CN116256761A - 一种小尺度水平剖面温度场声层析观测方法 - Google Patents

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CN116256761A CN202211629488.5A CN202211629488A CN116256761A CN 116256761 A CN116256761 A CN 116256761A CN 202211629488 A CN202211629488 A CN 202211629488A CN 116256761 A CN116256761 A CN 116256761A
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Abstract

本发明涉及一种小尺度水平温度场声层析观测方法，其主要内容包括：在观测水域布置声学收发系统，利用声学收发系统采集观测水域内的原始水声数据；将采集的原始水声数据进行互相关，提取直达径传输时间；基于三维稳健相空间估计方法去除传输时间异常值；基于声线传播路径进行网格划分，计算每个网格内的声线长度与参考传输时间，构建系数矩阵。设定误差阈值，通过正则化方法不断迭代求解水平剖面二维温度场，及网格内的温度反演误差，并进行可视化水平剖面温度场展示。利用本发明，可以提高小尺度水域水温测量的精度和密度。

Description

一种小尺度水平剖面温度场声层析观测方法
技术领域
本发明属于水文环境监测技术领域，尤其是涉及一种基于三维稳健相空间估计法的小尺度水平剖面温度场声层析观测方法。
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观测与海洋环境密切相关，对小尺度水域的海洋物理、化学、生态等研究具有十分重要的科学意义，对于海洋渔业等具有工程指导意义。因此，发明一种可进行长期在位、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CN114705322A的中国专利文献公开了一种海洋纵深垂直温度场分布实时监测方法和装置，可以实时探测海洋的纵深垂直温度信息。温度探测主机通过发射一系列激光脉冲，并接收一系列被传输传感光缆周围不同垂直深度的海洋温度调制了的光脉冲回波信号，回到温度探测主机，对所述温度探测主机对所述光脉冲回波信号进行解调，计算出沿所述传输传感光缆上各点周围海水的温度情况，进而得出海洋温度场的垂直分布情况。但该方法仅可实现单点数据监测，无法实现水下区域化的监测以及数据可视化处理。
公开号为CN113465770A的中国专利文献公开了一种小尺度垂直剖面二维温度场观测方法，该方法采用超声收发系统收集到的原始数据，提取相关峰信息，进行传输时间预处理；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输时间，从而进行垂直剖面温度场反演与可视化处理。但该方法仅通过限制互返传输时间的最大差值进行了传输时间处理，对于异常数据的检测不敏感，且本方法仅用于垂直剖面的温度场反演，对于水平温度场的构建并未涉及。
目前，在河流、入海口、海洋牧场等小尺度海域的长时在位的区域化温度场观测较为匮乏，而现有的结合水下的声学系统进行温度场观测方法，对于数据异常值的处理研究较为欠缺。
发明内容
本发明提供了一种小尺度水平剖面温度场声层析观测方法，可以进行传输时间野点检测与替换，提高小尺度水域水文信息测量的精度和密度。
一种小尺度水平剖面温度场声层析观测方法，包括：
(1)在观测水域布置声学收发系统，利用声学收发系统采集观测水域内的原始水声数据；所述的声学收发系统采用三个声学换能器进行声信号的互返传输；
(2)将采集的原始水声数据进行互相关，设置时间窗提取到达峰对应的传输时间；
(3)对提取的到达峰传输时间采用三维稳健相空间估计法进行预处理，剔除野点数据，采用三次样条曲线法进行插值，进行缺失时刻的传输时间替换；
(4)在二维水平剖面中，获得声站的位置信息，进行网格划分，计算每个网格内的声线长度，并结合采集的温盐深信息，计算各网格内的参考声速，构建系数矩阵；
(5)通过拉格朗日最小二乘法进行二维水平网格温度场反演，约束误差阈值；若误差超过阈值则返回进行温度场反演，直至满足要求；
(6)对反演得到的二维水平网格温度场进行可视化处理。
