CN113268068A - 一种基于仿生类潜器的深海区域混合智能化自主探测方法 - Google Patents

一种基于仿生类潜器的深海区域混合智能化自主探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于仿生类潜器的深海区域混合智能化自主探测方法，属于海洋智能探测领域，方法包括如下步骤：步骤1、潜器初始路径设置，步骤2、海水翻转距离计算，步骤3、潜器运动方向调整，步骤4、区域混合强度估算，步骤5、三维混合结构建图。本发明利用了仿生类潜器机动灵活的特点，通过实时动态调整观测路径获取针对深海区域混合强烈区域垂直剖面“最优路径”的数据，解决了现有技术中存在的探测效率低、效果差的问题，实现深海区域混合探测技术和应用能力的提高。

Description

一种基于仿生类潜器的深海区域混合智能化自主探测方法
技术领域
本发明涉及海洋智能探测领域，具体是一种基于仿生类潜器的深海区域混合智能化自主探测方法。
背景技术
深海混合是海洋科学研究的前沿科学问题之一，目前对于深海混合的调查手段限于定点观测，但所得混合强度分布存在空间连续性差、分布稀疏等问题，无法开展区域内空间连续观测获取区域混合结构特征。
基于自主水下潜器(AUV)的深海区域混合探测技术方法具有高效快速的特点，国内外利用“ABE”潜水器、“潜龙”等系列潜水器在区域混合强烈的深海热液区等区域开展了多次探测研究，海上作业情况表明，AUV水动力特性适用于水平面内调查任务，不适用于区域混合结构的垂直剖面探测。
从仿生学角度研发新型潜器用于深海区域混合结构探测是当前国际研究热点，并研发了机动性好、环境适应能力强的仿生潜器，如仿蛇形水下潜器、多关节潜器等，满足了针对深海区域混合结构探测的需要，并逐渐从浅海走向深海探测。虽然仿生类潜器为深海区域混合结构探测提供了理想的平台，但观测路径一般在某深度的平面内进行探测，无法满足区域混合观测要求，有些虽然可以进行垂直剖面探测，但潜器执行的是一种规则等间距路径的探测方法，无法针对特定重点区域开展有针对性的有效探测，对深海区域混合强烈的重点区域混合结构特征研究中效率较低、成本较高、效果较差。
由此可知，开展针对深海区域混合的基于仿生类潜器的智能化自主探测方法研究是当前深海混合探测研究中亟需解决的重要问题，对提高混合结构探测效果具有重要意义，是当前的前沿发展方向。
发明内容
针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种基于仿生类潜器的深海区域混合智能化自主探测方法。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种基于仿生类潜器的深海区域混合智能化自主探测方法，其包括以下步骤：
步骤1：潜器初始路径设置；
根据观测目标尺度、探测区域大小和观测密度要求，设定规则的预定初始路径；
步骤2：海水翻转强度阈值计算；
潜器上搭载CTD传感器，根据实时采集数据计算海水翻转强度阈值α，并将该值传输至潜器运动控制单元；
步骤3：潜器运动方向调整；
根据上步骤计算的翻转强度阈值，动态调整潜器运动方向，实现对重点区域的加密高效观测以及恢复一般区域的正常观测；
步骤4：区域混合强度估算；
计算各个观测点的区域混合强度；
步骤5：三维混合结构建图；
根据多个垂直剖面的CTD观测数据，通过三维插值方法获得三维区域混合结构。
优选地，所述的步骤1潜器初始路径设置方法为：首先根据潜器的实际探测区域大小和观测密度要求设定一定间距的垂直观测剖面，然后在每个垂直观测剖面内设置潜器的规则“V”字形观测路径。
优选地，所述的步骤2海水翻转强度阈值计算具体为：
在潜器上的上端和下端各搭载1台CTD传感器，采集的数据直接与潜器本体运动控制单元连接；
潜器先在某预定经纬度位置进行一次下潜和上浮，获取所在经纬度位置处各个深度的温度、盐度和压力数据，根据海水状态方程，实时推算传感器所在位置处的海水位势温度σ和势密度θ，根据下式计算海水翻转强度阈值α：
Figure BDA0003092518910000021
其中下标u代表上端CTD传感器，下标d代表下端CTD传感器，本次下潜和上浮计算得到的海水翻转强度阈值α标记为α0，并将该值传输至潜器运动控制单元。
