里的声速数据进行融合。声速数据融合的方法与第3步中盐度值数据融合的方法相同。当测量范围大于1海里时，每海里使用1个声速值结果来表征该单位区域内声速值。

第6步：垂直面盐度的数据融合。

在海洋测量中，需要绘制海水垂直剖面的盐度变化曲线，所以需要对垂直面的盐度值进行数据融合。定义深度数据为X_j(1<=j<=n)，p_j(X)表示当深度为X_j的盐度值。p(X)表示盐度关于深度的拟合函数，计算方法如公式（7）所示。

式中，h_j=X_j-X_j-1；

公式（8）中待定系数p''_j，下面给出求解待定系数的解方程组，如公式（8）所示。

第7步：垂直面声速的数据融合。

在海洋测量中，需要绘制海水垂直剖面的声速变化曲线，所以需要对垂直面的声速进行数据融合，数据融合的方法与垂直面盐度数据融合的方法相同。

Claims (6)

1.一种基于AUV的CTD数据处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用搭载了CTD仪器的AUV测量其所在位置的CTD数据；

根据测量到的CTD数据计算出海水盐度值；

根据测量到的CTD数据和计算到的海水盐度值计算出海水声速值；

分别对水平面和垂直面的盐度值和声速值进行数据融合；

所述对水平面盐度值和声速值进行数据融合，包括以下步骤：

A.将在1海里以内的区域内的盐度值和声速值按照从小到大排序，构成集合S＝{s₀,s₁,...,s_n}其中s₀<s₁<...<s_n；

B.从集合S中选择s₀,s_n/2,s_n分别作为3个簇C₀,C₁,C₂的中心，即p₀＝s₀,p₁＝s_n/2,p₂＝s_n；

C.将集合S中的元素s_j，0<＝j<＝n，划分到距离簇中心最近的向量；

D.使用每个簇的元素均值作为新的聚类中心，即

$p_i=\frac{1}{\left|C_i\right|}\underset{s_j\&Element;C_i}{\&Sigma;}{s}_j,(0<=i<=2,0<=j<=n)$

E.重复步骤C-D直到聚类中心p₀,p₁,p₂不再发生变化，即簇C₀,C₁,C₂中元素不再发生变化；

F.该区域内盐度值和声速值的处理结果为p₁。

2.根据权利要求1所述的基于AUV的CTD数据处理的方法，其特征在于，所述使用搭载了CTD仪器的AUV测量其所在位置的CTD数据，包括以下步骤：

AUV从水面下潜到作业深度，测量垂直面的CTD数据；

在定深航行，测量水平面的CTD数据；

AUV上浮到水面，测量垂直面的CTD数据；

根据需要循环上述步骤。

3.根据权利要求2所述的基于AUV的CTD数据处理的方法，其特征在于，所述测量水平面的CTD数据在1海里以内不少于100个；当测量范围大于1海里时，每海里使用1个CTD数据结果来表征单位区域内的CTD数据特征。

4.根据权利要求1所述的基于AUV的CTD数据处理的方法，其特征在于，所述根据测量到的CTD数据计算出海水盐度值，具体为：

$\begin{array}{c}S=0.008-0.1692{R_t}^{1/2}+25.3851R_t\\ +14.0941{R_t}^{3/2}-7.0261R_t^2+2.7081R_t^{5/2}\\ +\frac{(t-15)}{1+K(t-15)}(0.0005-0.0056R_t^{1/2})\\ -0.0066R_t-0.0375{R_t}^{3/2}+0.0636R_t^2-0.0144R_t^{5/2})\end{array}---\left(1\right)$

$R_t=\frac{R}{R_p{r}_t}---\left(2\right)$

$R=\frac{C(S,t,p)}{C(35,15,0)}---\left(3\right)$

$R_p=\frac{C(S,t,p)}{C(S,t,0)}=1+\frac{A_{1}p+A_2{p}^2+A_3{p}^3}{1+B_{1}t+B_2{t}^2+(B_3+B_{4}t)R}---\left(4\right)$

式中，

$r_t=\frac{C(35,t,0)}{C(35,15,0)}=C_0+C_{1}t+C_2{t}^2+C_3{t}^3+C_4{t}^4---\left(5\right)$

式中，

公式中C(S,t,p)表示盐度为S，温度为t℃和p个大气压时的电导率值，即由电导率测盐度法时的所测电导率值。

5.根据权利要求1所述的基于AUV的CTD数据处理的方法，其特征在于，所述根据测量到的CTD数据和计算到的海水盐度值计算出海水声速值为：

c＝1449.22+c_T+c_s+c_p+c_STP (6)

式中，

其中，S为海水盐度值，T为温度，P为大气压强。

6.根据权利要求1所述的基于AUV的CTD数据处理的方法，其特征在于，所述对垂直面盐度值和声速值进行数据融合，具体为：

$\begin{array}{c}p\left(X\right)={(X_j-X)}^3/6h_j*{p^{\&prime;\&prime;}}_{j-1}\\ +{(X-X_{j-1})}^3/6h_j*{p^{\&prime;\&prime;}}_j\\ +(p_{j-1}-{p^{\&prime;\&prime;}}_{j-1}*{h_j}^2/6)*(X_j-X)/h_j\end{array}---\left(7\right)$

式中，h_j＝X_j-X_j-1,1≤j≤n；p”_j为待定系数，通过解方程组：

$\begin{array}{c}{h}_j/(h_j+h_{j+1})*{p^{\&prime;\&prime;}}_{j-1}+2*{p^{\&prime;\&prime;}}_j+h_{j+1}(h_j+h_{j+1})*{p^{\&prime;\&prime;}}_{j+1}=\\ +\frac{6}{h_j+h_{j+1}}*(\frac{p_{j+1}-{p^{\&prime;\&prime;}}_{j-1}}{h_{j+1}}-\frac{p_j-p_{j-1}}{h_j}),\\ {p^{\&prime;\&prime;}}_0=0,\\ p_n^{\&prime;\&prime;}=0\end{array}---\left(8\right)$

得到；深度数据为X_j，1<＝j<＝n，p_j(X),1≤j≤n表示当深度为X_j的盐度值，p(X)表示盐度关于深度的拟合函数。