CN110095437A - 一种区域海水透明度实时计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种区域海水透明度实时计算方法，步骤包括：利用海表光学参数以及测量点海水垂直剖面光学参数来构建三维变分同化模型，再由三维变分同化模型获得区域格点的海水各层光学参数；利用蒙特卡罗法模拟光子水下运动，再计算透明度盘处的上涌光相对量，即得到区域格点的上涌光相对量；建立对比度传输方程，将计算得到的上涌光相对量作为计算对比度传输方程固有对比度初始值，求解对比度传输方程得到区域海水透明度。该区域海水透明度实时计算方法可以适合白天夜晚、客观定量计算出区域的海水透明度。

Description

一种区域海水透明度实时计算方法
技术领域
本发明涉及一种透明度实时计算方法，尤其是一种区域海水透明度实时计算方法。
背景技术
目前，针对人工释放透明度盘测量海水透明度，受天气的阴晴、观测者的人为因素影响很大，特别是夜间不能得到透明度的技术瓶颈，因此，有必要设计出一种区域海水透明度实时计算方法，能够适合白天夜晚、客观定量的区域海水透明度实时计算。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种区域海水透明度实时计算方法，能够适合白天夜晚、客观定量的区域海水透明度实时计算。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种区域海水透明度实时计算方法，包括如下步骤：
步骤1，利用海表光学参数以及测量点海水垂直剖面光学参数来构建三维变分同化模型，再由三维变分同化模型获得区域的海水各层的光学参数；
步骤2，利用蒙特卡罗法模拟光子水下运动，再计算透明度盘处的上涌光相对量；
步骤3，建立对比度传输方程，将计算得到的上涌光相对量作为计算对比度传输方程固有对比度初始值，求解对比度传输方程得到区域海水透明度。
进一步地，步骤1中，获得区域的海水各层的光学参数的具体步骤为：
步骤1.1，利用区域观测样本插值得到全域网格点上的物理量，插值公式为：
y＝Hx (1)
式(1)中，x为该区域范围内海表光学参数或测量点海水垂直剖面光学参数，y为该区域范围内所有网格点的物理量，H为克里金插值算子；
步骤1.2，对区域观测样本添加随机扰动，设第i次添加白噪声的观测样本xi，使用克里金插值算子H作用得到该区域网格点上的物理量yi，则第i次扰动的协方差矩阵Ri为：
式(2)中，横线上标表示求平均运算，则方差矩阵R表示为：
式(3)中，I为添加白噪声次数；
步骤1.3，利用不同时间段的历史观测数据插值得到不同时间段的全域网格点上的物理量，对不同时间段的全域网格点上的物理量进行统计得到背景场物理量矩阵yb，若T时间段内有n个海表光学参数观测样本或n个海水垂直剖面光学参数观测样本，则背景场物理量矩阵yb为：
步骤1.4，令T1和T2两个时间段内的背景场物理量矩阵分别为和则计算背景场协方差矩阵为：
再对进行平均计算获得区域光学参数背景场协方差矩阵B：
步骤1.5，构建区域海水光学参数变分同为化模型的代价函数J为：
当且仅当代价函数J取最小值时得最优解，得到区域海水各层的光学参数为：
式(8)中，W＝(B-1+HTR-1H)-1HTR-1。
进一步地，步骤2中，利用蒙特卡罗法模拟光子水下运动的具体步骤为：
步骤2.1，通过太阳高度角算法初始化入射光子的入射位置、方向余弦以及能量；
步骤2.2，通过几何关系计算入射光子的下一入射点位置以及在发生入射后的能量；
步骤2.3，判断光子运动是否穿过d深度上的海水薄层，若向上穿越，则累加到向上辐照度；若向下穿越，则累加到向下辐照度；若未穿越，则根据能量阈值判断光子能量是否耗尽，若耗尽，则转向步骤2.2进行新一轮模拟，若未耗尽，则转向步骤2.4；
步骤2.4，判断光子运动位置是否到达海底，若到达海底，则计算在海底反射或者散射后的方向余弦和能量，再转向步骤2.2进行新一轮模拟；若未到达海底，则转向步骤2.5