优选地，所述的步骤3潜器运动方向调整具体为：
将5个观测周期海水翻转强度的平均值
Figure BDA0003092518910000022
作为潜器开始加密观测的阈值，将10个观测周期海水翻转强度的平均值
Figure BDA0003092518910000031
作为潜器结束加密观测的阈值；设潜器预定轨迹情况下运动方向和垂直方向的夹角为A，在实时分析数据的情况下分以下几种情况对观测路径进行动态调整；
1)当检测到β＞α0，说明海水存在翻转，需要加密观测；设转弯之前潜器行进方向和垂直方向的夹角为A，则在海水翻转距离d观测时候，通知潜器运动控制进程控制转弯以后和垂直方向的夹角B为
Figure BDA0003092518910000032
以确定下一次探测路径行进的方向；上式中，转弯后和垂直方向的夹角限制最小为A/2，每个观测周期结束后重新计算β；
2)当检测到γ≤α0，说明海水翻转较小或不存在翻转，恢复正常观测，转弯以后和垂直方向的夹角仍为A，每个观测周期结束后重新计算γ。
优选地，所述的步骤4区域混合强度估算具体为：
导出传感器获取的数据，经过标准化数据预处理过程(消噪、去除跳点和数据归一化等处理，然后计算海水翻转距离d＝zm-zn，zm和zn分别代表海水发生温度/密度发生异常翻转时上端和下端传感器的深度，统计一定范围海水翻转尺度
Figure BDA0003092518910000033
根据耗散率和跨等密度面扩散系数关系得到海水混合率
Figure BDA0003092518910000034
其中，Γ为混合效率，观测表明海洋中约为0.2，
Figure BDA0003092518910000035
为翻转区域内部浮力频率的平均值
Figure BDA0003092518910000036
ε为海水耗散率
Figure BDA0003092518910000037
c一般取值在0.65-0.95之间，根据在夏威夷中脊锚系调查的经验取值0.8。
优选地，所述的步骤5三维混合结构建图具体为对估算得到的离散混合强度数据进行高精度重建。
通过估算得到的是三维空间内航迹上的观测数据，需要进行插值得到三维空间内的混合结构。由于克里金方法考虑了观测的点和被估计点的位置关系以及各观测点之间的相对位置关系，使用克里金三维空间插值算法进行插值处理，较大概率取得理想的效果。
本发明的有益效果为：本发明充分利用了仿生类潜器机动灵活的特点，获取针对深海区域混合强烈区域垂直剖面“最优路径”的数据，解决了现有技术中存在的探测效率低、效果差的问题，并通过针对性的区域混合估计方法获取混合强度三维分布，实现深海区域混合探测技术和应用能力的提高。
附图说明
图1是本发明进行实施过程流程图；
图2是本发明实施过程中潜器初始观测路径和动态调整后的观测路径图；
图3是本发明实施过程中海水翻转距离示意图；
图4是本发明实施过程中潜器实时转弯调整示意图，a)从预定路径观测到加密观测，潜器运动方向和垂向夹角由A变为B，b)从加密观测到预定路径观测，潜器运动方向和垂向夹角由B变为A；
图5是本发明实施过程中根据记录数据获取的混合强度估算的方法流程图；
图6是本发明实施过程中Thorpe尺度示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过特定的具体实例详细介绍所本发明的实施方式。
如图1所示步骤，本发明提供基于仿生类潜器的深海区域混合智能化自主探测方法，包括以下步骤：
步骤1：潜器初始路径设置。
如图2a所示，深海区域混合是海洋中广泛存在的现象，尺度有大有小。根据以往在研究区锚系定点调查获取的背景信息(如热液、冷泉、涡旋等)，设置估计观测目标范围，如横向1km至数km。在对典型海区混合特征空间分布的认识基础上，根据以往在研究区锚系定点调查获取混合特征，设置潜器在垂直剖面内预定规则“V”字形观测路径，图2a中“周期”设置为200m，“波高”为200m，观测深度位于d1～d2。
潜器在XY平面内是按照200m的间距逐个垂直剖面进行观测。
步骤2：海水翻转强度阈值计算；
在潜器上的上端和下端各搭载1台CTD(盐温深仪)传感器，采集的数据可以直接与潜器本体运动控制单元连接。
