CN115950618B - 一种基于斜压模态的海上平台内孤立波预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于斜压模态的海上平台内孤立波预警方法，包括以下步骤：S1、在海上平台所在海域设置水听器和坐底发射换能器，采集实测声压值；S2、对流体动力方程进行求解，得到海上平台海域的斜压模态；S3、根据斜压模态，构建海水声速方程；S4、将海水声速方程进行变换，得到斜压模态幅度与海水声速关系式；S5、根据实测声压值、以及斜压模态幅度与海水声速关系式，采用遗传算法对斜压模态幅度进行求解，得到斜压模态幅度值；S6、根据斜压模态幅度值，对内孤立波进行监控并预警；本发明解决了现有技术监控范围小、监控时间有限，以及漏报或误报的问题。

Description

一种基于斜压模态的海上平台内孤立波预警方法

技术领域

本发明涉及内孤立波预警方法，具体涉及一种基于斜压模态的海上平台内孤立波预警方法。

背景技术

内孤立波是有一种常见的海洋动力学活动，它普遍存在于全球各个海域。与海表面波浪不同，它主要表现为海洋内部密度层的起伏扰动，振幅可达到百米，能量大且不易衰减，对水下结构物作用时间长，对海上平台等结构物的安全造成极大的危害。因此，在海洋工程技术领域内孤立波素有“水下魔鬼”的称呼，南海海域存在大范围，全时段的内孤立波活动现象，东沙附近海域多次发生海洋平台作业设备受到内孤立波作用而故障产生的险情。因此，采取措施对海洋平台附近海域的内孤立波进行监测预警，对于降低内孤立波对于海洋平台的危害是非常有必要的。

目前对于内孤立波的监测方法主要有两种：

1、利用传感器布放在内孤立波通过的水体，进行原位测量。这种方法主要是布放温度、盐度、声速、流速传感器对布放位置海域的水体状态扰动进行测量，进而识别内孤立波。利用传感器布放在内孤立波通过的水体，进行原位测量的方法，虽然能够对测量点通过的内孤立波进行较为准确的测量，但是只能测量传感器布放的位置，如果要进行大面积的覆盖需要大量的设备布放，从时间和设备成本上来说无法实现，难以在海上平台附近海域提供大范围的预警服务。

2、利用合成孔径雷达(SAR)和光学遥感观测的办法对海面状态进行观测，通过根据海面带状波澜等特征进行识别。利用合成孔径雷达(SAR)和光学遥感对海面状态进行观测的方法，虽然可以提供大范围的内孤立波观测结果。但是由于光波、电磁波在水体中衰减很快，这类方法只限于海面观测，对于水下内孤立波的振幅等性质进行推断是不准确的，对于海面特征不明显的内孤立波可能会漏报或误报。同时雷达和光学卫星受到轨道、降雨天气、云层等因素的干扰，很难提供24小时实时的连续预警服务于海上平台。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于斜压模态的海上平台内孤立波预警方法解决了以下技术问题：

1、利用传感器布放在内孤立波通过的水体，进行原位测量的方法存在监测范围小的问题；

2、利用合成孔径雷达(SAR)和光学遥感对海面状态进行观测的方法存在对于海面特征不明显的内孤立波可能会漏报或误报，同时服务时间无法连续的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于斜压模态的海上平台内孤立波预警方法，包括以下步骤：

S1、在海上平台所在海域设置水听器和坐底发射换能器，采集实测声压值；

S2、对流体动力方程进行求解，得到海上平台海域的斜压模态；

S3、根据斜压模态，构建海水声速方程；

S4、将海水声速方程进行变换，得到斜压模态幅度与海水声速关系式；

S5、根据实测声压值，以及斜压模态幅度与海水声速关系式，采用遗传算法对斜压模态幅度进行求解，得到斜压模态幅度值；

S6、根据斜压模态幅度值，对内孤立波进行监控并预警。

进一步地，所述步骤S2中流体动力方程为：

其中，W为水质子的流速，z为海深，ε为相速度，N为浮力频率。

进一步地，所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、根据海上平台海域的斜压模态，构建水质子运动方程；

