CN108692711B - 基于低空探空火箭的海洋数据处理的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于低空探空火箭的海洋数据处理的实现方法，包括：数据范围限定；探空火箭下降阶段点的提取：对探空火箭下落阶段点进行判断，根据气压在垂直方向上随高度呈线性变化的现象，火箭的最高点，应为气压的最低点，采用气压梯度检测的方法判断下降阶段的起始点，提取下降阶段数据；继续判断下降阶段的观测数据稳定点；第四步：均方差滤波、插值：先对数据进行莱因达误差控制，判别观测资料中某一要素序列是否在合理取值范围之内，之后使用滑动平均的方法对要素进行滤波以得到新的要素序列，通过比较滤波前后对应要素的均方差K与m倍均方差的关系对观测资料进行异常处理，并使用插值代替该异常值。本发明可以提升海洋数据资料的质量。

Description

基于低空探空火箭的海洋数据处理的实现方法

技术领域

本发明属数据处理领域，涉及对海洋数据探测设备——低空探空火箭的采集数据处理方法。

背景技术

目前，海洋环境信息化保障需求不断增加，新一代的海洋调查设备具有观测精度高、取样时间间隔短、信息量大，使用方便等特点。其中，低空探空火箭是用于探测海洋大气边界层及混合层环境参数的探空设备，利用探空仪上所携带的传感器可以探测气温、气压、相对湿度等大气环境参数。低空探空火箭通常在舰艇上发射，火箭发射高度1000米左右，过最高点以后，降落伞打开，稳定发送数据，每隔一秒钟发送一次。它可以在垂直方向上监测大气各层参数变化情况，具有空间分辨率高、受船体环境影响小及可以全天候使用的特点。

随着探测任务的需要和网络技术的飞速发展，当前探测数据处理系统多采用C/S(服务器/客户端)架构，主要由探测接收和预处理器，探测系统服务器，以及显示工作站等组成。基于此，国内针对低空探空火箭资料的处理系统设计已经趋于完善，比较典型的是探空火箭地面数据处理系统，其主要由数据接收及预处理、数据实时监测工作站、数据库及管理服务以及科学数据标定综合处理五部分组成。但是目前对低空探空火箭采集数据的质量控制和处理方法并不完善，关于其科学探测数据和辅助工程数据的研究仍只停留在总体的系统设计上，因此影响了海洋数据资料的处理结果和限制了其应用前景。

发明内容

本发明目的在于提供海洋测量设备——低空探空火箭采集数据的处理方法，在分析海洋复杂环境的基础上，分析观测数据采集时测量误差的产生原因，并通过一定手段校正系统误差，提升海洋数据资料的质量，使之更真实的反应海洋大气的真实情况。技术方案如下：

一种基于低空探空火箭的海洋数据处理的实现方法，包括下列步骤：

第一步：数据范围限定；在观测数据采集阶段，每个观测层存在气压、温度、湿度三种传感器数据，当某层的观测数据出现异常时，仅对该层异常的传感器数据进行标识；

第二步：探空火箭下降阶段点的提取：对探空火箭下落阶段点进行判断，根据气压在垂直方向上随高度呈线性变化的现象，火箭的最高点，应为气压的最低点，采用气压梯度检测的方法判断下降阶段的起始点，提取下降阶段数据；

第三步：继续判断下降阶段的观测数据稳定点；

第四步：均方差滤波、插值：先对数据进行莱因达误差控制，判别观测资料中某一要素序列是否在合理取值范围之内，之后使用滑动平均的方法对要素进行滤波以得到新的要素序列，设K为滤波后的某要素的均方差，M为此要素滤波前的均方差的m倍，通过比较K与M的大小关系对观测资料进行异常处理，当K大于M时，认为该数据点为异常点并将其剔除，并使用插值代替该异常值，其中m的取值为3或者4；

