CN113466872B - 一种小尺度分层水平二维流场观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小尺度分层水平二维流场观测方法，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，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；基于声线分布进行垂直分层；计算各层的声线长度和传播时间，构建系数矩阵，构建垂直分层流场，获得每一层的路径平均流速和反演误差；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；使用流函数法，以每一层的路径平均流速作为输入数据，反演多层水平二维流场；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

一种小尺度分层水平二维流场观测方法

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分层水平二维流场观测方法。

背景技术

小尺度水域例如海洋牧场、浅海热液口、人工上升流等的流场分布与海洋环境密切相关，小尺度水域的流场观测对海洋物理、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、高精度的流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CN212872519U的中国专利文献公开了一种用于船载的走航式声学多普勒流速剖面仪及设备。当前通常被用于流速观测的声学多普勒流速剖面仪可以通过走航获得垂直剖面的二维流场，但难以实现长时间序列的同步观测。

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，而现有的声学层析技术虽然能通过反演方法获取大面积的流场信息，却仅能计算沿着声线路径的平均流速或者仪器所在深度的水平流场，所获取的流场信息十分有限，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分层水平二维流场观测方法，可以提高小尺度水域水文信息测量的精度和密度。

一种小尺度分层水平二维流场观测方法，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)以尽可能每层包含不同的声线为原则，基于声线分布进行垂直分层；计算每个层的声线长度和传播时间，构建系数矩阵，构建垂直分层流场，获得每一层的路径平均流速和反演误差；

(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)使用流函数法，以每一层的路径平均流速作为输入数据，反演多层水平二维流场；

(9)进行多层流场的可视化处理。

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，进行垂直分层时，将两两站位的垂直剖面上分j层，

对于每条声线得到：v_j代表第j层的路径平均流速；t_i ^±代表第i条声线的正向和反向传播时间；l_ij代表第i条声线经过第j层的长度；C_0j和δC_j分别代表第j层的参考声速和实际声速与参考声速的偏差。

以尽可能每层包含不同的声线为原则指的是：最优选的垂直分层方式为每层包含不同的声线，具体实践中，允许存在有些层不包含声线或者不同层包含相同的声线等情况。

构建垂直分层流场的具体过程为：

对公式进行泰勒展开后得到：/>将/>定义为系数矩阵，x＝v_i定义为待反演向量，n定义为观测误差，y＝Δt_i为实测的互返声传播时间差；

采用拉格朗日法得到x期望的最优解通过约束平方误差值小于预设值来确定λ，该预设值通过期望最大误差值计算得到，再引入H正则化矩阵来平滑结果。。

反演误差公式为：

式中，<nn^T>为传播时间差Δt_i的期望方差值。

步骤(8)的具体过程为：

以每一层的路径平均流速作为输入数据，带入到：

V_mj代表第j层沿各个路径的路径平均流速，L_i代表第i条路径所对应的两站站位间距，D_k、Q_k分别为待求系数矩阵及已知系数矩阵；采用锥形最小二乘法来得到x期望的最优解结合L曲线法来确定α值，再次求解逆问题，反演得到多层二维水平流场。

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、本发明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，并得到精确的超声波信号传输时间。

3、本发明通过求解两次逆问题的方式，反演绘制出不同深度的水平流场。在垂向流比较小可忽略的情况下，多层二维流场可以很好地表示观测区域内的三维流场结构，获得精细的水流分布空间。

4、本发明提出的循环迭代法能有效提高小尺度流场观测的精度，多层水平流场的反演结果与ADCP测量结果拥有良好的一致性。

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两个站位之间垂直分层的示意图；

图3为本发明一个较佳实施例中分层水平二维流场构建的原理示意图；

图4为本发明一个较佳实施例中的某一时刻的底部水平流场测试结果图。

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，一种小尺度分层水平二维流场观测方法，包括以下步骤：

步骤1：将系统所获得的原始数据进行互相关以获取声线传播时间。在待观测水域水下分别固定第一超声收发器S1，第二超声收发器S2和第三超声收发器S3，进行声信号互返传输。在本实施例中信号设计选用10阶M序列声信号，Q＝2(Q代表M序列位元所占用的载波周期数)，以保证声信号在满足同发同收的同时具有较高的信噪比(同发同收即各个超声收发器之间的发射间隔为0s)。

第一、第二和第三超声收发器均可接收或发射中心频率为50kHz的超声波信号。三个超声收发器均采用底部表面系泊的方式固定于水下，具体地，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。温度剖面可通过CTD(温盐深仪)或TD链(温深仪)采集得到。高精度的地形数据可通过CTD、船载ADCP(多普勒流速剖面仪)、单波束声呐、多波束声呐等方案获取，其中多波束声呐的观测精度最高，可直接获取三维地形数据。使用船载ADCP(多普勒流速剖面仪)的底跟踪模式以采集地形和分层剖面流速。高精度的声线模拟需要基于高精度的地形数据，因此，ADCP走航观测进行多次来回走航以采集足够多的地形数据，沿传输线的地形数据可由ADCP获得的地形数据进行插值并投影得到。地形数据的获取也可采用CTD、单波束声呐、多波束声呐等方案，其中多波束声呐的观测精度最高，可直接获取三维地形数据。

