CN107218931A - 一种基于在线监测数据的海洋内波预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于在线监测数据的海洋内波预警方法，包括以下步骤：（1）数据处理：获取离工作平台一定距离的A点的不同时间t、不同层数l的海流流速F_t，l，对获取的海流流速F_t，l依次进行去噪处理和去除背景流处理后，得到海流流速F_t，l’’；（2）对海流流速F_t，l’’进行判别，当海流流速F_t，l’’符合内波的条件时，则判断内波出现；当海流流速F_t，l’’不符合内波的条件时，则判断内波未出现；（3）内波出现后，出输出内波信息，并同时进行报警。本发明还公开了采用上述方法的预警系统。本方案成本低，实现了长期定点连续的内波监测，并且实现了自动化的内波判别和提前2~8小时精确预警。

Description

一种基于在线监测数据的海洋内波预警系统及方法

技术领域

本发明涉及海洋监测领域，具体涉及一种基于在线监测数据的海洋内波预警系统及方法。

背景技术

海洋内波是一种发生在海水密度层结的海洋中的波动，最大振幅出现在海水内部，波长在几百米至几十千米之间，属于海洋小尺度运动。内波引起的强剪切流是海洋工程作业（如海洋石油钻探和开采）安全的潜在威胁。内波的存在也会改变海洋声波的传播特性，从而严重地影响声呐功能，对潜艇的隐蔽和监测技术造成干扰。

目前，就内波的观测有大量的在线监测的方案，如申请号为201210578674.0、201110147411.X以及201210551965.0的中国发明专利，另外现有技术还有一些测量海洋内波的方法，如申请号为201210578674.0和201110312123.5的中国发明专利，但是目前缺少了对海洋内波的预警方法以及预警系统，仅仅对海洋内波监测和测量是远远不够的。

发明内容

为克服现有的技术缺陷，本发明提供了一种基于在线监测数据的海洋内波预警系统及方法。

为实现本发明的目的，采用以下技术方案予以实现：

一种基于在线监测数据的海洋内波预警方法，包括以下步骤：

S1：数据处理：获取离工作平台一定距离的A点的不同时间t、不同层数l的海流流速F_t，l，对获取的海流流速F_t，l依次进行去噪处理和去除背景流处理后，得到海流流速F_t，l’’；

S2：内波判别：对海流流速F_t，l’’进行判别，当海流流速F_t，l’’符合内波的条件时，则判断内波出现；当海流流速F_t，l’’不符合内波的条件时，则判断内波未出现；

S3：预警：内波出现后，输出内波信息，并同时进行报警。

其中，内波信息包括内波出现时间、内波到达工作平台时间、内波强度、深度。一般地，同一海域相同季节的内波传播速度是相对固定的，因此可通过距离计算传播时间。内波强度和深度指波致流最大流速所对应的速度和出现深度。

本发明中，不同时间、不同层数的海流流速F_t，l可通过声学多普勒流速剖面仪（ADCP）、声学多普勒流速剖面仪（ADV）、倒置回声测深仪（IES）等获得。F_t，l为三维矢量，表示时刻t、层数l的海流流速。在实际应用中，由于通常情况下海流水平流速远大于垂向流速，因此，观测设备一般都是分别输入水平流速F_th，l二维矢量和垂直流速F_tv，l一维矢量（标量）两组数据。

现有技术提供了多种测量内波的装置或方法，但并未提供内波的预警方法。本发明根据采集到的A点的海流信息判断该海流信息的获取位置A点是否有内波出现，并在确定该出有内波出现后可通过声音及短信等形式进行报警。由于A点距离工作平台有一定距离，因此起到对内波预警的效果，可根据A点离工作平台的距离以及内波的流速计算出内波到达工作平台的时间、内波强度和深度等信息，通知相关人员提前做好防范措施，降低海洋内波对海洋工程作业（如海洋石油钻探和开采）安全的潜在威胁。

