CN113465770B - 一种小尺度垂直剖面二维温度场观测方法 - Google Patents

一种小尺度垂直剖面二维温度场观测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小尺度垂直剖面二维温度场观测方法，包括：将获得的原始数据进行互相关以获取声线传播时间；高精度声线模拟，获得声线模式、参考传播时间及时间窗信息；多径分辨与提取，设置时间窗提取与声线模拟对应的声线信息，计算不同路径的到达峰传播时间和声线长度；传播时间预处理；以尽可能每个网格包含不同的声线为原则，基于声线分布进行网格划分；计算每个网格内的声线长度和传播时间，构建系数矩阵，构建垂直剖面二维温度场，获得每个网格内的反演误差；设定阈值，若反演误差超过设定值，返回步骤1进行迭代计算，直至反演误差满足要求；最后进行可视化处理。利用本发明，可以提高小尺度水域水文信息测量的精度和密度。

Description

一种小尺度垂直剖面二维温度场观测方法
技术领域
本发明属于水文监测技术领域，具体涉及一种小尺度垂直剖面二维温度场观测方法。
背景技术
小尺度水域例如海洋牧场、浅海热液口、人工上升流等的温度场分布与海洋环境密切相关，小尺度水域的温度观测对海洋物理、化学、生态等研究具有十分重要的科学意义，为其提供长期、有效、高精度的温度场观测方法的研究受到国内外学者的广泛关注。
如公开号为CN108917841A的中国专利文献公开了一种温盐深测量仪，当前通常被用于温度观测的温盐深测量系统具有布放方便、分辨率等优点，但难以实现长时间序列的同步观测且观测效率低。
公开号为CN109900256A的中国专利文献公开了一种自适应海洋移动声层析系统和方法，能够显著提高海洋水文信息测量的精度。
但是，现有的声学层析技术虽然能通过反演方法获取大面积的温度场信息，却仅能计算沿着声线路径的分层平均温度，所获取的温度场信息十分有限，无法满足小尺度水域高时间和空间分辨率监测需求。
发明内容
本发明提供了一种小尺度垂直剖面二维温度场观测方法，可以提高小尺度水域水文信息测量的精度和密度。
一种小尺度垂直剖面二维温度场观测方法，包括以下步骤：
(1)利用超声收发系统采集观测水域的原始数据，所述的超声收发系统采用三个超声收发器进行声信号互返传输；
(2)将采集的原始数据进行互相关以获取声线传播时间；
(3)进行高精度的声线模拟，获得的声线模拟结果包含声线模式、参考传播时间及时间窗信息；
(4)对于步骤(2)中进行互相关后的声信号，进行多径分辨与提取，设置时间窗提取与声线模拟对应的声线信息，计算不同路径的到达峰传播时间和声线长度；
(5)对不同路径的到达峰传播时间进行预处理，剔除异常数据，定义互返传播时间的最大差值，去除误识别的峰值；
(6)以尽可能每个网格包含不同的声线为原则，基于声线分布进行网格划分；计算每个网格内的声线长度和传播时间，构建系数矩阵，构建垂直剖面二维温度场，获得每个网格内的反演误差；
(7)设定判断阈值，若反演误差超过设定值，返回步骤(2)进行迭代计算，直至反演误差满足要求；
(8)进行垂直剖面二维温度场的可视化处理。
优选地，步骤(1)中，所述的超声收发系统中，三个超声收发器均采用同发同收的传输模式，保证每个时刻能接收到双向的声信号。
进一步地，三个超声收发器均采用底部表面系泊的方式固定于水下以保证超声收发器的位置不变。
步骤(3)的具体过程为：
输入待测水域相应的温度剖面及地形数据进行声线模拟，根据高精度的声线模拟准确计算参考传播时间；
根据每条声线的传播时延设置时间窗进而从多途信号中分离出每一条声线路径，从而获得反演用的每条声线的传播时间及对应的声线长度。
步骤(4)的具体过程为：
对于步骤(2)中进行互相关后的声信号，首先提取直达径对应的峰值，后续的峰值借助高精度的声线模拟实现；将相关的到达峰对应的传播时间与声线模拟结果对比，选取得到所有识别的声线；设定时间窗和信噪比阈值，分辨并提取所有相关的到达峰和对应的传播时间。
步骤(6)中，进行网格划分时，将两两站位的垂直剖面上分j层，k个网格，声线在网格上传播，提取水体参数信息；
对于每条声线可以得到：
