CN114282574A - 一种用于海洋内波特征参数的反演方法及系统 - Google Patents

一种用于海洋内波特征参数的反演方法及系统 Download PDF

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CN114282574A CN202111547519.8A CN202111547519A CN114282574A CN 114282574 A CN114282574 A CN 114282574A CN 202111547519 A CN202111547519 A CN 202111547519A CN 114282574 A CN114282574 A CN 114282574A
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Abstract

本发明公开了一种用于海洋内波特征参数的反演方法及系统，包括：采集海洋内波SAR图像，提取海洋内波区域图像以及海洋内波区域图像的经纬度范围信息；采集包含海洋内波SAR图像的成像时间、空间范围内的海上实测温度链数据，提取海洋内波区域图像的时空匹配的温度链数据；对温度链数据进行预处理后，进行内波特征参数反演，获取海洋内波特征参数；本发明联合SAR图像和对应区域温度剖面实现了海洋内波特征参数反演，在海洋SAR图像应用以及海洋内波研究提供了技术参考。

Description

一种用于海洋内波特征参数的反演方法及系统
技术领域
本发明涉及海洋内波技术领域，尤其涉及一种用于海洋内波特征参数的反演方法及系统。
背景技术
海洋内波是在密度稳定层的海水中产生的、最大振幅出现在海水内波的波动，振幅从几米到几十米甚至几百米，对水下运动目标具有重要影响。
海洋内波在SAR图像上的明暗条纹特征，使得具有高分辨率、全天时、全天候特点的SAR图像在海洋内波研究方面发挥了重要作用，建立了基于海洋动力学和SAR图像特点的海洋内波特征参数反演经验模型，但模型系数需要根据实测数据修正，反演精度和适应性需要验证，因此，需要联合海洋内波SAR图像和对应区域三组以上剖面数据，建立新的海洋内波特征参数反演方法。
发明内容
为了针对不正常航班管理过程中，运行控制决策仅能依靠航空公司签派员经验分析或者单一指标判定的现状，本发明的目的是提出一种用于海洋内波特征参数的反演方法，改善了传统评估方法不确定性缺点，可以将评定结果定量化表示，实现了不正常航班恢复策略的科学有效评估。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种用于海洋内波特征参数的反演方法，包括以下步骤：
采集海洋内波SAR图像，提取海洋内波区域图像以及海洋内波区域图像的经纬度范围信息；
采集包含海洋内波SAR图像的成像时间、空间范围内的海上实测温度链数据，提取海洋内波区域图像的时空匹配的温度链数据；
对温度链数据进行预处理后，进行内波特征参数反演，获取海洋内波特征参数。
优选地，根据海洋内波在SAR图像上明暗相间的条纹特征，从海洋内波SAR图像中选取海洋内波区域图像，获取海洋内波区域图像的区域范围经纬度信息。
优选地，根据海洋内波SAR图像的成像时间和空间范围，获取该区域对应时间段内的海上实测温度链时序数据。
优选地，在对温度链数据进行预处理的过程中，还包括对温度链数据进行异常值滤除处理；异常值滤除处理的过程包括：对温度链数据进行分段，计算每段的均方差，并根据均方差进行去除异常值；均方差的表达式为：
Figure BDA0003416166120000021
其中，
Figure BDA0003416166120000022
表示第i时刻的观测值，N表示该数据段的观测值个数。
若温度链数据的数据段内的某时刻的观测值，与该数据段的均值偏差大于4.5倍的STD，则认为该时刻的观测值不准确，并用该时刻前后各10个时刻的均值做为该时刻的观测值。
优选地，在对温度链数据进行预处理的过程中，还包括差值处理，差值处理的过程为：根据用于检测温度链数据的间隔设置温深度传感器，采集间隔设置温深度传感器采集的第一深度数据、设计布放深度以及所有传感器的设计布放深度，获取每个传感器所处的第二深度数据；
根据第二深度数据以及间隔设置温深度传感器采集的温度数据以及温度链整体所处空间位置，进行温度数据插值处理。
优选地，在获取海洋内波特征参数的过程中，海洋内波特征参数包括海洋内波的波长、波向、振幅、波速。
优选地，根据温跃层处的温度等值线，获取海洋内波的振幅，其中，海洋内波的振幅用于表示温度等值线的振幅；
采用希尔伯特变换，计算出内波周期；
Figure BDA0003416166120000031
其中，
Figure BDA0003416166120000032
θ(t)为时间信号z(t)的瞬时相位，