步骤2.5，根据光子的位置坐标判断光子是否到达海表，若光子达到海表且射出，则转向步骤2.2进行新一轮模拟；若光子到达海表且未射出，则进一步判断是否在海表处发生全反射，若发生全反射，则计算反射后光子的能量、坐标以及方向余弦，再转向步骤2.2进行新一轮模拟；若光子未死亡也未到达海表和海底，则计算光子散射后的方向余弦，再转向步骤2.2进行新一轮模拟。
进一步地，步骤2中，计算透明度盘处的上涌光相对量的具体步骤为：
步骤2.6，设透明度盘所在深度为d，模拟的光子能量为E，z轴方向运动余弦为μz，上涌光辐照度为Eu，下涌光辐照度为Ed，若光子向上穿越深度d处的均匀薄水层，即μz＜0，则将光子的能量累加到上涌光辐照度中，即：
式(9)中，Eui表示第i个向上运动的光子的能量，μzi表示对应光子的运动方向余弦在z轴上的分量；
若光子向下穿越深度d处的均匀薄水层，即μz＞0，则将光子的能量累加到下涌光辐照度中，即：
式(10)中，Edj表示第j个向上运动的光子的能量，μzj则表示对应光子的运动方向余弦在z轴上的分量；
步骤2.7，结合式(9)和(10)计算上涌光相对量Ud为：
式(11)中，Eu为深度d处的上涌光辐照度Eu，Ed为深度d处的下涌光辐照度Ed。
进一步地，步骤3中，建立对比度传输方程的具体步骤为：
步骤3.1，将海水分为若干均匀层，由于对比度的传递是自下而上的过程，于是设定透明度盘深度为d且所在位置为第0层，固有对比度为CD0且在第0层顶，其相对对比度为Cr0；
步骤3.2，设第i均匀层层底处有一透明度盘，具有固有对比度CDi，经过第i层的传输，则到达其层顶的相对对比度为Cri为：
式中，ci和ki分别表示第i均匀层的衰减系数和漫发射系数，Δli为均匀水体的厚度；
步骤3.3，设第i+1层层底有一透明度盘，其具有第i层顶透明度盘的相对对比度相同的固有对比度CDi+1为：
CDi+1＝Cri (13)
则结合式(12)和(13)得到：
步骤3.4，根据第i+1层顶的透明度盘相对对比度Cri+1与第i层顶的透明度盘相对对比度Cri之间的递推关系，计算得到Cri与Cr0之间的关系，即：
由式(13)得到：
步骤3.5，结合式(15)和(16)得到对比度传输方程为：
式(17)中，Cj为第j层的衰减系数，为测量值，CD0为固有对比度，计算公式为：
kj为漫反射系数，计算公式为：
式(18)中，ρ为已知的透明度盘反射率，式(19)中，Edj+1为第j+1层底的向下辐照度，Edj为第j层底的向下辐照度。
进一步地，步骤3中，求解对比度传输方程得到区域海水透明度的具体步骤为：
步骤3.6，利用区域格点的上涌光相对量Ud带入式(18)计算得到固有对比度CD0，并将固有对比度CD0作为对比度传输方程的初值，计算得到达到水面的相对对比度Cri；
步骤3.7，将相对对比度Cri与人眼可见阈值C相比较，若相对对比度Cri大于人眼可见阈值C，则加深该点透明度盘的深度至d+Δd处，再返回步骤2计算深度d+Δd处的上涌光相对量；若相对对比度Cri小于等于人眼可见阈值C，则将该点的深度值d作为改点的透明度，从而得到区域任一点的海水透明度。
本发明的有益效果在于：构建了三维变分同化模型，获取区域海水各层的光学性质及区域透明度时空分布结构，实现了区域海水透明度的客观定量计算，为全天时客观定量计算区域海水透明度提供了有效的实时计算方法。
附图说明
图1为本发明的区域海水透明度实时计算方法总流程图；
图2为本发明的蒙特卡罗法模拟光子水下运动流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开的区域海水透明度实时计算方法，包括如下步骤：
步骤1，利用海表光学参数以及测量点点海水垂直剖面光学参数来构建三维变分同化模型，再由三维变分同化模型获得区域的海水各层的光学参数，海表光学参数由卫星资料反演获得，单点海水垂直剖面光学参数由探测设备测量获得，单点海水垂直剖面光学参数为非定时和非定点参数；