S32、根据物态方程和水质子运动方程，得到海水温度扰动；

S33、根据海水温度扰动和海水盐度对海水声速的影响，构建海水声速经验方程；

S34、根据海水声速经验方程，计算背景声速值；

S35、根据背景声速值、斜压模态和海水温度扰动，构建海水声速方程。

进一步地，所述步骤S31中水质子运动方程为：

其中，W为水质子的流速，为第n阶斜压模态，b_n为第n阶斜压模态权重；

所述步骤S32中物态方程为：

其中，T为海水温度扰动，t为时间，W为水质子的流速，z为海深，为偏导；

所述步骤S32中海水温度扰动的表达式为：

其中，T为海水温度扰动，z为海深，为第n阶斜压模态，b_n为第n阶斜压模态权重；

所述步骤S33中海水声速经验方程为：

其中，c为海水声速，T为海水温度扰动，S为海水盐度，z为海深。

进一步地，所述步骤S35中海水声速方程为：

其中，c为海水声速，c0为背景声速值，T为海水温度扰动，为第n阶斜压模态，z为海深，an为第n阶声速基函数/>系数。

进一步地，所述步骤S4中斜压模态幅度与海水声速关系式为：

其中，c为海水声速，c0为背景声速值，为第n阶斜压模态，dn为第n阶斜压模态的幅度。

进一步地，所述步骤S5包括以下分步骤：

S51、将多个斜压模态的幅度构建为种群个体，并赋予种群中个体初值；

S52、将个体值带入斜压模态幅度与海水声速关系式，得到声速值；

S53、将个体值对应的声速值带入简正波计算模型Kraken，得到两个坐底发射换能器处的拷贝场声压值；

S54、根据两个水听器实时采集的信号，得到两个水听器的实测声压值；

S55、根据匹配场处理的办法，将两个拷贝场声压值与两个实测声压值进行匹配，构建代价函数；

S56、根据代价函数，计算拷贝场声压值和实测声压值的相关程度值；

S57、判断相关程度值是否小于阈值，若是，则当前的个体值为所需的斜压模态幅度值，结束分步骤，若否，则跳转至步骤S58；

S58、对种群中的个体进行交叉和变异，得到新的个体值，并跳转至步骤S52。

进一步地，所述步骤S55中代价函数为：

其中，D为相关程度值，p₁为第一实测声压值，p₂为第二实测声压值，k₁为与第一实测声压值p₁匹配的第一拷贝场声压值，k₂为与第二实测声压值p₂匹配的第二拷贝场声压值，*为共轭符号，||为取模运算。

进一步地，所述步骤S6包括以下分步骤：

S61、将第1阶斜压模态幅度值和第2阶斜压模态幅度值分别对时间求偏导，得到第一幅度变化曲线和第二幅度变化曲线；

S62、当第一幅度变化曲线与第二幅度变化曲线在横坐标上存在三个不连续的交叉点，则判定海上平台所在的监控区域出现内孤立波，并进行预警，其中，横坐标为时间，纵坐标为斜压模态幅度值。

综上，本发明的有益效果为：

1、本发明提供一种基于斜压模态的海上平台内孤立波预警方法，在海上平台所在海域下设置水听器和坐底发射换能器，实现海上平台周边大范围、不间断的水下内孤立波的声学预警，保障海上平台的安全。

2、本发明通过实测声压值去找到合适的斜压模态值，通过斜压模态值的变化曲线预测内孤立波，实现从内孤立波最本质的物理机制出发，能够有效避免误判，高准确率的预测内孤立波。

附图说明

图1为一种基于斜压模态的海上平台内孤立波预警方法的流程图；

图2为水听器和坐底发射换能器的布置示意图；

图3为“∞”状振荡图形图；

图4为前两阶模态的典型特征示例图；

图5为内孤立波发生时等密度线变化的变化趋势示例图；

图6为内孤立波的预警示例图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种基于斜压模态的海上平台内孤立波预警方法，包括以下步骤：

S1、在海上平台所在海域设置水听器和坐底发射换能器，采集实测声压值；

在本实施例中，如图2所示，步骤S1中布置水听器和坐底发射换能器的方式为：

对于海上平台需警戒的每一个方向，布放一对水听器和坐底发射换能器(一般平行于等深线的两个方向加上等深线变深的一个方向，共三个方向即可)，由海上平台上的电线连接，通过海上平台进行供电。

坐底发射换能器在距离海底1米的深度发射声波。坐底发射换能器距离海上平台的位置、发射声频率和源级主要由区域的海深和需要预警的范围综合确定。考虑近海海上平台的一般情况，建议设置标准为：坐底换能器距离海上平台5公里，声源级180分贝，发射单频200赫兹信号，每10秒发射一次，由海上平台连接出来的电线进行供电。