优选地，步骤(1)中，所述的声学收发系统包括浮球、声学换能器、温盐深剖面仪和数据采集系统；所述数据采集系统位于岸边，并与声学换能器连接；三个声学换能器布放在水下同一深度，一端与系泊在水面下的浮球连接，一端锚泊于水底。
进一步地，所述的声学收发系统中，各声学站位采用相同频率不同模态的同阶M序列，进行声信号采用同发同收模式，保证每对声学换能器每次发射信号后，可收到双向声信号。
步骤(2)的具体过程为：
将采集到的原始观测数据进行两个声站互相关，通过设置时间窗与信噪比阈值，分辨并提取第一个到达信号的传输时间，即直达径对应的相关峰的传输时间。
步骤(3)的具体过程为：
(3-1)计算初始传输时间t0的估算定位值M＝mediani＝1，...，n(t0i)；
(3-2)计算尺度估算值S＝e(mediani＝1，...，n|t0i-M|)，其中e为估计器系数，根据经验取1.483；
(3-3)结合数据特性将数据标准化为Z，Zi＝(t0i-M)/S；
(3-4)进行传输时间数据的一次检测Oi＝|Zi|-c，其中c为截至值，设为3，如果Oi的值大于0，则确定为野点；
(3-5)使用三次样条曲线插值法代替被剔除的野点得到更新的传输时间t1；
(3-6)计算传输时间t1平均值T＝meani＝1，...，n(t1i)；
(3-7)计算传输时间t1脉冲速度值t′1i＝t1i-T；
(3-8)计算脉冲速度t′1i的一阶、二阶导数：
Figure BDA0004005175860000031
Figure BDA0004005175860000032
(3-9)计算脉冲速度t′1i标准偏差
Figure BDA0004005175860000033
Figure BDA0004005175860000041
(3-10)计算检测阈值
Figure BDA0004005175860000042
n为样本数据的个数；
(3-11)计算主轴旋转角度
Figure BDA0004005175860000043
(3-12)椭球域野点数据检测
Figure BDA0004005175860000044
其中，ρ为极径，θ为极角与
Figure BDA0004005175860000045
为方位角，a，b，c为主轴长度；
(λσt′)2＝a2cos2α+b2sin2α
Figure BDA0004005175860000047
c＝λσΔu
至椭球域空间原点距离大于ρ的点，即被判断为野点；
(3-13)使用三次样条曲线插值法代替被剔除的野点得到更新的脉冲速度值t′2，及更新后的传输时间t2＝t′2+T。
步骤(4)中，进行网格划分时，将各个声学站位投影至换能器深度所在水平剖面，划分k个网格，声线在网格内传播，具体参数与公式如下：
对于每对声站之间的直达径有：
Figure BDA0004005175860000046
其中lij为第i条声线穿过第j个网格的长度，C0j和δCj分别第j个网格的参考声速及第j个网格中的实际声速与参考声速C0j的偏差，t0j和δtij分别代表第i条声线的参考传输时间及参考传输时间与实际传输时间的偏差。
进行网格划分时，使每个网格内的声线长度尽量均匀，同时为提高结果的精度，应尽量避免出现无声线经过的网格。
步骤(5)中，进行二维水平网格温度场反演的具体过程为：
对公式
Figure BDA0004005175860000051
进行泰勒展开后得到/>
Figure BDA0004005175860000052
Figure BDA0004005175860000057
将/>
Figure BDA0004005175860000054
定义为系数矩阵，x＝δCj为待求解量，n为求解误差，y＝δtij为实测的互返两站声传输时间差，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 BDA0004005175860000055
Figure BDA0004005175860000056
λ值由在迭代后满足设定误差阈值来决定；同时引入三维H正则化矩阵，通过多个网格间的移动平均来平滑结果；求解得到x＝δCj后，进一步得到声速Cj＝δCj+C0j，整个观测区域内的声速场通过插值求得，应用声速公式反解温度场。
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，无需设置多个定点温度监测设备。
2、本发明采用声信号互返传输方式，以同发同收的信号设计，在小尺度范围分辨提取穿过监测区域内的多条声线，并得到精确的声信号传输时间。