步骤2，利用蒙特卡罗法模拟光子水下运动，再计算透明度盘处的上涌光相对量；
步骤3，建立对比度传输方程，将计算得到的上涌光相对量作为计算对比度传输方程固有对比度初始值，求解对比度传输方程得到区域海水透明度。
进一步地，步骤1中，获得区域的海水各层的光学参数的具体步骤为：
步骤1.1，利用区域观测样本插值得到全域网格点上的物理量，插值公式为：
y＝Hx (1)
式(1)中，x为该区域范围内海表光学参数或测量点点海水垂直剖面光学参数，y为该区域范围内所有网格点的物理量，H为克里金插值算子，依据区域化变量的相关性函数和无偏、方差最小的条件求解待定权系数方程组，从而实现插值计算；
步骤1.2，为了得到插值算子的精度，对区域观测样本添加随机扰动，设第i次添加白噪声的观测样本xi，使用克里金插值算子H作用得到该区域网格点上的物理量yi，则第i次扰动的协方差矩阵Ri为：
式(2)中，横线上标表示求平均运算，则方差矩阵R表示为：
式(3)中，I为添加白噪声次数；
步骤1.3，利用不同时间段的历史观测数据插值得到不同时间段的全域网格点上的物理量，对不同时间段的全域网格点上的物理量进行统计得到背景场物理量矩阵yb，若T时间段内有n个海表光学参数观测样本或n个海水垂直剖面光学参数观测样本，则背景场物理量矩阵yb为：
步骤1.4，为了获得非定时、非定点观测数据之间的物理相关性，统计得出光学参数背景场协方差矩阵B，于是令T1和T2两个时间段内的背景场物理量矩阵分别为和则计算背景场协方差矩阵为：
再对进行平均计算获得区域光学参数背景场协方差矩阵B：
步骤1.5，构建区域海水光学参数变分同为化模型的代价函数J为：
当且仅当代价函数J取最小值时得最优解，得到区域海水各层的光学参数为：
式(8)中，W＝(B-1+HTR-1H)-1HTR-1。
进一步地，步骤2中，利用蒙特卡罗法模拟光子水下运动的具体步骤为：
步骤2.1，通过太阳高度角算法初始化入射光子的入射位置、方向余弦以及能量；
步骤2.2，通过几何关系计算入射光子的下一入射点位置以及在发生入射后的能量；
步骤2.3，判断光子运动是否穿过d深度上的海水薄层，若向上穿越，则累加到向上辐照度；若向下穿越，则累加到向下辐照度；若未穿越，则根据能量阈值判断光子能量是否耗尽，若耗尽，则转向步骤2.2进行新一轮模拟，若未耗尽，则转向步骤2.4；
步骤2.4，判断光子运动位置是否到达海底，若到达海底，则计算在海底反射或者散射后的方向余弦和能量，再转向步骤2.2进行新一轮模拟；若未到达海底，则转向步骤2.5
步骤2.5，根据光子的位置坐标判断光子是否到达海表，若光子达到海表且射出，则转向步骤2.2进行新一轮模拟；若光子到达海表且未射出，则进一步判断是否在海表处发生全反射，若发生全反射，则计算反射后光子的能量、坐标以及方向余弦，再转向步骤2.2进行新一轮模拟；若光子未死亡也未到达海表和海底，则计算光子散射后的方向余弦，再转向步骤2.2进行新一轮模拟。
进一步地，步骤2中，计算透明度盘处的上涌光相对量的具体步骤为：
步骤2.6，设透明度盘所在深度为d，模拟的光子能量为E，z轴方向运动余弦为μz，上涌光辐照度为Eu，下涌光辐照度为Ed，若光子向上穿越深度d处的均匀薄水层，即μz＜0，则将光子的能量累加到上涌光辐照度中，即：
式(9)中，Eui表示第i个向上运动的光子的能量，μzi表示对应光子的运动方向余弦在z轴上的分量；
若光子向下穿越深度d处的均匀薄水层，即μz＞0，则将光子的能量累加到下涌光辐照度中，即：
式(10)中，Edj表示第j个向上运动的光子的能量，μzj则表示对应光子的运动方向余弦在z轴上的分量；
步骤2.7，结合式(9)和(10)计算上涌光相对量Ud为：
式(11)中，Eu为深度d处的上涌光辐照度Eu，Ed为深度d处的下涌光辐照度Ed。
进一步地，步骤3中，建立对比度传输方程的具体步骤为：
步骤3.1，由于在一定厚度中海水的光学性质基本不变，可将海水进行分层，每个层都可以看作是光学均匀的，于是将海水分为若干均匀层，对比度的传递是自下而上的过程，于是设定透明度盘深度为d且所在位置为第0层，固有对比度为CD0且在第0层顶，其相对对比度为Cr0；