水听器可采用BK8104或TC4013等型号。固定在海上平台处，深度为海深的三分之一、三分之二即可。

S2、对流体动力方程进行求解，得到海上平台海域的斜压模态；

所述步骤S2中流体动力方程为：

其中，W为水质子的流速，z为海深，ε为相速度，N为浮力频率。

在本实施例中，对流体动力方程采用SEAWATER Library Routines工具箱进行计算，设置海底海面为刚性边界，浮力频率利用平台海域平均温度剖面和平均盐度剖面计算，考虑前二阶可以描述绝大多数的海洋扰动，可以获得第1阶斜压模态和第2阶斜压模态，其中，平均温度剖面、平均盐度剖面和海深数据是通过查阅资料得到。

S3、根据斜压模态，构建海水声速方程；

所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、根据海上平台海域的斜压模态，构建水质子运动方程；

步骤S31中水质子运动方程为：

其中，W为水质子的流速，为第n阶斜压模态，b_n为第n阶斜压模态权重；

S32、根据物态方程和水质子运动方程，得到海水温度扰动；

所述步骤S32中物态方程为：

其中，T为海水温度扰动，t为时间，W为水质子的流速，z为海深，为偏导；

所述步骤S32中海水温度扰动的表达式为：

其中，T为海水温度扰动，z为海深，为第n阶斜压模态，b_n为第n阶斜压模态权重；

S33、根据海水温度扰动和海水盐度对海水声速的影响，构建海水声速经验方程；

所述步骤S33中海水声速经验方程为：

其中，c为海水声速，T为海水温度扰动，S为海水盐度，z为海深。

S34、根据海水声速经验方程，计算背景声速值；

S35、根据背景声速值、斜压模态和海水温度扰动，构建海水声速方程。

所述步骤S35中海水声速方程为：

其中，c为海水声速，c₀为背景声速值，T为海水温度扰动，为第n阶斜压模态，z为海深，a_n为第n阶声速基函数/>系数。

S4、将海水声速方程进行变换，得到斜压模态幅度与海水声速关系式；

所述步骤S4中斜压模态幅度与海水声速关系式为：

其中，c为海水声速，c₀为背景声速值，为第n阶斜压模态，d_n为第n阶斜压模态的幅度。

S5、根据实测声压值、以及斜压模态幅度与海水声速关系式，采用遗传算法对斜压模态幅度进行求解，得到斜压模态幅度值；

所述步骤S5包括以下分步骤：

S51、将多个斜压模态的幅度构建为种群个体，并赋予种群中个体初值；

S52、将个体值带入斜压模态幅度与海水声速关系式，得到声速值；

S53、将个体值对应的声速值带入简正波计算模型Kraken，得到两个坐底发射换能器处的拷贝场声压值；

S54、根据两个水听器实时采集的信号，得到两个水听器的实测声压值；

S55、根据匹配场处理的办法，将两个拷贝场声压值与两个实测声压值进行匹配，构建代价函数；

所述步骤S55中代价函数为：

其中，D为相关程度值，p₁为第一实测声压值，p₂为第二实测声压值，k₁为与第一实测声压值p₁匹配的第一拷贝场声压值，k₂为与第二实测声压值p₂匹配的第二拷贝场声压值，*为共轭符号，||为取模运算。

S56、根据代价函数，计算拷贝场声压值和实测声压值的相关程度值；

S57、判断相关程度值是否小于阈值，若是，则当前的个体值为所需的斜压模态幅度值，结束分步骤，若否，则跳转至步骤S58；

S58、对种群中的个体进行交叉和变异，得到新的个体值，并跳转至步骤S52。

在本实施例中，遗传算法的参数设置为：种群数64，选择概率0.5、交叉概率0.8、变异概率0.08、共遗传100代。

S6、根据斜压模态幅度值，对内孤立波进行监控并预警。

所述步骤S6包括以下分步骤：

S61、将第1阶斜压模态幅度值和第2阶斜压模态幅度值分别对时间求偏导，得到第一幅度变化曲线和第二幅度变化曲线；

S62、当第一幅度变化曲线与第二幅度变化曲线在横坐标上存在三个不连续的交叉点，则判定海上平台所在的监控区域出现内孤立波，并进行预警，其中，横坐标为时间，纵坐标为斜压模态幅度值。