第五步：确定低空探空火箭的探测高度。

第二步中可分三步提取下降阶段的起始点：

a)分别求五个连续数据点气压和A₁、A₂、A₃，取数起点依次相差2，如存在由于第一步引起的空数据点，则向后取；

b)对A₁、A₂、A₃之间的梯度分情况处理：

①当A₁>A₂时，

A₂>A₃气压递减，为上升阶段数据，继续往下找；

A₂<A₃A₂中点的气压最低，A₂的取值中点为下降阶段起始点；

②当A₁<A₂时

A₂<A₃气压递增，A₁的取值中点为下降阶段起始点；

A₂>A₃非增非减，视A₂中有数据错误；

c)如果没有找到最高点，则把A₁、A₂、A₃的取值起始点都向后移1个数据点，循环操作，直到找到最高点为止，最高点即是下降阶段的起始点。

第三步稳定点的选取可分三步进行：

a)依据给定的气压传感器精度值，首先假设相邻点的气压均方差为1hPa，从最高点开始计算连续两点间的差值，当连续10个点的差值均小于1hPa时，认为该连续点的起始点为可能的仪器稳定点；如果未找到，下移起始点循环查找；将找到的稳定点设为经验稳定点，获得新的观测资料序列，为:X₀(i)，其中i＝1,2,...N，其中i＝1点为经验稳定点；

b)对新的观测资料序列重新计算均方差，取均方差的m倍记为k，以经验稳定点为起点，将其后相邻点的差值与k进行比较，如果连续10个点的值均小于k值，那么X₀(i)点为稳定起始点，如果中间出现大于k值点，则起始点后移一位，依次类推；如果，整个资料序列未找到稳定起始点，那么加大k值，同时减少连续点的次数按照上述方法循环查找，直至找到气压值稳定点；

c)综合判断稳定点，得到仪器的稳定点；按照相同的方法，对气温及相对湿度进行稳定点判断，获得气温稳定点和湿度稳定点，综合考虑各稳定点：当气温稳定点、湿度稳定点与气压稳定点相差较小时，以数值序列三点中最后出现点为综合稳定点定为仪器稳定点；当气温稳定点、湿度稳定点与气压稳定点相差较大时，以气压稳定点做为仪器的稳定点。

本发明提出的低空探空火箭海洋数据处理方法首先通过对数据进行约束和有效性检查，提高了数据的正确性和可信度。其次在充分考虑了在采集阶段可能出现的各种误差基础上，通过校正系统误差，消除随机误差，剔除坏数据，提升了数据精度，并针对探空火箭采集到的数据的特点，对异常值进行滤波和插值操作。经过真实数据的验证得到的数据处理效果良好，可应用到实际的探空火箭数据采集和处理中。

附图说明

图1低空探空火箭工作模式

图2探空火箭自动处理过程流程图

图3低空探空火箭数据点平滑示意图

具体实施方式

步骤一：对探空火箭采集数据范围进行限定

探空火箭最大升限1500米，参考国家军用标准(如GJB1172和GJB3617等)对气压、气温的范围判据，对低空探空火箭的气压、气温和温度三个参数设定极值范围，参见表1的要素范围表。

表1

在观测数据处理过程中，每个观测层存在三个传感器(压力传感器、温度传感器和湿度传感器)数据，因此可能会出现某观测层某个传感器的观测数据异常，而其它传感器的观测数据正常。如若删除该层所有观测数据，那么删除该层数据势必造成正常观测数据也被删除，因此这种情况下，不进行删除操作，仅对该层异常的传感器数据进行标识。

由于探空火箭发射、探空仪升空、下落过程受海况及大气环境影响剧烈，通常在观测数据中表现为异常情况，经过对大量探空火箭观测数据的处理分析，对异常情况归纳总结见表2：

表2

步骤二：探空火箭下落阶段点的提取

由于探空火箭传感器发射初始阶段不能完全适应周围环境会产生探测误差，这种误差通常出现在火箭最高点附近，只有火箭过最高点降落伞打开，传感器稳定工作后测得的观测数据才是有效数据，所以必须对探空火箭下落阶段点进行判断，而这一步是在数据范围限定的基础上进行的。

在正常情况下，气压在垂直方向上随高度呈线性变化，火箭的最高点，应为气压的最低点，所以可以采用气压梯度检测的方法判断下降阶段观测数据。具体做法：以五个连续观测数据点(一个数据点为文件的一行)气压的平均值作为判别对象，这是因为考虑到仪器精度和突发情况(表现为与上下点相比从数据梯度可以看出数据错误但不超过正常范围)。提取总共分三步：