步骤3.2，设第i均匀层层底处有一透明度盘，具有固有对比度CDi，经过第i层的传输，则到达其层顶的相对对比度为Cri为：
式(12)中，ci和ki分别表示第i均匀层的衰减系数和漫反射系数，Δli为均匀水体的厚度；
步骤3.3，将第i层顶透明度盘的相对对比度Cri传递给第i+1层，则设第i+1层层底有一透明度盘，其具有第i层顶透明度盘的相对对比度相同的固有对比度CDi+1为：
CDi+1＝Cri (13)
则结合式(12)和(13)得到：
步骤3.4，根据第i+1层顶的透明度盘相对对比度Cri+1与第i层顶的透明度盘相对对比度Cri之间的递推关系，计算得到Cri与Cr0之间的关系，即：
由式(13)得到：
步骤3.5，结合式(15)和(16)得到对比度传输方程为：
式(17)中，Cj为第j层的衰减系数，为测量值，CD0为固有对比度，计算公式为：
kj为漫反射系数，计算公式为：
式(18)中，ρ为已知的透明度盘反射率，式(19)中，Edj+1为第j+1层底的向下辐照度，Edj为第j层底的向下辐照度。
进一步地，步骤3中，求解对比度传输方程得到区域海水透明度的具体步骤为：
步骤3.6，利用区域格点的上涌光相对量Ud带入式(18)计算得到固有对比度CD0，并将固有对比度CD0作为对比度传输方程的初值，计算得到达到水面的相对对比度Cri；
步骤3.7，将相对对比度Cri与人眼可见阈值C相比较，若相对对比度Cri大于人眼可见阈值C，则加深该点透明度盘的深度至d+Δd处，再返回步骤2计算深度d+Δd处的上涌光相对量；若相对对比度Cri小于等于人眼可见阈值C，则将该点的深度值d作为改点的透明度，从而得到区域任一点的海水透明度。

Claims (6)

1.一种区域海水透明度实时计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，利用海表光学参数以及测量点海水垂直剖面光学参数来构建三维变分同化模型，再由三维变分同化模型获得区域的海水各层的光学参数；
步骤2，利用蒙特卡罗法模拟光子水下运动，再计算透明度盘处的上涌光相对量；
步骤3，建立对比度传输方程，将计算得到的上涌光相对量作为计算对比度传输方程固有对比度初始值，求解对比度传输方程得到区域海水透明度。
2.根据权利要求1所述的区域海水透明度实时计算方法，其特征在于，步骤1中，获得区域的海水各层的光学参数的具体步骤为：
步骤1.1，利用区域观测样本插值得到全域网格点上的物理量，插值公式为：
y＝Hx (1)
式(1)中，x为该区域范围内海表光学参数或测量点海水垂直剖面光学参数，y为该区域范围内所有网格点的物理量，H为克里金插值算子；
步骤1.2，对区域观测样本添加随机扰动，设第i次添加白噪声的观测样本xi，使用克里金插值算子H作用得到该区域网格点上的物理量yi，则第i次扰动的协方差矩阵Ri为：
式(2)中，横线上标表示求平均运算，则方差矩阵R表示为：
式(3)中，I为添加白噪声次数；
步骤1.3，利用不同时间段的历史观测数据插值得到不同时间段的全域网格点上的物理量，对不同时间段的全域网格点上的物理量进行统计得到背景场物理量矩阵yb，若T时间段内有n个海表光学参数观测样本或n个海水垂直剖面光学参数观测样本，则背景场物理量矩阵yb为：
步骤1.4，令T1和T2两个时间段内的背景场物理量矩阵分别为和则计算背景场协方差矩阵为：
再对进行平均计算获得区域光学参数背景场协方差矩阵B：
步骤1.5，构建区域海水光学参数变分同为化模型的代价函数J为：
当且仅当代价函数J取最小值时得最优解，得到区域海水各层的光学参数为：
式(8)中，W＝(B-1+HTR-1H)-1HTR-1。
3.根据权利要求2所述的区域海水透明度实时计算方法，其特征在于，步骤2中，利用蒙特卡罗法模拟光子水下运动的具体步骤为：
步骤2.1，通过太阳高度角算法初始化入射光子的入射位置、方向余弦以及能量；