第一幅度变化曲线与第二幅度变化曲线在横坐标上存在三个不连续的交叉点的情况如图3所示。将图3中出现的图形定义为：“∞”状的振荡图形，“∞”状的振荡图形又命名为“数学符号无穷大状”的状振荡图形。

更进一步地，步骤S62中第一幅度变化曲线与第二幅度变化曲线之间的关系同时满足以下4点条件时，海上平台所在的监控区域出现内孤立波，具体条件如下：

(1)出现三个不连续的交叉点，两条曲线构成数学符号无穷大状的形态；

(2)第一幅度变化曲线和第二幅度变化曲线在交叉点间幅度值异号；

(3)第一幅度变化曲线，在三个交叉点间的两段曲线幅度值异号；

(4)第二幅度变化曲线，在三个交叉点间的两段曲线幅度值异号。

在本实施例中，分析“∞”状的振荡图形得到以下几种内孤立波情况：

(1)、出现“∞”状振荡图形时，则判定海区内出现了内孤立波。

(2)、根据“∞”状振荡图形的幅度，可以监控内孤立波的振幅：内孤立波的幅度正比于一阶模态幅度值随时间变化率的幅度最大值。

(3)、根据“∞”状振荡图形持续的时间，可以监控内孤立波的波长：“∞”状的振荡图形从产生到结束的时间，就对应于内孤立波的持续时间。

本发明的理论支撑：

典型的前两阶斜压模态可以作为水体扰动的基函数对水体的扰动进行描述，在绝大多数海域前两阶对扰动描述的方差贡献率在百分之九十以上，说明前两阶斜压模态的幅度变化可以描述绝大部分的水体变换，换言之可以认为水体扰动绝大部分是由第一阶和第二阶斜压模态的扰动获得的。

前两阶模态典型特征如图4所示，可以利用的规律包括：

1、一阶模态在各个深度幅度值的正负符号相同，代表水体的等密度线的同向运动，一阶模态的幅度值代表了等密度线的同向运动；

2、二阶模态在一阶模态最大值的上下深度符号相反，代表了水体跃层上下等密度线的逆向运动，二阶模态的幅度值代表了跃层密度梯度的变化；

3、由于两阶模态可以描述绝大多数的海水动力扰动，因此前两阶模态幅度值的变化决定了水体的主要运动状态；

4、由于模态的正交性，两阶模态的幅度值的变化的符号总是相反的；从物理上来讲，这体现了水体变化中，变化的运动趋势的同时也存在让水体回复初始状态的运动。

这些规律将用于后续的内孤立波识别。

当发生孤立波时，模态的幅度值d₁、d₂及其对时间t求导幅度值 的数值规律总结如下：

图5为发生内孤立波时，跃层等密度线的变化趋势。

表1内孤立波起始到幅度最大前段的幅度值及其导数的变化趋势

表2内孤立波起始到幅度最大后段的幅度值及其导数的变化趋势

表3内孤立波幅度最大时的幅度值及其导数的变化趋势

表4内孤立波幅度最大到结束前段的幅度值及其导数的变化趋势

表5内孤立波从幅度最大到结束后段的幅度值及其导数的变化趋势

表6内孤立波结束，振幅为零

根据内孤立波运动的物理机制，结合上述表的解释可知：当内孤立波发生时，一阶模态和二阶模态对时间变化率会构成“∞”状的振荡图形。

本发明实施例的有益效果为：

1、实现了大范围、24小时实时的内孤立波监测，能够对海上平台所处海域进行预警，减少内孤立波带来的险情；

2、提供了一种基于水声技术的内孤立波监测方案，设备布放相对简单经济，能够提供自动的24小时监测，受天气、通讯、人工操作等因素的影响小；

3、利用斜压模态进行内孤立波预警，从内孤立波最本质的物理机制出发，能够有效避免误判，同时对内孤立波的振幅、周期等也能进行监测。

如图6所示，利用发明的方法，对内孤立波进行预警。可以看到有效识别了三个内孤立波活动，其中“∞”状振荡图形与内孤立波的开始结束对应，其幅度与内孤立波的幅度成正比。对于表层不太明显的第三个内孤立波也能有效识别。对于第四个表层的运动，通过不存在双振荡“∞”形态可以观测到它并不是内孤立波，从全海深观测可以确定这种判断是正确的。