1.分别求五个连续数据点气压的和A₁、A₂、A₃，它们的取数起点依次相差2，见数据点平滑示意图。如有空数据点(在步骤一中产生)则向后取。

2.对A₁、A₂、A₃之间的梯度分情况讨论：

①当A₁>A₂时，

A₂>A₃气压递减，为上升阶段数据，继续往下找。

A₂<A₃A₂中点的气压最低，A₂的取值中点为下降阶段起始点。

②当A₁<A₂时

A₂<A₃气压递增，A₁的取值中点为下降阶段起始点。

A₂>A₃非增非减，视A₂中有数据错误。

3.如果没有找到最高点，则把A₁、A₂、A₃的取值起始点都向后移1个数据点，循环操作，直到找到最高点为止。

步骤三：判断观测数据稳定点

经过大量小火箭资料分析发现，当火箭过最高点后的传感器资料常出现不稳定的现象，表现为相邻点数值差值大，缺乏规律性，并经过一段时间数值趋于稳定。是由于火箭发射过最高点以后，降落伞打开，火箭探空仪开始匀速下落，此时传感器的观测数据稳定、有效，所以找到下降阶段点后应继续寻找观测数据稳定点。观测数据稳定点的选取分三步进行：

1.依据设备给定的气压传感器精度值，首先假设相邻点的气压均方差为1hPa，从最高点开始计算连续两点间的差值，当连续10个点的差值均小于1hPa时，认为该连续点的起始点为仪器稳定点(仪器稳定点：测量仪器保持其计量特性，可持续恒定进行数据测量的点)。如果未找到，下移起始点循环查找。将找到的稳定点设为经验稳定点。设资料序列为:X₀(i)，其中i＝1,2,...N，其中i＝1点为经验稳定点。

2.对新的资料序列重新计算均方差。取均方差的m倍记为k。以经验稳定点为起点，将其后相邻点的差值与k进行比较，如果连续10个点的值均小于k值，那么X₀(i)点为稳定起始点，如果中间出现大于k值点，则起始点后移一位，依次类推。如果，整个资料序列未找到起始点，那么加大k值，同时减少连续点的次数按照上述方法循环查找。

3.综合判断稳定点。上述稳定点是计算的气压值稳定点，而探空火箭携带三种传感器，它们响应时间是各不相同的，而利用火箭探空的目的是计算大气折射指数从而判断大气波导。大气折射指数N由下式确定：

从公式(1)可以看出，大气折射指数N与温度及湿度密切相关，所以稳定点的判断必须综合考虑。利用判断气压稳定点方法对气温及相对湿度进行稳定点判断。分别利用计算气压稳定点的方法计算气温稳定点和湿度稳定点，综合考虑各稳定点，由于气压值空间变化相对稳定，所以以气压稳定点为主。当气温稳定点、湿度稳定点与气压稳定点相差较小时，以数值序列三点中最后出现点为综合稳定点定为仪器稳定点。当气温稳定点、湿度稳定点与气压稳定点相差较大时，以气压稳定点做为仪器的稳定点。

步骤四：均方差滤波、插值

目前国内对探空火箭异常值的处理尚无统一的方法，中值滤波法较常用于观测资料异常值处理，另外还有53H法等方法与中值滤波法基本类似，由于这些方法必须认为给定一个物理意义不直观的检验值，使用效果不是很好。还有一种近几年使用较多的方法，称为“极值及突变控制法”。具体做法是：根据观测点的具体情况，规定观测资料压力、温度、相对湿度的合理取值范围，即测量值的上下限，以及两相邻记录允许的最大差值max(|X_i-X_i-1|)，凡不符合限制的记录，作为异常值予以剔除。这种做法的优点是使用简便，而且物理意义直观。但是对于不同仪器类型、不同采样间隔的观测数据，使得判别异常值的最大插值变得比较复杂，如果异常值连续出现在相邻的两个观测值中，使用这种方法的效果也不好。

经过研究实践，为控制异常数据，先对数据进行莱因达误差控制，这种方法的具体做法是，选取观测资料中的某一要素X_i(i＝1,...,N),首先判别要素序列在合理取值范围之内，然后使用滑动平均的方法对要素进行滤波得到X_1i(i＝1,...,N)，计算滤波前后对应要素的均方差：

当|X_i-X_i-1|大于m倍均方差时，认为X_i为异常值予以剔除，并使用插值代替异常值，m的取值一般为3或4，可根据观测资料的稳定性来确定。经过大量观测数据的测试，这种方法可以自动剔除观测数据中的异常值，基本不用人为干预，效果比较明显。