Figure BDA0003416166120000033
A(t)为时间信号z(t)的瞬时振幅，
Figure BDA0003416166120000034
Figure BDA0003416166120000035
表示时间序列s(t)的卷积，s(τ)表示s(t)的傅里叶变换；
根据内波周期，获取海洋内波的振幅。
优选地，根据温度链数据的第一观测数据和第二观测数据，提取内波传播时间和传播距离，获取海洋内波的波速；
获取传播时间的计算过程为：
Figure BDA0003416166120000041
Figure BDA0003416166120000042
Figure BDA0003416166120000043
Figure BDA0003416166120000044
Figure BDA0003416166120000045
其中，CC代表第一观测数据x与第二观测数据y之间的相关系数，t表示CC最大时对应的时间，t为内波传播时间。
优选地，海洋内波的波向的表达式为：
α＝θ2+θ
其中，
Figure BDA0003416166120000046
θ表示Vb与正东方向的夹角，θ2表示内波方向与Vb的夹角。
海洋内波的波长的表达式为：
λ＝VT
其中，V为波速，T为波周期。
一种用于海洋内波特征参数的反演系统，包括：
数据采集模块，用于采集海洋内波SAR图像，提取海洋内波区域图像以及海洋内波区域图像的经纬度范围信息；
数据提取模块，用于采集包含海洋内波SAR图像的成像时间、空间范围内的海上实测温度链数据，提取海洋内波区域图像的时空匹配的温度链数据；
数据反演模块，用于对温度链数据进行预处理后，进行内波特征参数反演，获取海洋内波特征参数。
本发明公开了以下技术效果：
本发明联合SAR图像和对应区域温度剖面实现了海洋内波特征参数反演，在海洋SAR图像应用以及海洋内波研究提供了技术参考。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的联合海上实测数据的海洋内波特征参数反演流程图；
图2为本发明实施例所述的海洋SAR图像；
图3为本发明实施例所述的海洋内波区域SAR图像；
图4为本发明实施例所述的内波区域温度链潜标布放示意图；
图5为本发明实施例所述的去除异常值之前的观测数据时间序列；
图6为本发明实施例所述的被去除的异常值分布图；
图7为本发明实施例所述的温度链A链数据段内波图；
图8为本发明实施例所述的温度链B链数据段内波图；
图9为本发明实施例所述的温度链C链数据段内波图；
图10为本发明实施例所述的内波传播示意图。
具体实施方式
下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1-10所示，本发明提供了一种用于海洋内波特征参数的反演方法，包括以下步骤：
采集海洋内波SAR图像，提取海洋内波区域图像以及海洋内波区域图像的经纬度范围信息；
采集包含海洋内波SAR图像的成像时间、空间范围内的海上实测温度链数据，提取海洋内波区域图像的时空匹配的温度链数据；
对温度链数据进行预处理后，进行内波特征参数反演，获取海洋内波特征参数。
优选地，根据海洋内波在SAR图像上明暗相间的条纹特征，从海洋内波SAR图像中选取海洋内波区域图像，获取海洋内波区域图像的区域范围经纬度信息。
优选地，根据海洋内波SAR图像的成像时间和空间范围，获取该区域对应时间段内的海上实测温度链时序数据。
优选地，在对温度链数据进行预处理的过程中，还包括对温度链数据进行异常值滤除处理；异常值滤除处理的过程包括：对温度链数据进行分段，计算每段的均方差，并根据均方差进行去除异常值；均方差的表达式为：
Figure BDA0003416166120000071
其中，
Figure BDA0003416166120000072
表示第i时刻的观测值，N表示该数据段的观测值个数。
若温度链数据的数据段内的某时刻的观测值，与该数据段的均值偏差大于4.5倍的STD，则认为该时刻的观测值不准确，并用该时刻前后各10个时刻的均值做为该时刻的观测值。
优选地，在对温度链数据进行预处理的过程中，还包括差值处理，差值处理的过程为：根据用于检测温度链数据的间隔设置温深度传感器，采集间隔设置温深度传感器采集的第一深度数据、设计布放深度以及所有传感器的设计布放深度，获取每个传感器所处的第二深度数据；
根据第二深度数据以及间隔设置温深度传感器采集的温度数据以及温度链整体所处空间位置，进行温度数据插值处理。
优选地，在获取海洋内波特征参数的过程中，海洋内波特征参数包括海洋内波的波长、波向、振幅、波速。
优选地，根据温跃层处的温度等值线，获取海洋内波的振幅，其中，海洋内波的振幅用于表示温度等值线的振幅；
采用希尔伯特变换，计算出内波周期；