步骤2：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3：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4：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5：以尽可能每层包含不同的声线为原则，基于声线分布进行垂直分层。两两站位的垂直剖面分3层，对于每条声线可以得到：

进行泰勒展开后得到：

将上式写成矩阵形式，如下：

令定义系数矩阵，x＝v_i定义待反演向量，n定义为观测误差，y＝Δt_i为实测的互返声传播时间差。

步骤6：计算各层的声线长度和传播时间，构建系数矩阵，构建垂直分层流场，获得每一层的路径平均流速和反演误差。采用拉格朗日法来得到x期望的最优解通过约束平方误差值小于预设值来确定λ，该预设值通过期望最大误差值计算得到，再引入H正则化矩阵来平滑结果。此处的H矩阵可以写为：

根据反演误差使用迭代法在步骤1-步骤4往复循环不断提高反演计算精度，进而得到每一层的路径平均流速。

步骤7：设定判断阈值，若每层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。根据反演误差<nn^T>为传播时间差Δt_i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，进而得到每一层的路径平均流速。

步骤8：使用流函数法，以每一层的路径平均流速作为输入数据，反演多层水平二维流场。以每一层的路径平均流速作为输入数据，带入到V_mj代表第j层沿各个路径的路径平均流速，L_i代表第i条路径所对应的两站站位间距，D_k，Q_k分别为待求系数矩阵及已知系数矩阵。此处可写为：

采用锥形最小二乘法来得到x期望的最优解结合L曲线法来确定α值，再次求解逆问题，反演得到多层二维水平流场。

步骤9：最后进行多层流场的可视化处理。

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底部流的流场空间分布，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。

S1、S2、S3三台超声分机的站位间距不超过300m，各个站位的超声收发两用换能器布置于水下约20m处，实验过程采用同发同收的声互易传输方式。首先将3台超声分机进行时间同步，选用10阶M序列声信号，Q＝2(Q代表M序列位元所占用的载波周期数)，以保证声信号在满足同发同收的同时具有较高的信噪比(同发同收即各个超声收发器之间的发射间隔为0s)。所述的第一、第二和第三超声收发器均可接收或发射中心频率为50kHz的超声波信号。

根据步骤2可知，直达径为仅通过几乎没有温度变化的直线，因此利用直达径的声线长度可以准确地估算两站之间的站位距离：S1-S2为270m，S1-S3为283.64m，S2-S3为224.01m。

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，并计算得到分层后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

通过MATLAB编写本方法对应的程序，首先构建了垂直分层流场，计算得到了S1-S2，S1-S3，S2-S3传输剖面上每一层的路径平均流速，发现第三层流速较大并且波动明显。再将第三层的路径平均流速作为已知量，应用流函数法再次求解逆问题，绘制出第三层即底部流场的分布情况。如图4所示，从计算结果来看，观测底部流的大小在0.5-1.2m/s之间，波动较大，表明了本方法在小尺度水域观测分层水平二维流场的有效性。

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 (9)

1.一种小尺度分层水平二维流场观测方法，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)以尽可能每层包含不同的声线为原则，基于声线分布进行垂直分层；计算每个层的声线长度和传播时间，构建系数矩阵，构建垂直分层流场，获得每一层的路径平均流速和反演误差；

(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)使用流函数法，以每一层的路径平均流速作为输入数据，反演多层水平二维流场；

(9)进行多层流场的可视化处理。

2.根据权利要求1所述的小尺度分层水平二维流场观测方法，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所述的小尺度分层水平二维流场观测方法，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所述的小尺度分层水平二维流场观测方法，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所述的小尺度分层水平二维流场观测方法，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所述的小尺度分层水平二维流场观测方法，其特征在于，步骤(6)中，进行垂直分层时，将两两站位的垂直剖面上分j层；

对于每条声线得到：v_j代表第j层的路径平均流速；t_i ^±代表第i条声线的正向和反向传播时间；l_ij代表第i条声线经过第j层的长度；C_0j和δC_j分别代表第j层的参考声速和实际声速与参考声速的偏差。

7.根据权利要求6所述的小尺度分层水平二维流场观测方法，其特征在于，构建垂直分层流场的具体过程为：

对公式进行泰勒展开后得到：/>将/>定义为系数矩阵，x＝v_i定义为待反演向量，n定义为观测误差，y＝Δt_i为实测的互返声传播时间差；

采用拉格朗日法得到x期望的最优解通过约束平方误差值小于预设值来确定λ，该预设值通过期望最大误差值计算得到，再引入H正则化矩阵来平滑结果。

8.根据权利要求7所述的小尺度分层水平二维流场观测方法，其特征在于，反演误差公式为：

式中，<nn^T>为传播时间差Δt_i的期望方差值。

9.根据权利要求1所述的小尺度分层水平二维流场观测方法，步骤(8)的具体过程为：

以每一层的路径平均流速作为输入数据，带入到：

V_mj代表第j层沿各个路径的路径平均流速，L_i代表第i条路径所对应的两站站位间距，D_k、Q_k分别为待求系数矩阵及已知系数矩阵；采用锥形最小二乘法来得到x期望的最优解结合L曲线法来确定α值，再次求解逆问题，反演得到多层二维水平流场。