进一步地，步骤S1中去噪处理具体为：

S111：取不同时间、不同层数的海流流速F_t，l；

S112：若海流流速F_t，l满足Percent Good<阈值_{Percent Good}或水平流速F_th，l>阈值_HF1，则将该数据删除；若不满足，则进行S113；

S113：对海流流速F_t，l进行三点中值滤波后，进行步骤S114；

S114：若海流流速F_t，l的水平流速垂直梯度HVG>阈值_HVG，删除该数据；若不满足，则进行步骤S115；

S115：若F_t，l缺值时，则输出F_t，l’=(F_t+1，l +F _t-1，l)/2；若F_t，l不缺值，则输出F_t，l’=F_t，l。

其中，Percent Good是监测设备自动输出的数据，是良好波束测量的百分比，用来衡量所测数据质量的好坏；三点中值滤波指的是对相同层数、不同时间点的海流流速F_t，l进行三点中值滤波。

进一步地，步骤S1中去除背景流处理具体为：

S121：取进行去噪处理后的不同时间、相同层数的海流流速F_t，l’；

S122：若t~t+10区间内的有效数据≥5个，则取t~t+10区间内的有效数据的平均值作为t~t+10区间内的背景流流速F_背景；若t~t+10区间内的有效数据<5个，则进行步骤S123；

S123：若t~t+20区间内的有效数据≥5个，则取t~t+20区间内的有效数据的平均值作为t~t+20区间内的背景流流速F_背景；若t~t+20区间内的有效数据<5个，则进行步骤S124；

S124：若t~t+40区间内的有效数据≥10个，则取t~t+40区间内的有效数据的平均值作为t~t+40区间内的背景流流速F_背景；若t~t+40区间内的有效数据<10个，则F_背景取无效值；

S125：除去背景流之后的海流流速F_t，l’’ =F_t，l’-F_背景，输出F_t，l’’。

其中，在所用的编程语言MATLAB中，无效值表示非数值NaN，不等于0或其他任何数字，对它进行数学运算会自动跳过；有效数据指非NaN的数据，即不是缺值的数据。

进一步地，步骤S2中内波的判定方法为水平流速判别法和/或垂直流速判别法；

水平流速判别法具体为：

S211：取除去背景流之后的海流流速F_t，l’’的水平流速F_th，l’’；

S212：当满足条件①时，则进行步骤S213；当不满足条件①时，则判断内波未出现；

S213：当连续三个时刻满足条件①时，则进行步骤S214；当满足条件①的连续时刻不足三个时，则判断内波未出现；

S214：以满足条件①的时刻为开始时间，以其后时间T内最后一个满足条件①的时刻为结束时间，若在该时间段内，最大水平流速值MHF>阈值_HF2且阈值_HFD1<水平流向HFD<阈值_HFD2，则判断内波出现；若不满足该条件，则判断内波未出现；

其中，条件①为同一时刻t下，满足F_th，l’’的东分量<-阈值_HF3的层数达三层以上；

垂直流速判别法具体为：

S221：取除去背景流之后的海流流速F_t，l’’的垂直流速F_tv，l’’；

S222：若F_tv，l’’满足条件a时，则进行步骤S223；若不满足条件a时，则判断内波未出现；

S223：若F_tv’’满足条件b时，则进行步骤S224；若不满足条件b时，则判断内波未出现；

S224：若在t时刻下，三层以上同时满足条件a和条件b，则进行步骤S225；若同时满足条件a和条件b的层数不足三层以上，则判断内波未出现；

S225：若t时刻下，不同层数中的最大水平流速值MHF>阈值_HF2且阈值_HFD1<水平流向HFD<阈值_HFD2，则判断内波出现；若不满足该条件，则判断内波未出现；

其中，条件a为同一层数、相邻时刻，垂直流速差|F_tv，l’’-F_{（t+1）v，l}’’|>阈值_VVD1；

条件b为同一层数，|F _(t-1)v，l’’-F_{（t+2）v，l}’’|>阈值_VVD2或|F _(t-2)v，l’’-F_{（t+3）v，l}’’|>阈值_VVD2。