步骤2.2，通过几何关系计算入射光子的下一入射点位置以及在发生入射后的能量；
步骤2.3，判断光子运动是否穿过d深度上的海水薄层，若向上穿越，则累加到向上辐照度；若向下穿越，则累加到向下辐照度；若未穿越，则根据能量阈值判断光子能量是否耗尽，若耗尽，则转向步骤2.2进行新一轮模拟，若未耗尽，则转向步骤2.4；
步骤2.4，判断光子运动位置是否到达海底，若到达海底，则计算在海底反射或者散射后的方向余弦和能量，再转向步骤2.2进行新一轮模拟；若未到达海底，则转向步骤2.5
步骤2.5，根据光子的位置坐标判断光子是否到达海表，若光子达到海表且射出，则转向步骤2.2进行新一轮模拟；若光子到达海表且未射出，则进一步判断是否在海表处发生全反射，若发生全反射，则计算反射后光子的能量、坐标以及方向余弦，再转向步骤2.2进行新一轮模拟；若光子未死亡也未到达海表和海底，则计算光子散射后的方向余弦，再转向步骤2.2进行新一轮模拟。
4.根据权利要求3所述的区域海水透明度实时计算方法，其特征在于，步骤2中，计算透明度盘处的上涌光相对量的具体步骤为：
步骤2.6，设透明度盘所在深度为d，模拟的光子能量为E，z轴方向运动余弦为μz，上涌光辐照度为Eu，下涌光辐照度为Ed，若光子向上穿越深度d处的均匀薄水层，即μz＜0，则将光子的能量累加到上涌光辐照度中，即：
式(9)中，Eui表示第i个向上运动的光子的能量，μzi表示对应光子的运动方向余弦在z轴上的分量；
若光子向下穿越深度d处的均匀薄水层，即μz＞0，则将光子的能量累加到下涌光辐照度中，即：
式(10)中，Edj表示第j个向上运动的光子的能量，μzj则表示对应光子的运动方向余弦在z轴上的分量；
步骤2.7，结合式(9)和(10)计算上涌光相对量Ud为：
式(11)中，Eu为深度d处的上涌光辐照度Eu，Ed为深度d处的下涌光辐照度Ed。
5.根据权利要求4所述的区域海水透明度实时计算方法，其特征在于，步骤3中，建立对比度传输方程的具体步骤为：
步骤3.1，将海水分为若干均匀层，由于对比度的传递是自下而上的过程，于是设定透明度盘深度为d且所在位置为第0层，固有对比度为CD0且在第0层顶，其相对对比度为Cr0；
步骤3.2，设第i均匀层层底处有一透明度盘，具有固有对比度CDi，经过第i层的传输，则到达其层顶的相对对比度为Cri为：
式(12)中，ci和ki分别表示第i均匀层的衰减系数和漫反射系数，Δli为均匀水体的厚度；
步骤3.3，设第i+1层层底有一透明度盘，其具有第i层顶透明度盘的相对对比度相同的固有对比度CDi+1为：
CDi+1＝Cri (13)
则结合式(12)和(13)得到：
步骤3.4，根据第i+1层顶的透明度盘相对对比度Cri+1与第i层顶的透明度盘相对对比度Cri之间的递推关系，计算得到Cri与Cr0之间的关系，即：
由式(13)得到：
步骤3.5，结合式(15)和(16)得到对比度传输方程为：
式(17)中，Cj为第j层的衰减系数，为测量值，CD0为固有对比度，计算公式为：
kj为漫反射系数，计算公式为：
式(18)中，ρ为已知的透明度盘反射率，式(19)中，Edj+1为第j+1层底的向下辐照度，Edj为第j层底的向下辐照度。
6.根据权利要求5所述的区域海水透明度实时计算方法，其特征在于，步骤3中，求解对比度传输方程得到区域海水透明度的具体步骤为：
步骤3.6，利用区域格点的上涌光相对量Ud带入式(18)计算得到固有对比度CD0，并将固有对比度CD0作为对比度传输方程的初值，计算得到达到水面的相对对比度Cri；
步骤3.7，将相对对比度Cri与人眼可见阈值C相比较，若相对对比度Cri大于人眼可见阈值C，则加深该点透明度盘的深度至d+Δd处，再返回步骤2计算深度d+Δd处的上涌光相对量；若相对对比度Cri小于等于人眼可见阈值C，则将该点的深度值d作为改点的透明度，从而得到区域任一点的海水透明度。
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