Figure BDA0003069116590000031
t0i和δti分别代表第i条声线的参考传播时间及参考传播时间与实际传播时间的偏差，lik代表第i条声线经过第k网格的长度，C0j和δCk分别代表第j层的参考声速及第k网格中的实际声速与参考声速C0j的偏差，每一层的参考声速默认相同。
以尽可能每个网格包含不同的声线为原则指的是：最优选的网格划分方式为每个网格包含不同的声线，具体实践中，允许存在有些网格不包含声线或者不同网格包含相同的声线。
构建垂直剖面二维温度场的具体过程为：
对公式
Figure BDA0003069116590000032
进行泰勒展开后得到：
Figure BDA0003069116590000033
将
Figure BDA0003069116590000034
定义为系数矩阵，x＝δCk定义为待反演向量，n定义为观测误差，y＝δti为实测的互返声传播时间偏差，写成矩阵方程y＝Ex+n；
应用正则化反演方法求解上述矩阵方程，x期望最优解
Figure BDA0003069116590000035
λ值由在设定阈值内限定期望误差决定，并在实验期间实时更新以跟踪动态环境；再引入H正则化矩阵，通过连续三层的移动平均来平滑结果；求解得到x＝δCk后，进一步得到声速Ck＝δCk+C0j，整个观测区域内的声速场通过插值求得，应用声速公式求得温度场。
每个网格内的反演误差公式为：
Figure BDA0003069116590000041
式中，<nnT>为传播时间偏差δti的期望方差值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明只需通过极少的观测站位来进行声层析高分辨率成像反演，无需设置多个定点测流。
2、采用声互易传输方式，以同发同收的信号设计，在小尺度范围分辨并提取穿过不同深度的多条声线，并得到精确的声信号传输时间。
3、通过垂直剖面网格法，获得了二维温度场信息，并通过循环迭代法能有效提高小尺度温度场观测的精度。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为本发明一个较佳实施例中观测站位布置示意图；
图3为本发明一个较佳实施例中垂直剖面二维网格划分示意图；
图4为本发明一个较佳实施例中的两站位间的垂直剖面二维网格温度场结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种小尺度垂直剖面二维温度场观测方法，包括以下步骤：
步骤1：将超声收发系统所获得的原始数据进行互相关以获取声线传播时间。小尺度温度场的观测最好使用同发同收的传输模式，同时需要尽可能保证超声收发器位置不变。在待观测水域水下分别固定第一超声收发器，第二超声收发器和第三超声收发器，进行声信号互返传输，声信号采用10阶M序列。
第一、第二和第三超声收发器均可接收或发射超声波信号，三个超声收发器均采用同发同收的方式，同发同收的信号发送方式能够保证每个时刻能接收到双向的声信号，避免了两次发送间隔之间的传播时间受到站位漂移的不规则波动的影响，便于使用插值算法来进行站位矫正。
三个超声收发器均采用底部表面系泊的方式固定于水下，如图2所示，超声收发器的一端用重物锚定，另一端用浮球连接，浮球-连接线-超声收发器-连接线-重物均在水下，实验期间连接线始终处于紧绷状态，该种固定方式可以保证超声收发器的位置几乎不变。
步骤2：将采集的原始数据进行互相关以获取声线传播时间；
步骤3：高精度声线模拟，获得声线模式、参考传播时间及时间窗信息。输入相应的温度剖面及地形数据进行声线模拟，根据高精度的声线模拟准确计算参考传播时间。根据每条声线的传播时延设置时间窗进而从多途信号中分离出每一条声线路径，从而获得反演用的每条声线的传播时间及对应的声线长度。
步骤4：步骤1对某时刻接收到的声信号两两做互相关后，第一个到达信号是直达径，首先提取直达径对应的峰值，后续的峰值借助高精度的声线模拟实现。将相关峰对应的传播时间与声线模拟结果对比，选取得到所有可能识别的声线。设定时间窗和信噪比阈值，分辨并提取所有相关峰和对应的传播时间。
