CN115616073B - 利用水听器估算海草床氧气释放量的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用水听器估算海草床氧气释放量的方法及装置，该方法包括以下步骤：在海草区域任意横断面的两端分别设置声源和水听器，声源发射初始声学信号，初始声学信号经传播后定义为衰减声学信号，水听器接收衰减声学信号，根据初始声学信号和衰减声学信号计算海草区域的声波速度和衰减参数；在无海草区域按照S1的步骤制作量版，获得对应氧气含量的声波速度变化量和衰减参数变化量；将声波速度的偏差量和衰减参数的偏差量分别与声波速度变化量和衰减参数变化量进行对比，计算得到海草区域的氧气释放量。本发明的有益效果是：采样简单，无需大量人工，并且采样时刻间隔小。
Description
技术领域
本发明涉及海洋植物氧气监测技术领域，尤其涉及一种利用水听器估算海草床氧气释放量的方法及装置。
背景技术
海草是一种生长在热带、亚热带和温带海洋中的高等被子植物，主要分布在靠近海岸线浅海的强光层，其具有典型的根，茎，叶以及叶脉结构，能够进行光合作用。目前，由于CO2过量排放引起的气候变化问题已成为世界性的问题，减少CO2的排放已经成为全球各国的共识。海草是重要的碳库，其固碳的能力是陆地生态系统的10倍以上，此外，海草对维持海洋生态系统也有重要的作用，海草通过光合作用产生的氧气，能够补充海水中的氧气含量，能够改善海洋环境。
因此，估算海草释放氧气的能力对于评估海草的CO2固定效果尤为重要。目前，估算海草氧气释放量的主要方法与水文调查中溶解氧的测量方法相同，在研究的海草区域，按一定的采样间隔，取一定的水样，然后通过化学或电学的方法在原位或者回到实验室测量氧气的含量，如文献《刘公岛海洋牧场底层海水溶解氧浓度的变化特征》，通过综合分析多个站位上的氧气释放量来估算目标海域的氧气释放量。
上述估算方法主要存在以下几个方面的缺陷：（1）工作费时，难以估算大面积的海草情况；（2）成本高，采样的时间间隔一般较大，难以评估氧气释放量随时间的变化关系等。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种利用水听器估算海草床氧气释放量的方法及装置，主要解决基于水样测量的方法耗时长以及采样时间间隔较大的问题。
为解决上述技术问题，本发明第一方面提出了一种利用水听器估算海草床氧气释放量的方法，包括以下步骤：
S1，在海草区域任意横断面的两端分别设置声源和水听器，所述声源发射初始声学信号，所述初始声学信号经传播后定义为衰减声学信号，所述水听器接收所述衰减声学信号，根据所述初始声学信号和所述衰减声学信号计算所述海草区域的声波速度和衰减参数；
S2，在无海草区域按照S1的步骤制作量版，获得对应氧气含量的声波速度变化量和衰减参数变化量；
S3，将所述声波速度的偏差量和所述衰减参数的偏差量分别与所述声波速度变化量和所述衰减参数变化量进行对比，计算得到所述海草区域的氧气释放量。
本发明第二方面提出了一种利用水听器估算海草床氧气释放量的装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任一所述方法的步骤。
本发明的有益效果为：通过在海草区域选择一横断面分别设置声源和水听器，用于获取海草区域实际的声波速度和衰减参数，然后在无海草区域制作量版，获得量版声波速度和量版衰减参数，最终将实际数据与量版数据进行比对，获取海草区域的氧气释放量，其采样简单，无需大量人工，并且采样时刻间隔小。
附图说明
图1为本发明实施例一公开的利用水听器估算海草床氧气释放量的方法的流程图；
图2为本发明实施例一公开的声源和水听器的安装示意图；
图3为本发明实施例二公开的利用水听器估算海草床氧气释放量的装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
实施例一
本实施例提出了一种利用水听器估算海草床氧气释放量的方法，通过在海草区域选择一横断面分别设置声源和水听器，用于获取海草区域实际的声波速度和衰减参数，然后在无海草区域制作量版，获得量版声波速度和量版衰减参数，最终将实际数据与量版数据进行比对，获取海草区域的氧气释放量。因此，本方法仅仅针对估算一个横断面上的氧气释放量，可直接拓展到估算一个立体空间上的氧气释放量。
如图1所示，包括以下步骤S1-S3：
S1，在海草区域任意横断面的两端分别设置声源和水听器，声源发射初始声学信号，初始声学信号经传播后定义为衰减声学信号，水听器接收衰减声学信号，根据初始声学信号和衰减声学信号计算海草区域的声波速度和衰减参数；