Figure BDA0003416166120000081
其中，
Figure BDA0003416166120000082
θ(t)为时间信号z(t)的瞬时相位，
Figure BDA0003416166120000083
A(t)为时间信号z(t)的瞬时振幅，
Figure BDA0003416166120000084
Figure BDA0003416166120000085
表示时间序列s(t)的卷积，s(τ)表示s(t)的傅里叶变换；
根据内波周期，获取海洋内波的振幅。
优选地，根据温度链数据的第一观测数据和第二观测数据，提取内波传播时间和传播距离，获取海洋内波的波速；
获取传播时间的计算过程为：
Figure BDA0003416166120000091
Figure BDA0003416166120000092
Figure BDA0003416166120000093
Figure BDA0003416166120000094
Figure BDA0003416166120000095
其中，CC代表第一观测数据x与第二观测数据y之间的相关系数，t表示CC最大时对应的时间，t为内波传播时间。
优选地，海洋内波的波向的表达式为：
α＝θ2+θ
其中，
Figure BDA0003416166120000096
θ表示Vb与正东方向的夹角，θ2表示内波方向与Vb的夹角。
海洋内波的波长的表达式为：
λ＝VT
其中，V为波速，T为波周期。
本发明还公开了一种用于海洋内波特征参数的反演系统，包括：
数据采集模块，用于采集海洋内波SAR图像，提取海洋内波区域图像以及海洋内波区域图像的经纬度范围信息；
数据提取模块，用于采集包含海洋内波SAR图像的成像时间、空间范围内的海上实测温度链数据，提取海洋内波区域图像的时空匹配的温度链数据；
数据反演模块，用于对温度链数据进行预处理后，进行内波特征参数反演，获取海洋内波特征参数。
实施例1：海洋内波在运动、传播过程中，引起海面流场的“辐聚辐散”，调制海面微尺度波的空间分布，从而改变了SAR接收的雷达后向散射强度，在SAR图像上表现为亮暗相间的条纹特征；同时海洋内波在运动、传播过程中，海水密度在密度跃层上下很小的范围内变化很大，因此，传统方法采用两层海洋系统用KDV方程反演海洋内波特征参数，但KDV方程及其扩展方程在定量地揭示海洋内波的水平一维运动传播特征方面能力不足，而且无法描述海洋内波的二维运动传播特征。
针对上述问题，本发明提供了的海洋内波特征参数反演方法，包括以下步骤：
S1、从海洋SAR图像中选取海洋内波区域图像；
优选的，所选区域最好为矩形，包含有海洋内波明暗条纹特征，裁切所述海洋内波区域图像，获取经纬度范围信息；
S2、基于海洋内波区域范围位置信息获取海上实测数据
优选的，获取海洋内波区域范围内包含至少三组布放位置不在同一直线上的时间配准的海上实测温度链数据；
S3、温度链数据预处理，具体地：
S31、异常值滤除：
对观测数据进行分段，计算每段的均方差(STD)：
Figure BDA0003416166120000111
其中，
Figure BDA0003416166120000112
数据段内某时刻的观测值与该数据段的均值偏差大于4.5倍的STD，则认为该时刻的观测值为异常值，采用该时刻前后各10个时刻的均值做为该时刻的观测值。
S32、温度链观测数据插值：
根据TD观测到的深度数据、TD的设计布放深度以及所有传感器的设计布放深度，计算每个传感器所处的实际水深，然后进行温度数据插值。
S4、基于海上实测温度链数据的海洋内波特征参数反演，具体地：
S41、海洋内波振幅反演：
绘制插值后的温度剖面数据的等值线，内波区不同深度上等值线的振幅即为对应深度内波的振幅。
S42、海洋内波周期反演：
采用希尔伯特变换计算出内波周期：
首先计算时间序列s(t)的卷积
Figure BDA0003416166120000121
Figure BDA0003416166120000122
其次将s(t)和
Figure BDA0003416166120000123
组成一个新的信号z(t)
Figure BDA0003416166120000124
其中，A(t)和θ(t)分别是时间信号的瞬时振幅和瞬时相位；最后，由瞬时相位可以计算出瞬时频率ω(t)和特征时间尺度T，
Figure BDA0003416166120000125
Figure BDA0003416166120000126
S43、海洋内波波速反演：
三组温度链潜标观测系统(A、B、C)，通过两个温度链潜标观测系统之间的相关系数分析，计算内波在两点之间的传播时间。
相关系数计算公式：
Figure BDA0003416166120000127
Figure BDA0003416166120000128