3、本发明通过三维稳健相空间估计法，进行传输时间的野点检测与替换，提升传输时间的准确度与可靠性。
4、本发明通过水平剖面网格法，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传输时间野点检测替换示意图；
图4为本发明一个较佳实施例中水平剖面二维网格划分示意图；
图5为本发明一个较佳实施例中的三站位间的水平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，一种小尺度水平剖面温度场声层析观测方法，包括以下步骤：
步骤1：在观测水域进行声学收发系统的布置，采集观测水域的原始数据。本实施例中，声学收发系统包括浮标、声学换能器、温盐深剖面仪、数据采集系统等。在待观测水域水下分别固定S1、S2、S3三个声学换能器，进行声信号的互返传输。其中，声信号采用同发同收模式，采用相同频率不同模态的同阶M序列，保证每对换能器每次发射信号后，可收到双向声信号。
声学换能器S1、S2、S3均可接收或发射中心频率为50kHz的声学信号。三个声学换能器均采用如图2所示的底部表面系泊的方式固定于水下，具体地，声学换能器的下端通过线绳与重物相连，锚泊于水底，上端通过线绳与潜浮的浮球连接，实验期间线绳始终张紧，该种固定方式可以保证声学换能器的位置几乎不变。换能器通过线缆与数据采集系统相连，数据采集系统、电池等布放于岸边，线缆始终保持松弛状态。参考温度剖面可通过CTD(温盐深仪)或TD链(温深仪)采集得到。
步骤2：将采集到的原始观测数据进行两站互相关，通过设置合适的时间窗与信噪比阈值，分辨并提取第一个到达信号的传输时间，即直达径对应的相关峰的传输时间。
步骤3：传输时间预处理，检测并替换传输时间异常值。如图3所示，以S1-S2为例，通过三维稳健相空间估计法，剔除并替换每两站间双向传输时间的异常值，获得高质量的观测数据，具体实施方式如下：
①计算初始传输时间t0的估算定位值M＝mediani＝1，...，n(t0i)；
②计算尺度估算值S＝e(mediani＝1，...，n|t0i-M|)，其中e为估计器系数，根据经验取1.483；
③结合数据特性将数据标准化为Z，Zi＝(t0i-M)/S；
④进行传输时间数据的一次检测Oi＝|Zi|-c，其中c为截至值，设为3，如果Oi的值大于0，则确定为野点；
⑤使用三次样条曲线插值法代替被剔除的野点得到更新的传输时间t1；
⑥计算传输时间t1平均值T＝meani＝1，...，n(t1i)；
⑦计算传输时间t1脉冲速度值t′1i＝t1i-T；
⑧计算脉冲速度t′1i一阶、二阶导数：
Figure BDA0004005175860000071
Figure BDA0004005175860000072
⑨计算脉冲速度t′1i标准偏差
Figure BDA0004005175860000073
Figure BDA0004005175860000074
⑩计算检测阈值
Figure BDA0004005175860000075
n为样本数据的个数；
Figure BDA0004005175860000076
计算主轴旋转角度
Figure BDA0004005175860000077
Figure BDA0004005175860000078
椭球域野点数据检测
Figure BDA0004005175860000081
其中，ρ为极径，θ为极角与
Figure BDA0004005175860000082
为方位角，a，b，c为主轴长度。
(λσt′)2＝a2cos2α+b2sin2α
Figure BDA0004005175860000089
c＝λσΔu
至椭球域空间原点距离大于ρ的点，即被判断为野点。
Figure BDA0004005175860000083
使用三次样条曲线插值法代替被剔除的野点得到更新的脉冲速度值t′2，及更新后的传输时间t2＝t′2+T。
步骤4：在进行网格划分时，以每个网格内的声线长度尽量均匀为原则，同时为提高结果的精度，应尽量避免出现无声线经过的网格。以如图4所示，3×3的网格为例，对于每条声线可以得到：
Figure BDA0004005175860000084
Figure BDA0004005175860000085
Figure BDA0004005175860000086