海洋学上，通常把流速矢量分解成流速东分量和流速北分量两个标量。

其中，步骤S3中，输出内波信息，包括内波出现时间、内波到达工作平台时间、内波强度、深度。上述两种不同判别方法所得结果通常会有细小差别，以水平判别法为准。

进一步地，当水平流速判别法和垂直流速判别法同时判别同一内波时，则输出水平流速判别法的结果。

一种采用上述的基于在线监测数据的海洋内波预警方法的海洋内波预警系统，包括在线监测系统，其特征在于，还包括预警系统，所述预警系统包括数据采集系统、数据处理系统和内波判断及预警系统；所述数据采集系统用于实时采集所述在线监测系统传回的数据并传送给数据处理系统；所述数据处理系统用于完成对数据的格式化处理，并绘制数据图表；所述内波判断及预警系统用于根据所述数据处理系统提供的数据判别内波是否出现，并在判别是内波出现后输出内波出现时间、内波到达平台时间、内波强度、深度这些预警信息，并同时进行视觉报警和听觉报警，且发送预警短信至用户手机。

进一步地，所述在线监测系统包括工作平台、第一监测浮标和第二监测浮标，所述第一监测浮标和所述第二监测浮标均放置于内波的来波方向，且所述第一监测浮标与所述工作平台之间的距离大于所述第二监测浮标与所述工作平台之间的距离。本发明采用将监测浮标布放在内波来波方向上，成本低，且实现了长期定点连续内波监测，另外，由于监测浮标离工作平台一定距离使得本方案能为工作平台提供内波预警。

进一步地，所述第一监测浮标包括ADCP、波浪和气象传感器，所述第二监测浮标包括ADCP。本发明通过ADCP来监测内波，ADCP 监测内波是内波声学监测的有效手段。另外本发明的配置不仅可以有效的监测到孤立内波，还可获取观测海域的气象要素信息。

优选地，所述第一监测浮标与所述工作平台之间的距离是所述第二监测浮标与所述工作平台之间的距离的1.5~3倍。

具体的，第一监测浮标布放在内波来波方向离工作平台X1海里处，X1=内波传播速度×预警时间（4~8小时）；第二监测浮标布放在内波来波方向离工作平台X2海里处，X2=内波传播速度×预警时间（2~4小时）。通过本方案设置的监测浮标的布放位置，本系统可实现提前2~8小时的内波预警。

与现有技术比较，本发明提供了一种基于在线监测数据的内波预警方法及系统，本方案成本低，实现了长期定点连续的内波监测，并且实现了自动化的内波判别和提前2~8小时精确预警。

附图说明

图1为实施例中第一监测浮标的示意图；

图2为实施例中在线监测系统的放置位置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细地说明。

实施例

本实施例提供了一种基于在线监测数据的海洋内波预警系统，包括在线监测系统和预警系统。

在线监测系统包括工作平台1、第一监测浮标2和第二监测浮标3。其中第一监测浮标2上安装有150 kHz ADCP 201、波浪传感器和气象传感器202，第二监测浮标3安装有300kHz ADCP。

其中，150 kHz ADCP的采样间隔为3分钟，每个样本30个ping，ping时间间隔为1秒，层数为30层，层厚为8 m，输出数据为30层海流数据和海表温度数据；300 kHz ADCP的采样间隔为3分钟，每个样本30个ping，ping时间间隔为1秒，层数为30层，层厚为4 m，输出数据为30层海流数据和海表温度数据。

如图2所示，在本实施例中，第一监测浮标2和第二监测浮标3放置于内波来波方向上，两监测浮标离工作平台1一定距离，且第一监测浮标2和第二监测浮标3距工作平台1的距离不同。本实施例中设置第一监测浮标2和第二监测浮标3是为了相互验证，以确保预警的准确性。

具体的，第一监测浮标2布放在内波来波方向离工作平台X1海里处，X1=内波传播速度×预警时间（4~8小时）；第二监测浮标3布放在内波来波方向离工作平台X2海里处，X2=内波传播速度×预警时间（2~4小时）。