Figure BDA0003416166120000129
Figure BDA00034161661200001210
Figure BDA0003416166120000131
其中，CC代表数据x与数据y之间的相关系数，找到使相关系数CC最大的t，即为内波在两点之间传播所用时间。
则A、B观测系统和A、C观测系统观测到的内波波速分别表示为：
Figure BDA0003416166120000132
其中lAB为A、B两点之间的直线距离，lAC为A、C两点之间的直线距离。
S44、海洋内波波向反演：
α＝θ2+θ
其中，
Figure BDA0003416166120000133
S45、海洋内波波速反演：
V＝Vb·cosθ2；
S46、海洋波长反演：
海洋内波波长表示为：
λ＝VT
其中，V为波速，T为波周期。
实施例2：下面以2021年5月16日的一幅海洋SAR图像数据为例，说明一种联合海上实测数据和SAR图像的海洋内波特征参数反演方法流程，具体如下：
(1)海洋内波区域图像选取
通过目视，在海洋SAR图像(如图2所示)中选取一个矩形区域，该区域中包含海洋内波明暗条纹特征(如图3所示)。
(2)获取时空匹配的三组温度链观测数据
根据海洋SAR图像获取时间，收集该区域包含2021年5月16日的三组温度链观测数据(如图4所示)。
(3)温度链观测数据预处理
温度链观测数据预处理主要进行异常值滤除、插值。异常值滤除之前的某深度的温度分布(如图5所示)可见存在明显的异常值，采用对观测数据进行分段，计算每段的均方差，设定数据段内的某时刻的观测值与该数据段的均值偏差大于4.5倍的STD，则认为该时刻的观测值为异常值(如图6所示)予以滤除，其值取该时刻前后各10个时刻的均值。
然后，根据TD观测到的深度数据、TD的设计布放深度以及所有传感器的设计布放深度，计算每个传感器所处的实际水深，然后进行温度数据插值(如图7所示)。
(4)海洋内波特征参数反演
1)海洋内波深度判定
根据温度剖面数据，认为温跃层所处深度即为海洋内波深度。
2)海洋内波振幅反演
分别绘制三组温度剖面数据的等值线(如图7、8、9所示)，内波区(如图7、8、9红框区域)不同深度上等值线的振幅即为对应深度内波的振幅，如图7中03:39时刻最大振幅为60m，图8中03:39时刻最大振幅为24m，图9中02:59时刻最大振幅为55m。
3)海洋内波周期反演
采用希尔伯特变换计算出内波周期T。计算方法如下：
首先计算时间序列s(t)的卷积
Figure BDA0003416166120000151
Figure BDA0003416166120000152
随后将s(t)和
Figure BDA0003416166120000153
组成一个新的信号z(t)
Figure BDA0003416166120000154
其中，A(t)和θ(t)分别是时间信号的瞬时振幅和瞬时相位；再由瞬时相位可以计算出瞬时频率ω(t)，最后求出特征时间尺度T，既该段时间序列的周期。
Figure BDA0003416166120000155
Figure BDA0003416166120000156
本示例中计算出的内波周期约为16分钟。
4)海洋内波波向反演
利用三组温度链潜标观测系统(A、B、C)，分别计算分析两两温度链潜标观测系统之间的相关系数，取使相关系数最大的时间作为内波在两点之间传播所用时间，然后分别两组观测系统观测到的内波波速Vb、Vc，进一步计算内波波速V。
则A、B观测系统和A、C观测系统观测到的内波波速分别表示为：
Figure BDA0003416166120000161
其中lAB为A、B两点之间的直线距离，lAC为A、C两点之间的直线距离，tAC为内波由A点传播到C点所需要的时间，tAB为内波由A点传播到B点所需要的时间。
海洋内波波向α表达式为：
α＝θ2+θ
其中，
Figure BDA0003416166120000162
为内波实际传播方向与
Figure BDA0003416166120000163
的夹角。根据A、B、C点位的位置关系(如图4所示)，计算出内波波向为136.31°。
5)内波波速反演
海洋内波波速V表达式为：
V＝Vb·cosθ2
本示例计算得到的海洋内波传播速度约为0.82m/s。
6)海洋内波波长反演
利用海洋内波波速V，周期T计算内波波长：
λ＝VT
其中，V为波速，T为波周期。本实施例观测到的海洋内波波长约为785.5m。
本发明联合SAR图像和对应区域温度剖面实现了海洋内波特征参数反演，在海洋SAR图像应用以及海洋内波研究提供了技术参考。

Claims (10)

1.一种用于海洋内波特征参数的反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集海洋内波SAR图像，提取海洋内波区域图像以及所述海洋内波区域图像的经纬度范围信息；