其中，lij代表第i条声线在第j层的声线长度，C0为区域内的参考声速，δCj代表第j个网格相对于参考声速的偏差，ti代表第i条声线的传播时间。
由于C0＞＞δCj在小尺度海域观测中一般均满足，可以进行泰勒展开，同时忽略二次及以上的高阶项，得：
Figure BDA0004005175860000087
Figure BDA0004005175860000088
Figure BDA0004005175860000091
其中，δti＝ti-t0i，代表每条声线的实际传播时间与参考传播时间的偏差。将上式写为矩阵形式：
Figure BDA0004005175860000092
定义系数矩阵，x＝δCj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5：应用正则化反演方法求解方程。
x期望最优解
Figure BDA0004005175860000093
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。再引入如下的H正则化矩阵，通过多个网格的移动平均来平滑结果。/>
Figure BDA0004005175860000094
求解得到x＝δCj后，声速Cj＝δCj+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+4.591T0.05304T2+2.734×104T3+1.340(S35)
+1.630×102D+1.675×107D21.025×102T(S35)7.139
×10-13TD3
C、T、D、S分别为声速、温度、深度和盐度。
步骤6：最后进行二维水平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水域进行观测实验以获得二维水平剖面温度场信息，具体为：
包含以下装置，三套设备50kHZ频率声学换能器、三套声学收发系统、浮球、重物、TD、CTD、ADCP等。
通过步骤2分辨并提取每对站位间第一个到达信号的传输时间，即直达径对应的相关峰的传输时间。
采用步骤3的三维稳健相空间估计法，剔除传播时间异常值，剔除并替换环境噪声及寻峰过程等造成的每两站间双向传输时间的异常值，获得高质量的观测数据。如图3为S1-S2直达径传输时间的处理结果。
在进行网格划分后，依据参考声速计算经过每个网格的声线长度和参考传播时间，通过MATLAB编写本方法对应的程序，依据步骤4、5反演二维水平剖面水平温度信息。如图5所示为观测水域内9个时刻水平剖面二维网格温度场结果图。
基于三维稳健相空间估计法的小尺度水平剖面温度场更精确直观地反映了观测期间整个水平面不同位置的环境温度和变化趋势，相较于单点的温度测量方法观测区域更为广泛，表明了本方法在小尺度水域观测水平剖面二维温度场的有效性。
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 (8)

1.一种小尺度水平剖面温度场声层析观测方法，其特征在于，包括：
(1)在观测水域布置声学收发系统，利用声学收发系统采集观测水域内的原始水声数据；所述的声学收发系统采用三个声学换能器进行声信号的互返传输；
(2)将采集的原始水声数据进行互相关，设置时间窗提取到达峰对应的传输时间；
(3)对提取的到达峰传输时间采用三维稳健相空间估计法进行预处理，剔除野点数据，采用三次样条曲线法进行插值，进行缺失时刻的传输时间替换；
(4)在二维水平剖面中，获得声站的位置信息，进行网格划分，计算每个网格内的声线长度，并结合采集的温盐深信息，计算各网格内的参考声速，构建系数矩阵；
(5)通过拉格朗日最小二乘法进行二维水平网格温度场反演，约束误差阈值；若误差超过阈值则返回进行温度场反演，直至满足要求；
(6)对反演得到的二维水平网格温度场进行可视化处理。
2.根据权利要求1所述的小尺度水平剖面温度场声层析观测方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的声学收发系统包括浮球、声学换能器、温盐深剖面仪和数据采集系统；
所述数据采集系统位于岸边，并与声学换能器连接；三个声学换能器布放在水下同一深度，一端与系泊在水面下的浮球连接，一端锚泊于水底。
3.根据权利要求1所述的小尺度水平剖面温度场声层析观测方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的声学收发系统中，各声学站位采用相同频率不同模态的同阶M序列，进行声信号采用同发同收模式，保证每对声学换能器每次发射信号后，可收到双向声信号。