步骤S1中，至少包括3个垂直设置的声源，以及至少包括4个垂直设置的水听器。在本实施例中，布设声源阵列和水听器阵列用于采集数据。声源和水听器的布设如图2所示，图中所示声源激发点3个，水听器阵列包含4个水听器，具体可根据情况增加声源和水听器的个数。
在S1中，将水听器接收记录的衰减声学信号记为，其中，为第个声源的位置，为第个水听器的位置，为信号采集时间序列。
基于衰减声学信号进行线性化反演，获得声源和水听器之间断面的声波速度，其中，为断面水平方向的坐标，为断面垂直方向的坐标。
线性化反演包括以下的步骤S101-S1010：
S101，从上拾取每一个声源传播到不同水听器的初至时间，初至时间即声波穿过海水最早到达水听器的时间。将所有的初至时间按照声源的位置顺序排列为一个向量；对于如图2所示的情形，由于有3个声源，因此总计3次激发，每次激发有4个水听器分别接收到3个声源发送的信号，所以总计有12个初至时间，向量包含12个元素。
S102，定义声波速度反演的目标函数为：
其中，为声波速度，为计算得到的初至旅行时，为实际拾取的旅行时；
S103，给定声源和水听器之间断面的初始声波速度，采用线性化的方式求解目标函数，由于声波在海水中的传播速度经验值为1500m/s。由此取为常数1500。计算得到初至旅行时：
其中，为初始声学信号从声源传播到水听器的初至时间，为初始声学信号从声源传播到水听器的射线路径，该射线路径可采用常规的最短路径方法获得，为初始声波速度的倒数，把按照和相同的顺序排为一个列向量；
S104，根据和之间的差值计算声波速度更新量，声波速度更新量为：
其中，为射线路径按照和时序排列得到的矩阵；
S105，根据声波速度更新量更新声波速度，得到新的声波速度，新的声波速度为：
S106，以更新后的新的声波速度为初始模型，重复步骤S103-S105，直到进入预设范围以内，输出断面的最终的声波速度。
基于衰减声学信号进行线性化反演，获得获得声源和水听器之间断面的衰减参数，初始声学信号的强度定义为,衰减声学信号的强度定义为，。
S107，从上拾取每一个声源传播到不同水听器的振幅，将所有的振幅按声源的位置顺序排列为一个向量，对于如图2所示的情形，一共3次激发，每次激发有4个水听器接收，所以一共有12个振幅值，向量包含12个元素。
S108，基于最终的声波速度，采用最短路径射线追踪法计算每一个声源和水听器对信号的射线路径，
S109，对向量进行离散化，得到矩阵方程：。
S1010，求解矩阵方程得到衰减参数。
S2，在无海草区域按照S1的步骤制作量版，获得对应氧气含量的声波速度变化量和衰减参数变化量；
S2中，设定没有海草生长的海域为参考海域，因此，在无海草区域的海水中加入不同含量的氧气，获得不同氧气含量对应的声波速度变化量和衰减参数变化量，定义为对照量版。对照量版也可以在实验室内制作完成。
无海草区域的背景初始声波速度和背景衰减参数分别记为，；一般可设定为1500m/s，为0。参考值可根据海域的不同变化。将步骤S1获得的声波速度和衰减参数分别与背景初始声波速度和背景衰减参数相减，计算出声波速度和衰减参数的偏差量：
S3，将声波速度的偏差量和衰减参数的偏差量分别与声波速度变化量和衰减参数变化量进行对比，计算得到海草区域的氧气释放量。
即，在S1和S2的基础上，将上述的偏差量与对照量版（变化量）进行对照，获得海草区域的氧气释放量。
实施例二
参阅图3所示，本实施例提供的利用水听器估算海草床氧气释放量的装置包括处理器、存储器以及存储在该存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，例如利用水听器估算海草床氧气释放量的程序。该处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例一的步骤，例如图1所示的步骤。
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述利用水听器估算海草床氧气释放量的装置中的执行过程。
所述利用水听器估算海草床氧气释放量的装置可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述利用水听器估算海草床氧气释放量的装置可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，图3仅仅是利用水听器估算海草床氧气释放量的装置的示例，并不构成利用水听器估算海草床氧气释放量的装置的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述利用水听器估算海草床氧气释放量的装置还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC) 、现成可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器可以是所述利用水听器估算海草床氧气释放量的装置的内部存储元，例如利用水听器估算海草床氧气释放量的装置的硬盘或内存。