预警系统包括数据采集系统、数据处理系统和内波判断及预警系统；所述数据采集系统用于实时采集所述在线监测系统传回的数据并传送给数据处理系统；所述数据处理系统用于完成对数据的格式化处理，并绘制数据图表；所述内波判断及预警系统用于根据所述数据处理系统提供的数据判别内波是否出现，并在判别是内波出现后输出内波出现时间、内波到达平台时间、内波强度、深度这些预警信息，并同时进行视觉报警和听觉报警，且发送预警短信至用户手机。

其中，预警系统可以安装于工作平台的电脑内，也可安装于案站的电脑内。

上述在线监测数据的海洋内波预警方法，包括以下步骤：

S1：数据处理：获取离工作平台一定距离的A点的不同时间t、不同层数l的海流流速F_t，l，对获取的海流流速F_t，l依次进行去噪处理和去除背景流处理后，得到海流流速F_t，l’’；

S2：内波判别：对海流流速F_t，l’’进行判别，当海流流速F_t，l’’符合内波的条件时，则判断内波出现；当海流流速F_t，l’’不符合内波的条件时，则判断内波未出现；

S3：预警：内波出现后，输出内波信息，并同时进行报警。

其中，内波信息包括内波出现时间、内波到达工作平台时间、内波强度、深度。

本发明中，不同时间、不同层数的海流流速F_t，l通过声学多普勒流速剖面仪（ADCP）获得。F_t，l为三维矢量，表示时刻t、层数l的海流流速。在实际应用中，由于通常情况下海流水平流速远大于垂向流速，因此，观测设备一般都是分别输入水平流速F_th，l二维矢量和垂直流速F_tv，l一维矢量（标量）两组数据。

其中，步骤S1中去噪处理具体为：

S111：取不同时间、不同层数的海流流速F_t，l；

S112：若海流流速F_t，l满足Percent Good<50或水平流速F_th，l>200 cm/s，则将该数据删除；若不满足，则进行S113；

S113：对海流流速F_t，l进行三点中值滤波后，进行步骤S114；

S114：若海流流速F_t，l的水平流速垂直梯度HVG>0.08 s^-1，删除该数据；若不满足，则进行步骤S115；

S115：若F_t，l缺值时，则输出F_t，l’=(F_t+1，l +F _t-1，l)/2；若F_t，l不缺值，则输出F_t，l’=F_t，l。

其中，Percent Good是监测设备自动输出的数据，是良好波束测量的百分比，用来衡量所测数据质量的好坏；三点中值滤波指的是对相同层数、不同时间点的海流流速F_t，l进行三点中值滤波。

进一步地，步骤S1中去除背景流处理具体为：

S121：取进行去噪处理后的不同时间、相同层数的海流流速F_t，l’；

S122：若t~t+10区间内的有效数据≥5个，则取t~t+10区间内的有效数据的平均值作为t~t+10区间内的背景流流速F_背景；若t~t+10区间内的有效数据<5个，则进行步骤S123；

S123：若t~t+20区间内的有效数据≥5个，则取t~t+20区间内的有效数据的平均值作为t~t+20区间内的背景流流速F_背景；若t~t+20区间内的有效数据<5个，则进行步骤S124；

S124：若t~t+40区间内的有效数据≥10个，则取t~t+40区间内的有效数据的平均值作为t~t+40区间内的背景流流速F_背景；若t~t+40区间内的有效数据<10个，则F_背景取无效值；

S125：除去背景流之后的海流流速F_t，l’’ =F_t，l’-F_背景，输出F_t，l’’。

进一步地，步骤S2中内波的判定方法为水平流速判别法和/或垂直流速判别法；

水平流速判别法具体为：

S211：取除去背景流之后的海流流速F_t，l’’的水平流速F_th，l’’；

S212：当满足条件①时，则进行步骤S213；当不满足条件①时，则判断内波未出现；

S213：当连续三个时刻满足条件①时，则进行步骤S214；当满足条件①的连续时刻不足三个时，则判断内波未出现；

S214：以满足条件①的时刻为开始时间，以其后时间30 min内最后一个满足条件①的时刻为结束时间，若在该时间段内，最大水平流速值MHF>450 mm/s且240°<水平流向HFD<305°，则判断内波出现；若不满足该条件，则判断内波未出现；