采集包含所述海洋内波SAR图像的成像时间、空间范围内的海上实测温度链数据，提取所述海洋内波区域图像的时空匹配的温度链数据；
对所述温度链数据进行预处理后，进行内波特征参数反演，获取海洋内波特征参数。
2.根据权利要求1所述一种用于海洋内波特征参数的反演方法，其特征在于：
根据海洋内波在SAR图像上明暗相间的条纹特征，从所述海洋内波SAR图像中选取所述海洋内波区域图像，获取所述海洋内波区域图像的区域范围经纬度信息。
3.根据权利要求2所述一种用于海洋内波特征参数的反演方法，其特征在于：
根据所述海洋内波SAR图像的成像时间和空间范围，获取该区域对应时间段内的所述海上实测温度链时序数据。
4.根据权利要求3所述一种用于海洋内波特征参数的反演方法，其特征在于：
在对所述温度链数据进行预处理的过程中，还包括对所述温度链数据进行异常值滤除处理；所述异常值滤除处理的过程包括：对所述温度链数据进行分段，计算每段的均方差，并根据所述均方差进行去除异常值；所述均方差的表达式为：
Figure FDA0003416166110000021
其中，
Figure FDA0003416166110000022
Ai表示第i时刻的观测值，N表示该数据段的观测值个数。
若所述温度链数据的数据段内的某时刻的观测值，与该数据段的均值偏差大于4.5倍的STD，则认为该时刻的所述观测值不准确，并用该时刻前后各10个时刻的均值做为该时刻的所述观测值。
5.根据权利要求4所述一种用于海洋内波特征参数的反演方法，其特征在于：
在对所述温度链数据进行预处理的过程中，还包括差值处理，所述差值处理的过程为：根据用于检测所述温度链数据的间隔设置温深度传感器，采集所述间隔设置温深度传感器采集的第一深度数据、设计布放深度以及所有传感器的设计布放深度，获取每个传感器所处的第二深度数据；
根据所述第二深度数据以及所述间隔设置温深度传感器采集的温度数据以及温度链整体所处空间位置，进行温度数据插值处理。
6.根据权利要求5所述一种用于海洋内波特征参数的反演方法，其特征在于：
在获取海洋内波特征参数的过程中，所述海洋内波特征参数包括所述海洋内波的波长、波向、振幅、波速。
7.根据权利要求6所述一种用于海洋内波特征参数的反演方法，其特征在于：
根据温跃层处的温度等值线，获取所述海洋内波的振幅，其中，所述海洋内波的振幅用于表示所述温度等值线的振幅；
采用希尔伯特变换，计算出内波周期；
Figure FDA0003416166110000031
其中，
Figure FDA0003416166110000032
θ(t)为时间信号z(t)的瞬时相位，
Figure FDA0003416166110000033
A(t)为时间信号z(t)的瞬时振幅，
Figure FDA0003416166110000034
Figure FDA0003416166110000035
表示时间序列s(t)的卷积，s(τ)表示s(t)的傅里叶变换；
根据所述内波周期，获取所述海洋内波的振幅。
8.根据权利要求7所述一种用于海洋内波特征参数的反演方法，其特征在于：
根据所述温度链数据的第一观测数据和第二观测数据，提取内波传播时间和传播距离，获取所述海洋内波的波速；
获取所述传播时间的计算过程为：
Figure FDA0003416166110000036
Figure FDA0003416166110000041
Figure FDA0003416166110000042
Figure FDA0003416166110000043
Figure FDA0003416166110000044
其中，CC代表所述第一观测数据x与所述第二观测数据y之间的相关系数，t表示CC最大时对应的时间，t为所述内波传播时间。
9.根据权利要求8所述一种用于海洋内波特征参数的反演方法，其特征在于：
所述海洋内波的波向的表达式为：
α＝θ2+θ
其中，
Figure FDA0003416166110000045
θ表示Vb与正东方向的夹角，θ2表示内波方向与Vb的夹角。
所述海洋内波的波长的表达式为：
λ＝VT
其中，V为波速，T为波周期。
10.一种用于海洋内波特征参数的反演系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于采集海洋内波SAR图像，提取海洋内波区域图像以及所述海洋内波区域图像的经纬度范围信息；
数据提取模块，用于采集包含所述海洋内波SAR图像的成像时间、空间范围内的海上实测温度链数据，提取所述海洋内波区域图像的时空匹配的温度链数据；
数据反演模块，用于对所述温度链数据进行预处理后，进行内波特征。
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