步骤五：低空探空火箭探测高度的确定

探空火箭探空探测参数包括各高度层：气压、温度、湿度，而数据层的高度无法通过传感器进行探测，然而对于各个探测参数来说，高度参数是十分重要的，如若高度参数有误或误差过大，各个探测参数也就没有了意义。因此本课题采用压力高度的换算和位势高度与几何高度的转换计算得到各个探测点的高度信息。

步骤六：数据的可恢复性设计

任何数据质量控制过程都难免将误差带入数据处理结果中或对本来真实数据做出错误判断从而改变数据。恢复性设计的目的：①可跟踪数据处理结果；②直观地显示数据处理结果与原始数据变化差值；③针对处理误差进行原始数据恢复。

本发明在形成的标准文件中设置数据变化项，对经过插值的数据进行标记，记录了更改后的数据与原始数据的差值，通过该差值可以显示出数据处理的变化范围，同时可恢复原始数据。

步骤七：对航次及相关信息进行选择与输入，并输出标准化文件。

Claims (2)

1.一种基于低空探空火箭的海洋数据处理的实现方法，包括下列步骤：

第一步：数据范围限定；在观测数据采集阶段，每个观测层存在气压、温度、湿度三种传感器数据，当某层的观测数据出现异常时，仅对该层异常的传感器数据进行标识；

第二步：探空火箭下降阶段点的提取：对探空火箭下落阶段点进行判断，根据气压在垂直方向上随高度呈线性变化的现象，火箭的最高点，应为气压的最低点，采用气压梯度检测的方法判断下降阶段的起始点，提取下降阶段数据；

第三步：继续判断下降阶段的观测数据稳定点，方法如下：

a)依据给定的气压传感器精度值，首先假设相邻点的气压均方差为1hPa，从最高点开始计算连续两点间的差值，当连续10个点的差值均小于1hPa时，认为该连续点的起始点为可能的仪器稳定点；如果未找到，下移起始点循环查找；将找到的稳定点设为经验稳定点，获得新的观测资料序列，为:X₀(i)，其中i＝1,2,…N，其中i＝1点为经验稳定点；

b)对新的观测资料序列重新计算均方差，取均方差的m倍记为k，以经验稳定点为起点，将其后相邻点的差值与k进行比较，如果连续10个点的值均小于k值，那么X₀(i)点为稳定起始点，如果中间出现大于k值点，则起始点后移一位，依次类推；如果，整个资料序列未找到稳定起始点，那么加大k值，同时减少连续点的次数按照上述方法循环查找，直至找到气压值稳定点；

c)综合判断稳定点，得到仪器的稳定点；按照相同的方法，对气温及相对湿度进行稳定点判断，获得气温稳定点和湿度稳定点，综合考虑各稳定点：当气温稳定点、湿度稳定点与气压稳定点相差较小时，以数值序列三点中最后出现点为综合稳定点定为仪器稳定点；当气温稳定点、湿度稳定点与气压稳定点相差较大时，以气压稳定点做为仪器的稳定点；

第四步：均方差滤波、插值：先对数据进行莱因达误差控制，判别观测资料中某一要素序列是否在合理取值范围之内，之后使用滑动平均的方法对要素进行滤波以得到新的要素序列，设K为滤波后的某要素的均方差，M为此要素滤波前的均方差的m倍，通过比较K与M的大小关系对观测资料进行异常处理，当K大于M时，认为该数据点为异常点并将其剔除，并使用插值代替该异常值，其中m的取值为3或者4；

第五步：确定低空探空火箭的探测高度。

2.根据权利要求1所述的低空探空火箭的海洋数据处理的实现方法，其特征在于，第二步中分三步提取下降阶段的起始点：

a)对于所采集的观测数据的一段连续数据点，按照取数起点依次相差2的方法，依次求取五个连续数据点气压和，共求取3个和值即：A₁、A₂、A₃，如存在由于第一步引起的空数据点，则向后取；

b)对A₁、A₂、A₃之间的梯度分情况处理：

①当A₁>A₂时，

A₂>A₃气压递减，为上升阶段数据，继续往下找；

A₂<A₃，A₂中点的气压最低，A₂的取值中点为下降阶段起始点；

②当A₁<A₂时

A₂<A₃气压递增，A₁的取值中点为下降阶段起始点；

A₂>A₃非增非减，视A₂中有数据错误；

c)如果没有找到最高点，则把A₁、A₂、A₃的取值起始点都向后移1个数据点，循环操作，直到找到最高点为止，最高点即是下降阶段的起始点。

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