其中，条件①为同一时刻t下，满足F_th，l’’的东分量<250 mm/s的层数达三层以上；

垂直流速判别法具体为：

S221：取除去背景流之后的海流流速F_t，l’’的垂直流速F_tv，l’’；

S222：若F_tv，l’’满足条件a时，则进行步骤S223；若不满足条件a时，则判断内波未出现；

S223：若F_tv’’满足条件b时，则进行步骤S224；若不满足条件b时，则判断内波未出现；

S224：若在t时刻下，三层以上同时满足条件a和条件b，则进行步骤S225；若同时满足条件a和条件b的层数不足三层以上，则判断内波未出现；

S225：若t时刻下，不同层数中的最大水平流速值MHF>450 mm/s且240°<水平流向HFD<305°，则判断内波出现；若不满足该条件，则判断内波未出现；

其中，条件a为同一层数、相邻时刻，垂直流速差|F_tv，l’’-F_{（t+1）v，l}’’|>50 mm/s；

条件b为同一层数，|F _(t-1)v，l’’-F_{（t+2）v，l}’’|>100 mm/s或|F _(t-2)v，l’’-F_{（t+3）v，l}’’|>100mm/s。

海洋学上，通常把流速矢量分解成流速东分量和流速北分量两个标量。

进一步地，当水平流速判别法和垂直流速判别法同时判别同一内波时，则输出水平流速判别法的结果。

Claims (10)

1.一种基于在线监测数据的海洋内波预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：数据处理：获取离工作平台一定距离的A点的不同时间t、不同层数l的海流流速F_t，l，对获取的海流流速F_t，l依次进行去噪处理和去除背景流处理后，得到海流流速F_t，l’’；

S2：内波判别：对海流流速F_t，l’’进行判别，当海流流速F_t，l’’符合内波的条件时，则判断内波出现；当海流流速F_t，l’’不符合内波的条件时，则判断内波未出现；

S3：预警：内波出现后，输出内波信息，并同时进行报警。

2.根据权利要求1所述的基于在线监测数据的海洋内波预警方法，其特征在于，步骤S1中去噪处理具体为：

S111：取不同时间t、不同层数l的海流流速F_t，l；

S112：若海流流速F_t，l满足Percent Good<阈值_{Percent Good}或水平流速F_th，l >阈值_HF1，则将该数据删除；若不满足，则进行S113；

S113：对海流流速F_t，l进行三点中值滤波后，进行步骤S114；

S114：若水平流速垂直梯度HVG>阈值_HVG，删除该数据；若不满足，则进行步骤S115；

S115：若F_t，l缺值时，则输出F_t，l’=（F_t+1，l +F _t-1，l）/2；若F_t，l不缺值，则输出F_t，l’=F_t，l。

3.根据权利要求1或2所述的基于在线监测数据的海洋内波预警方法，其特征在于，步骤S1中去除背景流处理具体为：

S121：取进行去噪处理后的不同时间、相同层数的海流流速F_t，l’；

S122：若t~t+10区间内的有效数据≥5个，则取t~t+10区间内的有效数据的平均值作为t~t+10区间内的背景流流速F_背景；若t~t+10区间内的有效数据<5个，则进行步骤S123；

S123：若t~t+20区间内的有效数据≥5个，则取t~t+20区间内的有效数据的平均值作为t~t+20区间内的背景流流速F_背景；若t~t+20区间内的有效数据<5个，则进行步骤S124；

S124：若t~t+40的有效数据≥10个，则取t~t+40区间内的有效数据的平均值作为t~t+40区间内的背景流流速F_背景；若t~t+40区间内的有效数据<10个，则F_背景取无效值；

