CN110779500B - 一种增量部署传感器的中尺度涡探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增量部署传感器的中尺度涡探测方法，首先根据卫星高度计资料确定海洋涡旋的位置及空间尺度，构造涡旋区域的速度场，采用均匀部署方式在目标区域部署传感器，并建立传感器部署的数学模型；然后，当目标区域的传感器覆盖度下降到阈值后，根据目标区域内有效传感器数目确定需要增量部署的传感器数目；最后，根据所述目标区域内的空洞位置，增量部署传感器。本发明采用增量部署传感器的方式，可以有效地增强目标区域的传感器覆盖率，实现对海洋中尺度涡的探测。

Description

一种增量部署传感器的中尺度涡探测方法

技术领域

本发明公开了一种增量部署传感器的中尺度涡探测方法，属于无线传感器网络技术领域，特别适用于利用传感器探测海洋中尺度涡的温盐密资料及涡结构特征。

背景技术

中尺度涡在海洋动力学以及热、盐等其他化学物质输送中起着重要的作用，是海洋科学的重要研究内容。然而，通过Argo浮标获取的资料难以满足研究中尺度涡的分辨率要求，而通过卫星高度计反演只能获得海表面异常数据，无法获得水下数据资料，这些探测手段都难以满足海洋科学家对中尺度涡机理研究的需要。通过科考船携带抛弃式传感器，利用在目标区域布放传感器的方式可以获得高密度的探测资料。同时，传感器会受到涡旋和海流等的影响被动的运动，极有可能发生传感器运动出目标区域和聚集的情况，通过增量补充传感器的方式可以有效的增大区域覆盖率，如何有效增量部署传感器是这类问题的关键。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种增量部署传感器的中尺度涡探测方法，使得目标区域内有效传感器数目保持在稳定的数量。

技术方案：一种增量部署传感器的中尺度涡探测方法，包括如下步骤：首先根据卫星高度计资料确定海洋涡旋的位置及空间尺度，构造涡旋区域的速度场，采用均匀部署方式在目标区域部署传感器，并建立传感器部署的数学模型；然后，当所述目标区域的传感器覆盖度下降到阈值后，根据所述目标区域内有效传感器数目确定需要增量部署的传感器数目；最后，根据所述目标区域内的空洞位置，增量部署传感器。

进一步的，所述构造涡旋区域的速度场包括如下步骤：

根据卫星高度计资料计算出监测区域的纬向地转速度异常U′_g和经向地转速度异常V′_g，并确定涡旋边界；

其中，η′为卫星高度计资料，g是重力常数，f是科氏力参数，x表示经向，y表示纬向。

进一步的，所述建立传感器部署的数学模型包括如下步骤：

对于目标区域Z，目标区域在笛卡尔坐标系下的二维长度分别为DX和DY，并将目标区域分为边长为l的正方形sqr，则目标区域内总正方形个数M表示为：

M＝(DX·DY)/l²

对于任意正方形sqr_i，其编号为i，形心坐标表示为sqr_i(a_i,b_i)，a_i表示经向坐标值，b_i表示纬向坐标值；

对于感知半径为r_s的传感器节点s_j的二维坐标为P_j＝(x_j,y_j)，传感器节点s_j所涵盖的感知区域是一个以(x_j,y_j)为圆心、半径为r_s的圆形，传感器集合记为S；如果传感器节点s_j与正方形的形心sqr_i(a_i,b_i)间距离小于感知半径为r_s，则认为正方形sqr_i区域被覆盖，判别函数为f(sqr_i,s_j)：

则整个目标区域的传感器覆盖度c_w表示为：

进一步的，所述确定需要增量部署的传感器数目包括如下步骤：

根据传感器自身携带的定位设备，获取传感器所在的正方形编号，得到正方形区域内传感器数目sqr_i(m)，若sqr_i(m)≥2，则存在冗余节点，在整个区域中冗余节点数