如图3所示，潜器先在某预定经纬度位置进行一次下潜和上浮，获取所在经纬度位置处各个深度的温度、盐度和压力数据。根据海水状态方程，实时推算CTD传感器所在位置处的海水位势温度σ和势密度θ，根据下式计算海水翻转强度阈值α：
Figure BDA0003092518910000051
其中下标u代表上端CTD传感器，下标d代表下端CTD传感器。本次下潜和上浮计算得到的海水翻转强度阈值α标记为α0，并将该值传输至潜器运动控制单元。
海水翻转强度阈值α0将作为一种基准，通过步骤3在实际探测中决定潜器路径的变化和调整。
步骤3：潜器运动方向调整；
通过上一步骤，潜器完成一次垂直下潜和上浮后，潜器控制中心已经得到海水翻转强度阈值α0，并开始按照预定路径继续观测，
将5个观测周期海水翻转强度的平均值
Figure BDA0003092518910000052
作为潜器开始加密观测的阈值，将10个观测周期海水翻转强度的平均值
Figure BDA0003092518910000053
作为潜器结束加密观测的阈值。
如图4所示，根据β、γ和α0对进行潜器转向角度进行调整。
1)当检测到β＞α0，说明海水存在翻转，需要加密观测。设转弯之前潜器行进方向和垂直方向的夹角为A，则在海水翻转距离d观测时候，通知潜器运动控制进程控制转弯以后和垂直方向的夹角B为
Figure BDA0003092518910000054
以确定下一次探测路径行进的方向。上式中，转弯后和垂直方向的夹角限制最小为A/2，每个观测周期结束后重新计算β；
2)当检测到γ≤α0，说明海水翻转较小或不存在翻转，恢复正常观测，转弯以后和垂直方向的夹角仍为A。每个观测周期结束后重新计算γ。
如图2b所示，调整后的路径实现了重点区域的加密观测。
步骤4：区域混合强度估算；
按照前述步骤，潜器搭载的CTD传感器获得了各个垂直剖面上根据CTD记录实时路径调整后的观测数据。
如图5所示，读取CTD传感器获取的数据，并按照标准化数据预处理过程(称为Freeon方法，消噪、去除跳点和数据归一化等处理)对数据进行预处理，得到Freeon数据。
然后根据Thorpe尺度方法计算海水翻转距离d＝zm-zn(即Thorpe尺度，如图6所示)，zm和zn分别代表海水发生温度/密度发生异常翻转时上端和下端传感器的深度，统计一定范围海水翻转尺度
Figure BDA0003092518910000061
根据耗散率和跨等密度面扩散系数关系计算海水混合率
Figure BDA0003092518910000062
其中，Γ为混合效率，观测表明海洋中约为0.2，
Figure BDA0003092518910000063
为翻转区域内内部密度梯度计算得到的浮力频率
Figure BDA0003092518910000064
ε为海水耗散率
Figure BDA0003092518910000065
Figure BDA0003092518910000066
为翻转区域内浮力频率
Figure BDA0003092518910000067
的平均值，c一般取值在0.65-0.95之间，根据在夏威夷中脊锚系调查的经验取值0.8。
通过本步骤，最后获取海水混合率Kp。
步骤5：三维混合结构建图；
通过估算得到的是三维空间内航迹上的观测数据，需要进行数据插值重建，得到三维空间内的混合结构。由于克里金方法考虑了观测的点和被估计点的位置关系，并且也考虑各观测点之间的相对位置关系，在点稀少时插值效果比较好，使用克里金三维空间插值算法进行插值处理，较大概率取得理想的效果。
本发明充分利用了仿生类潜器机动灵活的特点，获取针对深海区域混合强烈区域垂直剖面“最优路径”的数据，解决了现有技术中存在的探测效率低、效果差的问题，并通过针对性的区域混合估计方法获取混合强度三维分布，实现深海区域混合探测技术和应用能力的提高。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于仿生类潜器的深海区域混合智能化自主探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：潜器初始路径设置；