4.根据权利要求1所述的小尺度水平剖面温度场声层析观测方法，其特征在于，步骤(2)的具体过程为：
将采集到的原始观测数据进行两个声站互相关，通过设置时间窗与信噪比阈值，分辨并提取第一个到达信号的传输时间，即直达径对应的相关峰的传输时间。
5.根据权利要求1所述的小尺度水平剖面温度场声层析观测方法，其特征在于，步骤(3)的具体过程为：
(3-1)计算初始传输时间t0的估算定位值M＝mediani＝1，...，n(t0i)；
(3-2)计算尺度估算值S＝e(mediani＝1，...，n|t0i-M|)，其中e为估计器系数，根据经验取1.483；
(3-3)结合数据特性将数据标准化为Z，Zi＝(t0i-M)/S；
(3-4)进行传输时间数据的一次检测Oi＝|Zi|-c，其中c为截至值，设为3，如果Oi的值大于0，则确定为野点；
(3-5)使用三次样条曲线插值法代替被剔除的野点得到更新的传输时间t1；
(3-6)计算传输时间t1平均值T＝meani＝1，...，n(t1i)；
(3-7)计算传输时间t1脉冲速度值t′1i＝t1i-T；
(3-8)计算脉冲速度t′1i的一阶、二阶导数：
Figure FDA0004005175850000021
Figure FDA0004005175850000022
(3-9)计算脉冲速度t′1i标准偏差
Figure FDA0004005175850000023
Figure FDA0004005175850000024
(3-10)计算检测阈值
Figure FDA0004005175850000025
n为样本数据的个数；
(3-11)计算主轴旋转角度
Figure FDA0004005175850000031
(3-12)椭球域野点数据检测
Figure FDA0004005175850000032
其中，ρ为极径，θ为极角与
Figure FDA0004005175850000033
为方位角，a，b，c为主轴长度；
(λσt′)2＝a2cos2α+b2sin2α
Figure FDA0004005175850000035
c＝λσΔu
至椭球域空间原点距离大于ρ的点，即被判断为野点；
(3-13)使用三次样条曲线插值法代替被剔除的野点得到更新的脉冲速度值t′2，及更新后的传输时间t2＝t′2+T。
6.根据权利要求1所述的小尺度水平剖面温度场声层析观测方法，其特征在于，步骤(4)中，进行网格划分时，将各个声学站位投影至换能器深度所在水平剖面，划分k个网格，声线在网格内传播，具体参数与公式如下：
对于每对声站之间的直达径有：
Figure FDA0004005175850000034
其中lij为第i条声线穿过第j个网格的长度，C0j和δCj分别第j个网格的参考声速及第j个网格中的实际声速与参考声速C0j的偏差，t0j和δtij分别代表第i条声线的参考传输时间及参考传输时间与实际传输时间的偏差。
7.根据权利要求6所述的小尺度水平剖面温度场声层析观测方法，其特征在于，进行网格划分时，使每个网格内的声线长度尽量均匀，同时为提高结果的精度，应尽量避免出现无声线经过的网格。
8.根据权利要求6所述的小尺度水平剖面温度场声层析观测方法，其特征在于，步骤(5)中，进行二维水平网格温度场反演的具体过程为：
对公式
Figure FDA0004005175850000041
进行泰勒展开后得到/>
Figure FDA0004005175850000042
Figure FDA0004005175850000043
将
Figure FDA0004005175850000044
定义为系数矩阵，x＝δCj为待求解量，n为求解误差，y＝δtij为实测的互返两站声传输时间差，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 FDA0004005175850000045
Figure FDA0004005175850000046
λ值由在迭代后满足设定误差阈值来决定；同时引入三维H正则化矩阵，通过多个网格间的移动平均来平滑结果；求解得到x＝δCj后，进一步得到声速Cj＝δCj+C0j，整个观测区域内的声速场通过插值求得，应用声速公式反解温度场。/>
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