需要补充的传感器数N_e由冗余节点数和由于涡流的影响运动出目标区域的传感器数目为N_o共同确定，表示为：

N_e＝N_r+N_o。

进一步的，所述增量部署传感器包括如下步骤：

步骤5.1：对于目标区域Z，若存在连续正方形sqr构成区域大于单个传感器覆盖范围时，则认定连续正方形sqr构成区域为覆盖空洞H，计算目标区域中的空洞数目H_num；

步骤5.2：判断H_num与N_e的关系，传感器采用增量部署的方式进行布放，每次部署一个传感器；具体为：若H_num≤N_e，每次将一个传感器部署在覆盖最多sqr形心的位置，并更新监测区域覆盖情况，直到传感器部署完毕；若H_num＞N_e，考察每个覆盖空洞中各正方形sqr形心所构成的多边型是否为凸多边形，对于凸多边形，在凸多边形的形心位置H_core进行传感器部署；对于非凸多边形，将非凸多边型分割为最小数目的凸多边形，在每个凸多边形内的形心位置H_core进行传感器部署。

有益效果：(1)利用卫星高度计资料反演构造了目标区域涡旋的速度场，建立了传感器部署的数学模型，通过计算区域内的有效传感器数目得到了增量补充的传感器数目，并且比较区域内空洞和增补传感器数目确定了增量补充传感器的位置，增大了区域覆盖率。

(2)相较于利用移动传感器再部署增大覆盖效率的方法，本发明中采用随海流移动的传感器被动移动方式更符合实际，并且所提出增量部署的方法简单易于实现，无需传感器间复杂的信息交互大大减少了布放成本。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种增量部署传感器的中尺度涡探测方法，该方法充分考虑了实际海洋探测传感器的功能参数和海洋中尺度涡的探测方式，包括如下步骤：首先根据卫星高度计资料确定海洋涡旋的位置及空间尺度，构造涡旋区域的速度场，采用均匀部署方式在目标区域部署传感器，并建立传感器部署的数学模型。然后，当目标区域的传感器覆盖度下降到阈值后，根据目标区域内有效传感器数目确定需要增量部署的传感器数目。最后，根据目标区域内的空洞位置，增量部署传感器。

其中，构造涡旋区域的速度场包括如下步骤：

根据卫星高度计资料计算出监测区域的纬向地转速度异常U'_g和经向地转速度异常V′_g，并确定涡旋边界；

其中，η'为卫星高度计资料，g是重力常数，f是科氏力参数，x表示经向，y表示纬向。

建立传感器部署的数学模型包括如下步骤：

对于目标区域Z，目标区域在笛卡尔坐标系下的二维长度分别为DX和DY，并将目标区域分为边长为l的正方形sqr，则目标区域内总正方形个数M表示为：

M＝(DX·DY)/l²

对于任意正方形sqr_i，其编号为i，形心坐标表示为sqr_i(a_i,b_i)，a_i表示经向坐标值，b_i表示纬向坐标值。

对于感知半径为r_s的传感器节点s_j的二维坐标为P_j＝(x_j,y_j)，传感器节点s_j所涵盖的感知区域是一个以(x_j,y_j)为圆心、半径为r_s的圆形，传感器集合记为S。如果传感器节点s_j与正方形的形心sqr_i(a_i,b_i)间距离小于感知半径为r_s，则认为正方形sqr_i区域被覆盖，判别函数为f(sqr_i,s_j)：

则整个目标区域的传感器覆盖度c_w表示为：

确定需要增量部署的传感器数目包括如下步骤：

根据传感器自身携带的定位设备，获取传感器所在的正方形编号，得到正方形区域内传感器数目sqr_i(m)，若sqr_i(m)≥2，则存在冗余节点，在整个区域中冗余节点数

需要补充的传感器数N_e由冗余节点数和由于涡流的影响运动出目标区域的传感器数目为N_o共同确定，表示为：

N_e＝N_r+N_o。

增量部署传感器包括如下步骤：

步骤5.1：对于目标区域Z，若存在连续正方形sqr构成区域大于单个传感器覆盖范围时，则认定连续正方形sqr构成区域为覆盖空洞H，计算目标区域中的空洞数目H_num；