三个“∞”状振荡图形中一阶幅度值时间变化率的幅度最大值与内孤立波的幅度值有严格的正比关系，可以用来估计内孤立波的幅度值；而三个“∞”状振荡图形的持续时间，与内孤立波的周期一致，可以用来估计内孤立波的周期。

Claims (6)

1.一种基于斜压模态的海上平台内孤立波预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在海上平台所在海域设置水听器和坐底发射换能器，采集实测声压值；

S2、对流体动力方程进行求解，得到海上平台海域的斜压模态；

S3、根据斜压模态，构建海水声速方程；

所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、根据海上平台海域的斜压模态，构建水质子运动方程；

S32、根据物态方程和水质子运动方程，得到海水温度扰动；

S33、根据海水温度扰动和海水盐度对海水声速的影响，构建海水声速经验方程；

S34、根据海水声速经验方程，计算背景声速值；

S35、根据背景声速值、斜压模态和海水温度扰动，构建海水声速方程；

所述步骤S31中水质子运动方程为：

其中，W为水质子的流速，为第n阶斜压模态，b_n为第n阶斜压模态权重；

所述步骤S32中物态方程为：

其中，T为海水温度扰动，t为时间，W为水质子的流速，z为海深，为偏导；

所述步骤S32中海水温度扰动的表达式为：

其中，T为海水温度扰动，z为海深，为第n阶斜压模态，b_n为第n阶斜压模态权重；

所述步骤S33中海水声速经验方程为：

其中，c为海水声速，T为海水温度扰动，S为海水盐度，z为海深；

所述步骤S35中海水声速方程为：

其中，c为海水声速，c₀为背景声速值，T为海水温度扰动，为第n阶斜压模态，z为海深，a_n为第n阶声速基函数/>系数；

S4、将海水声速方程进行变换，得到斜压模态幅度与海水声速关系式；

S5、根据实测声压值，以及斜压模态幅度与海水声速关系式，采用遗传算法对斜压模态幅度进行求解，得到斜压模态幅度值；

S6、根据斜压模态幅度值，对内孤立波进行监控并预警。

2.根据权利要求1所述的基于斜压模态的海上平台内孤立波预警方法，其特征在于，所述步骤S2中流体动力方程为：

其中，W为水质子的流速，z为海深，ε为相速度，N为浮力频率。

3.根据权利要求1所述的基于斜压模态的海上平台内孤立波预警方法，其特征在于，所述步骤S4中斜压模态幅度与海水声速关系式为：

其中，c为海水声速，c₀为背景声速值，为第n阶斜压模态，d_n为第n阶斜压模态的幅度。

4.根据权利要求1所述的基于斜压模态的海上平台内孤立波预警方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下分步骤：

S51、将多个斜压模态的幅度构建为种群个体，并赋予种群中个体初值；

S52、将个体值带入斜压模态幅度与海水声速关系式，得到声速值；

S53、将个体值对应的声速值带入简正波计算模型Kraken，得到两个坐底发射换能器处的拷贝场声压值；

S54、根据两个水听器实时采集的信号，得到两个水听器的实测声压值；

S55、根据匹配场处理的办法，将两个拷贝场声压值与两个实测声压值进行匹配，构建代价函数；

S56、根据代价函数，计算拷贝场声压值和实测声压值的相关程度值；

S57、判断相关程度值是否小于阈值，若是，则当前的个体值为所需的斜压模态幅度值，结束分步骤，若否，则跳转至步骤S58；

S58、对种群中的个体进行交叉和变异，得到新的个体值，并跳转至步骤S52。

5.根据权利要求4所述的基于斜压模态的海上平台内孤立波预警方法，其特征在于，所述步骤S55中代价函数为：

其中，D为相关程度值，p₁为第一实测声压值，p₂为第二实测声压值，k₁为与第一实测声压值p₁匹配的第一拷贝场声压值，k₂为与第二实测声压值p₂匹配的第二拷贝场声压值，*为共轭符号，||为取模运算。

6.根据权利要求1所述的基于斜压模态的海上平台内孤立波预警方法，其特征在于，所述步骤S6包括以下分步骤：

S61、将第1阶斜压模态幅度值和第2阶斜压模态幅度值分别对时间求偏导，得到第一幅度变化曲线和第二幅度变化曲线；

S62、当第一幅度变化曲线与第二幅度变化曲线在横坐标上存在三个不连续的交叉点，则判定海上平台所在的监控区域出现内孤立波，并进行预警，其中，横坐标为时间，纵坐标为斜压模态幅度值。