步骤5：传播时间预处理，检验系统误差。首先剔除异常数据，定义互返传播时间的最大差值，去除误识别的峰值，检验并矫正系统误差，获得高质量的观测数据。
步骤6：以尽可能每个网格包含不同的声线为原则，基于声线分布进行网格划分。将两两站位的垂直剖面上分3层，9个网格即3×3网格，声线在网格上传播，提取水体参数信息。对于每条声线可以得到：
Figure BDA0003069116590000061
Figure BDA0003069116590000062
Figure BDA0003069116590000063
每一层的参考声速认为是相同的。进行泰勒展开后得到：
Figure BDA0003069116590000064
Figure BDA0003069116590000065
Figure BDA0003069116590000066
将上式写成矩阵形式，如下：
Figure BDA0003069116590000067
令
Figure BDA0003069116590000068
定义系数矩阵，x＝δCk定义待反演向量，n定义为观测误差，y＝δti为实测的互返声传播时间偏差，写成矩阵方程y＝Ex+n。
步骤7：计算每个网格所经过的声线长度和传播时间，构建系数矩阵，构建垂直剖面二维温度场，获得每个网格内的反演误差。应用正则化反演方法求解方程。x期望最优解
Figure BDA0003069116590000069
λ值由在设定阈值内限定期望误差决定，并在实验期间实时更新以跟踪动态环境。再引入H正则化矩阵，通过连续三层的移动平均来平滑结果。求解得到x＝δCk后，声速Ck＝δCk+C0j也得到，整个观测区域内的声速场通过插值求得，应用声速公式即可求得温度场。
C(T,S,D)＝1448.96+4.591T-0.05304T2+2.734×10-4T3+1.340(S-35)+1.630×10-2D+1.675×10-7D2-1.025×10-2T(S-35)-7.139×10-13TD3
C、T、D、S分别为声速、温度、深度和盐度。根据反演误差
Figure BDA0003069116590000071
<nnT>为传播时间偏差δti的期望方差值。使用迭代法从步骤1往复循环来不断提高反演计算精度。
步骤8：最后进行垂直剖面二维温度场的可视化处理。
为验证本发明的效果，利用本发明对长沙黄材水库某一水体区域进行观测实验以获得垂直剖面二维温度场信息，具体为：
包含以下装置，三台超声分机构成相同，主要由SH7145F单片机、GPS定位模块、SD存储卡、匹配滤波器、功率放大器、滤波放大器、带通滤波器、低通滤波器、超声收发两用换能器、外接电源组成。
通过步骤3识别并提取S1-S2，S1-S3，S2-S3三个传输剖面上的多条传输线：直达径，表面反射径和底部反射径，并计算得到每个网格的每条传输路径的声线长度和传播时间，如下表1所示，TL代表总长度(Total Length)，TT代表传播时间(Travel Time)。
表1
Figure BDA0003069116590000072
Figure BDA0003069116590000081
获得经过每个网格的声线长度和传播时间后，通过MATLAB编写本方法对应的程序，应用网格划分法构建了垂直剖面二维温度场，优化了当下只能观测分层路径平均温度场的维度温度，获得更加精细的温度信息。如图4所示为S2-S3路径某一时刻的垂直剖面二维温度温度场信息，从计算结果来看，温度在24.5-28℃之间，可以明显看到观测水域内的水温为水平分层，受太阳能的影响。沿垂直切片的水温变化不大，可能是小尺度动态过程和水交换的结果。将二维垂直温度场与经典的分层路径平均温度场比较，RMSE误差值小于0.1℃，以S2-S3剖面为例，三层的RMSE值分别为0.0359℃、0.0084℃、0.0873℃，较低的均方根误差足以证明网格法的可靠性和准确性。二维垂直温度场比分层温度场更直观地反映了观测期间不同位置的分布和变化趋势，表明了本方法在小尺度水域观测垂直剖面二维温度温度场的有效性。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种小尺度垂直剖面二维温度场观测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用超声收发系统采集观测水域的原始数据，所述的超声收发系统采用三个超声收发器进行声信号互返传输；