步骤5.2：判断H_num与N_e的关系，传感器采用增量部署的方式进行布放，每次部署一个传感器；具体为：若H_num≤N_e，每次将一个传感器部署在覆盖最多sqr形心的位置，并更新监测区域覆盖情况，直到传感器部署完毕；若H_num＞N_e，考察每个覆盖空洞中各正方形sqr形心所构成的多边型是否为凸多边形，对于凸多边形，在凸多边形的形心位置H_core进行传感器部署；对于非凸多边形，将非凸多边型分割为最小数目的凸多边形，在每个凸多边形内的形心位置H_core进行传感器部署。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种增量部署传感器的中尺度涡探测方法，其特征在于，包括如下步骤：首先根据卫星高度计资料确定海洋涡旋的位置及空间尺度，构造涡旋区域的速度场，采用均匀部署方式在目标区域部署传感器，并建立传感器部署的数学模型；然后，当所述目标区域的传感器覆盖度下降到阈值后，根据所述目标区域内有效传感器数目确定需要增量部署的传感器数目；最后，根据所述目标区域内的空洞位置，增量部署传感器；

所述构造涡旋区域的速度场包括如下步骤：

根据卫星高度计资料计算出监测区域的纬向地转速度异常U′_g和经向地转速度异常V′_g，并确定涡旋边界；

其中，η′为卫星高度计资料，g是重力常数，f是科氏力参数，x表示经向，y表示纬向；

所述建立传感器部署的数学模型包括如下步骤：

对于目标区域Z，目标区域在笛卡尔坐标系下的二维长度分别为DX和DY，并将目标区域分为边长为l的正方形sqr，则目标区域内总正方形个数M表示为：

M＝(DX·DY)/l²

对于任意正方形sqr_i，其编号为i，形心坐标表示为sqr_i(a_i,b_i)，a_i表示经向坐标值，b_i表示纬向坐标值；

对于感知半径为r_s的传感器节点s_j的二维坐标为P_j＝(x_j,y_j)，传感器节点s_j所涵盖的感知区域是一个以(x_j,y_j)为圆心、半径为r_s的圆形，传感器集合记为S；如果传感器节点s_j与正方形的形心sqr_i(a_i,b_i)间距离小于感知半径为r_s，则认为正方形sqr_i区域被覆盖，判别函数为f(sqr_i,s_j)：

则整个目标区域的传感器覆盖度c_w表示为：

所述确定需要增量部署的传感器数目包括如下步骤：

根据传感器自身携带的定位设备，获取传感器所在的正方形编号，得到正方形区域内传感器数目sqr_i(m)，若sqr_i(m)≥2，则存在冗余节点，在整个区域中冗余节点数

需要补充的传感器数N_e由冗余节点数和由于涡流的影响运动出目标区域的传感器数目为N_o共同确定，表示为：

N_e＝N_r+N_o；

所述增量部署传感器包括如下步骤：

步骤5.1：对于目标区域Z，若存在连续正方形sqr构成区域大于单个传感器覆盖范围时，则认定连续正方形sqr构成区域为覆盖空洞H，计算目标区域中的空洞数目H_num；

步骤5.2：判断H_num与N_e的关系，传感器采用增量部署的方式进行布放，每次部署一个传感器；具体为：若H_num≤N_e，每次将一个传感器部署在覆盖最多sqr形心的位置，并更新监测区域覆盖情况，直到传感器部署完毕；若H_num＞N_e，考察每个覆盖空洞中各正方形sqr形心所构成的多边型是否为凸多边形，对于凸多边形，在凸多边形的形心位置H_core进行传感器部署；对于非凸多边形，将非凸多边型分割为最小数目的凸多边形，在每个凸多边形内的形心位置H_core进行传感器部署。

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