所述存储器也可以是所述利用水听器估算海草床氧气释放量的装置的外部存储设备，例如所述利用水听器估算海草床氧气释放量的装置上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括所述利用水听器估算海草床氧气释放量的装置的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器用于存储所述计算机程序以及所述利用水听器估算海草床氧气释放量的装置所需的其他程序和数据。所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种利用水听器估算海草床氧气释放量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在海草区域任意横断面的两端分别设置声源和水听器，至少包括3个竖直设置的声源，以及至少包括4个竖直设置的水听器，所述声源发射初始声学信号，所述初始声学信号经传播后定义为衰减声学信号，所述水听器接收所述衰减声学信号，根据所述初始声学信号和所述衰减声学信号计算所述海草区域的声波速度和衰减参数；
S2，在无海草区域按照S1的步骤制作对照量版，获得对应氧气含量的声波速度变化量和衰减参数变化量；
S3，将所述声波速度的偏差量和所述衰减参数的偏差量分别与所述声波速度变化量和所述衰减参数变化量进行对比，计算得到所述海草区域的氧气释放量；
在S1中，将水听器接收记录的所述衰减声学信号记为，其中，为第i个声源的位置，为第j个水听器的位置，为信号采集时间序列；
基于所述衰减声学信号进行线性化反演，获得所述声源和所述水听器之间断面的声波速度，其中，为断面水平方向的坐标，为断面垂直方向的坐标；
所述线性化反演包括：
S101，从上拾取每一个声源传播到不同水听器的初至时间，将所有的所述初至时间按照声源的位置顺序排列为一个向量；
S102，定义所述声波速度反演的目标函数为：
（1）
其中，为声波速度，为计算得到的初至旅行时，为实际拾取的旅行时；
S103，给定所述声源和所述水听器之间断面的初始声波速度，采用线性化的方式求解所述目标函数，计算得到初至旅行时：
（2）
其中，为初始声学信号从声源传播到水听器的初至时间，为初始声学信号从声源传播到水听器的射线路径，为初始声波速度的倒数，把按照和相同的顺序排为一个列向量；
S104，根据和之间的差值计算声波速度更新量，所述声波速度更新量为：
（3）
（4）
其中，为射线路径按照时序排列得到的矩阵；
S105，根据所述声波速度更新量更新所述声波速度，得到新的声波速度，所述新的声波速度为：
（5）
S106，以更新后的所述新的声波速度为初始模型，重复步骤S103-S105，直到进入预设范围以内，输出断面的最终的声波速度；
基于所述衰减声学信号进行线性化反演，获得所述声源和所述水听器之间断面的所述衰减参数，所述初始声学信号的强度定义为,所述衰减声学信号的强度定义为，
（6）；
S107，从上拾取每一个声源传播到不同水听器的振幅，将所有的所述振幅按声源的位置顺序排列为一个向量；
S108，基于所述最终的声波速度，采用最短路径射线追踪法计算每一个声源和水听器对信号（，）的射线路径，
S109，对向量进行离散化，得到矩阵方程：
（7）
S1010，求解所述矩阵方程得到所述衰减参数；
无海草区域的背景初始声波速度和背景衰减参数分别记为，，将步骤S1获得的所述声波速度和所述衰减参数分别与所述背景初始声波速度和所述背景衰减参数相减，计算出所述声波速度和所述衰减参数的偏差量：
（8）
将所述偏差量与所述对照量版进行对照，获得所述海草区域的氧气释放量。
2.如权利要求1所述的利用水听器估算海草床氧气释放量的方法，其特征在于，S2中，在所述无海草区域的海水中加入不同含量的氧气，获得不同氧气含量对应的声波速度变化量和衰减参数变化量，定义为对照量版。
3.一种利用水听器估算海草床氧气释放量的装置，其特征在于：包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1或2所述方法的步骤。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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