S125：除去背景流之后的海流流速F_t，l’’ =F_t，l’-F_背景，输出F_t，l’’。

4.根据权利要求3所述的基于在线监测数据的海洋内波预警方法，其特征在于，步骤S2中内波的判定方法为水平流速判别法和/或垂直流速判别法，

水平流速判别法具体为：

S211：取除去背景流之后的海流流速F_t，l’’的水平流速F_th，l’’；

S212：当满足条件①时，则进行步骤S213；当不满足条件①时，则判断内波未出现；

S213：当连续三个时刻满足条件①时，则进行步骤S214；当满足条件①的连续时刻不足三个时，则判断内波未出现；

S214：以满足条件①的时刻为开始时间，以其后时间T内最后一个满足条件①的时刻为结束时间，若在该时间段内，最大水平流速值MHF>阈值_HF2且阈值_HFD1<水平流向HFD<阈值_HFD2，则判断内波出现；若不满足该条件，则判断内波未出现；

其中，条件①为同一时刻t下，满足F_th，l’’的东分量<-阈值_HF3的层数达三层以上；

垂直流速判别法具体为：

S221：取除去背景流之后的海流流速F_t，l’’的垂直流速F_tv，l’’；

S222：若F_tv，l’’满足条件a时，则进行步骤S223；若不满足条件a时，则判断内波未出现；

S223：若F_tv，l’’满足条件b时，则进行步骤S224；若不满足条件b时，则判断内波未出现；

S224：若在t时刻下，三层以上同时满足条件a和条件b，则进行步骤S225；若同时满足条件a和条件b的层数不足三层以上，则判断内波未出现；

S225：若t时刻下，不同层数中的最大水平流速值MHF>阈值_HF2且阈值_HFD1<水平流向HFD<阈值_HFD2，则判断内波出现；若不满足该条件，则判断内波未出现；

其中，条件a为同一层数、相邻时刻，垂直流速差|F_tv，l’’-F_{（t+1）v，l}’’|>阈值_VVD1；

条件b为同一层数，|F _(t-1)v，l’’-F_{（t+2）v，l}’’|>阈值_VVD2或|F _(t-2)v，l’’-F_{（t+3）v，l}’’|>阈值_VVD2。

5.根据权利要求4所述的基于在线监测数据的海洋内波预警方法，其特征在于，当水平流速判别法和垂直流速判别法同时判别同一内波时，则输出水平流速判别法的结果。

6.一种基于在线监测数据的海洋内波预警系统，其特征在于，采用权利要求1~5任一项所述的基于在线监测数据的海洋内波预警方法。

7.根据权利要求6所述的基于在线监测数据的海洋内波预警系统，其特征在于，包括在线监测系统和预警系统，所述预警系统包括数据采集系统、数据处理系统和内波判断及预警系统；

所述数据采集系统用于实时采集所述在线监测系统传回的数据并传送给数据处理系统；

所述数据处理系统用于完成对数据的格式化处理，并绘制数据图表；

所述内波判断及预警系统用于根据所述数据处理系统提供的数据判别内波是否出现，并在判别是内波出现后输出内波出现时间、内波到达平台时间、内波强度、深度这些预警信息，并同时进行视觉报警和听觉报警，且发送预警短信至用户手机。

8.根据权利要求7所述的基于在线监测数据的海洋内波预警系统，其特征在于，所述在线监测系统包括工作平台、第一监测浮标和第二监测浮标，所述第一监测浮标和所述第二监测浮标均放置于内波的来波方向，且所述第一监测浮标与所述工作平台之间的距离大于所述第二监测浮标与所述工作平台之间的距离。

9.根据权利要求8所述的基于在线监测数据的海洋内波预警系统，其特征在于，所述第一监测浮标与所述工作平台之间的距离是所述第二监测浮标与所述工作平台之间的距离的1.5~3倍。

10.根据权利要求8或9所述的基于在线监测数据的海洋内波预警系统，其特征在于，所述第一监测浮标包括ADCP、波浪和气象传感器，所述第二监测浮标包括ADCP。