(2)将采集的原始数据进行互相关以获取声线传播时间；
(3)进行高精度的声线模拟，获得的声线模拟结果包含声线模式、参考传播时间及时间窗信息；
(4)对于步骤(2)中进行互相关后的声信号，进行多径分辨与提取，设置时间窗提取与声线模拟对应的声线信息，计算不同路径的到达峰传播时间和声线长度；
(5)对不同路径的到达峰传播时间进行预处理，剔除异常数据，定义互返传播时间的最大差值，去除误识别的峰值；
(6)以尽可能每个网格包含不同的声线为原则，基于声线分布进行网格划分；计算每个网格内的声线长度和传播时间，构建系数矩阵，构建垂直剖面二维温度场，获得每个网格内的反演误差；
进行网格划分时，将两两站位的垂直剖面上分j层，k个网格，声线在网格上传播，提取水体参数信息；
对于每条声线得到：
Figure FDA0003498043100000011
t0i和δti分别代表第i条声线的参考传播时间及参考传播时间与实际传播时间的偏差，lik代表第i条声线经过第k网格的长度，C0j和δCk分别代表第j层的参考声速及第k网格中的实际声速与参考声速C0j的偏差，每一层的参考声速默认相同；
构建垂直剖面二维温度场的具体过程为：
对公式
Figure FDA0003498043100000021
进行泰勒展开后得到：
Figure FDA0003498043100000022
将
Figure FDA0003498043100000023
定义为系数矩阵，x＝δCk定义为待反演向量，n定义为观测误差，y＝δti定义为实测的互返声传播时间偏差，写成矩阵方程y＝Ex+n；
应用正则化反演方法求解上述矩阵方程，x期望最优解
Figure FDA0003498043100000024
λ值由在设定阈值内限定期望误差决定，并在实验期间实时更新以跟踪动态环境；再引入H正则化矩阵，通过连续三层的移动平均来平滑结果；求解得到x＝δCk后，进一步得到声速Ck＝δCk+C0j，整个观测区域内的声速场通过插值求得，应用声速公式求得温度场；
(7)设定判断阈值，若反演误差超过设定值，返回步骤(2)进行迭代计算，直至反演误差满足要求；
(8)进行垂直剖面二维温度场的可视化处理。
2.根据权利要求1所述的小尺度垂直剖面二维温度场观测方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的超声收发系统中，三个超声收发器均采用同发同收的传输模式，保证每个时刻能接收到双向的声信号。
3.根据权利要求1所述的小尺度垂直剖面二维温度场观测方法，其特征在于，步骤(1)中，三个超声收发器均采用底部表面系泊的方式固定于水下以保证超声收发器的位置不变。
4.根据权利要求1所述的小尺度垂直剖面二维温度场观测方法，其特征在于，步骤(3)的具体过程为：
输入待测水域相应的温度剖面及地形数据进行声线模拟，根据高精度的声线模拟准确计算参考传播时间；
根据每条声线的传播时延设置时间窗进而从多途信号中分离出每一条声线路径，从而获得反演用的每条声线的传播时间及对应的声线长度。
5.根据权利要求1所述的小尺度垂直剖面二维温度场观测方法，其特征在于，步骤(4)的具体过程为：
对于步骤(2)中进行互相关后的声信号，首先提取直达径对应的峰值，后续的峰值借助高精度的声线模拟实现；将相关的到达峰对应的传播时间与声线模拟结果对比，选取得到所有识别的声线；设定时间窗和信噪比阈值，分辨并提取所有相关的到达峰和对应的传播时间。
6.根据权利要求1所述的小尺度垂直剖面二维温度场观测方法，其特征在于，每个网格内的反演误差公式为：
Figure FDA0003498043100000031
式中，<nnT>为传播时间偏差δti的期望方差值。
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