根据观测目标尺度、探测区域大小和观测密度要求，设定规则的预定初始路径；
步骤2：海水翻转强度阈值计算；
潜器上搭载CTD传感器，根据实时采集数据计算海水翻转强度阈值α，并将该值传输至潜器运动控制单元；
步骤3：潜器运动方向调整；
根据上步骤计算的翻转强度阈值，动态调整潜器运动方向，实现对重点区域的加密高效观测以及恢复一般区域的正常观测；
步骤4：区域混合强度估算；
计算各个观测点的区域混合强度；
步骤5：三维混合结构建图；
根据多个垂直剖面的CTD观测数据，通过三维插值方法获得三维区域混合结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿生类潜器的深海区域混合智能化自主探测方法，其特征在于：所述的步骤1潜器初始路径设置方法为：首先根据潜器的实际探测区域大小和观测密度要求设定一定间距的垂直观测剖面，然后在每个垂直观测剖面内设置潜器的规则“V”字形观测路径。
3.根据权利要求1所述的一种基于仿生类潜器的深海区域混合智能化自主探测方法，其特征在于：所述的步骤2海水翻转强度阈值计算具体为：
在潜器上的上端和下端各搭载1台CTD传感器，采集的数据直接与潜器本体运动控制单元连接；
潜器先在某预定经纬度位置进行一次下潜和上浮，获取所在经纬度位置处各个深度的温度、盐度和压力数据，根据海水状态方程，实时推算传感器所在位置处的海水位势温度σ和势密度θ，根据下式计算海水翻转强度阈值α：
Figure FDA0003092518900000011
其中下标u代表上端CTD传感器，下标d代表下端CTD传感器，本次下潜和上浮计算得到的海水翻转强度阈值α标记为α0，并将该值传输至潜器运动控制单元。
4.根据权利要求1所述的一种基于仿生类潜器的深海区域混合智能化自主探测方法，其特征在于：所述的步骤3潜器运动方向调整具体为：
将5个观测周期海水翻转强度的平均值
Figure FDA0003092518900000021
作为潜器开始加密观测的阈值，将10个观测周期海水翻转强度的平均值
Figure FDA0003092518900000022
作为潜器结束加密观测的阈值；设潜器预定轨迹情况下运动方向和垂直方向的夹角为A，在实时分析数据的情况下分以下几种情况对观测路径进行动态调整；
1)当检测到β＞α0，说明海水存在翻转，需要加密观测；设转弯之前潜器行进方向和垂直方向的夹角为A，则在海水翻转距离d观测时候，通知潜器运动控制进程控制转弯以后和垂直方向的夹角B为
Figure FDA0003092518900000023
以确定下一次探测路径行进的方向；上式中，转弯后和垂直方向的夹角限制最小为A/2，每个观测周期结束后重新计算β；
2)当检测到γ≤α0，说明海水翻转较小或不存在翻转，恢复正常观测，转弯以后和垂直方向的夹角仍为A，每个观测周期结束后重新计算γ。
5.根据权利要求1所述的一种基于仿生类潜器的深海区域混合智能化自主探测方法，其特征在于：所述的步骤4区域混合强度估算具体为：
导出CTD传感器获取的数据，经过标准化数据预处理过程，然后计算海水翻转距离d＝zm-zn，zm和zn分别代表海水温度/密度发生异常翻转时上端和下端CTD传感器的深度，统计一定范围海水翻转尺度
Figure FDA0003092518900000024
根据耗散率和跨等密度面扩散系数关系得到海水混合率
Figure FDA0003092518900000025
其中，Γ为混合效率，
Figure FDA0003092518900000026
为翻转区域内部浮力频率的平均值
Figure FDA0003092518900000027
ε为海水耗散率
Figure FDA0003092518900000031
c为设定常数。
6.根据权利要求1所述的一种基于仿生类潜器的深海区域混合智能化自主探测方法，其特征在于：所述的步骤5三维混合结构建图具体为对估算得到的离散混合强度数据进行高精度重建；
通过估算得到的三维空间内航迹上的观测数据，使用克里金三维空间插值算法进行插值处理，得到三维空间内的混合结构。
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