一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法

专利名称：一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202310392383.0

专利申请（专利权）人：广东海洋大学,国家卫星海洋应用中心
权利人地址：广东省湛江市麻章区海大路1号

专利发明（设计）人：李君益,谢玲玲,李敏,何涛

专利摘要：本发明涉及一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，基于浅水不同海水可能携带不同浓度颗粒物的前提，反演出垂向海水的层结状态，具体流程包括：首先，在待测海域内使用声学多普勒流速剖面仪获得观测数据，包括流速、回波强度、回波信号质量；其次对流速数据、回波强度数据、回波信号以及回波强度数据进行平均处理；然后，寻找回波信号极点并进行标记；最后依据回波信号极点和极点数据，对待测海域内的水层进行分层；本发明利用走航式或海底布放式观测水文数据，实现从海底到海面全水深的海洋动力环境参数观测，不再需要对整层海水的温度盐度进行直接观测，简单可行，安全可靠。

主权利要求：
1.一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，其特征在于，待测海域为不同水体层所携带的颗粒物浓度不同的近岸浅水海域，使用声学多普勒流速剖面仪获得待测海域的观测数据，并对观测数据进行分析和处理，依据处理后的观测数据对海水进行层次划分；具体步骤包括：S1、在待测海域内使用声学多普勒流速剖面仪观测海水流动；
S2、获得观测数据，包括流速、回波强度、回波信号质量；并根据回波信号质量，对观测得到的流速进行初处理；
S3、将探头获取的回波强度数据进行平均处理，所述探头的数量为4个；在对回波强度数据进行平均处理后，还对平均后的回波强度数据在垂向上剔除毛刺、异常值；
S4、对回波信号进行平均处理，所述平均处理为对回波信号进行逐层逐小时平均；
S5、对回波强度数据在垂向上进行平均处理，所述平均处理为5点滑动平均；
S6、在垂向上寻找回波强度极点，并进行标记；对寻找的所有时间序列的回波强度极点进行分类处理；
S7、根据回波强度和极点数据，对待测海域内的水层进行分层；
由最上层流体向下第三层开始，直到最底倒数第三层，随深度每5层作为一个单元，去除该单元内回波强度的极大值与极小值，并求单元内回波强度的平均值作为此层的回波强度：其中， 为经过垂向滑动平均后的回波强度，Ii为第i层观测回波强度，N为垂向上总的回波强度层数，max与min分别为求单元5个值的极大值与极小值函数。
2.根据权利要求1所述的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，其特征在于，步骤S1中，观测海水流动时，声学多普勒流速剖面仪的放置方式为海底布放式或者随船走航式。
3.根据权利要求2所述的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，其特征在于，所述颗粒物浓度为C(z)时，回波强度衰减的强度为：‑C(z)×2z
ΔI＝I0‑I0e ；
其中，I0为发射声波强度，z为接收的声波强度，2z表示为发射并被深度为z颗粒衰减而接收的距离。
4.根据权利要求3所述的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，其特征在于，步骤S2中，所述初处理为剔除数据质量较低的数据，并将海流及回波强度随深度变化的数据提取出来。
5.根据权利要求1所述的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，其特征在于，步骤S6中，据公式：令 即可得回波强度极点。
6.根据权利要求5所述的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，其特征在于，步骤S6中，所述分类处理为保留相邻深度上、相邻时间上有极点的极值，剔除孤立深度、孤立时间极点。
7.根据权利要求6所述的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，其特征在于，步骤S7中，分层可划分为1层、2层和3层。
8.根据权利要求1所述的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，其特征在于，步骤S7中，对待测海域内的水层进行分层后，还进行动力分析。 说明书 : 一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法技术领域[0001] 本发明属于水文测量技术领域，具体涉及一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法。背景技术[0002] 海洋中水文气象条件非常复杂，人们从海洋中获得利益如浅海养殖,获取海盐等都与海洋水文的要素有很大的关系，人们要想最大效益的使用海洋,就必须对海洋水文的要素进行详细的观测和探究，最大程度的掌握这些要素的性质和变化。[0003] 海水分层即海水因其温度、盐度、密度等热力学状态参数随深度分布的层次结构，一般指铅直尺度不小于常规海洋学观测层次间距的层次结构；因海面受太阳辐射的不均匀加热、陆地河口径流输入淡水、大气降雨等动力学和热力学作用下，各海区尤其是近岸浅水的海水的温度、盐度、密度都有显著的差异，其铅直分布呈现出某种有规律的宏观层次结构，这种层次结构对于海水运动的动力学分析也尤为重要。[0004] 在观测海水的层次结构时，一般采用海床基的形式或走航形式观测整层海流，海床基卧在海底，可以一定程度上防止被海底拖网破坏，但这种方式不能观测海水温度、盐度的垂向分布，难以判断海水的层结；走航形式虽可以快速观测海水运动，但需要停船进行海水温度、盐度的垂向分布观测，极耗船时，经费投入较大。[0005] 因此，开发一种新型的水文观测方式，用以对海水进行层次划分具有非常重要的意义。发明内容[0006] 为了解决现有技术中，本发明提供一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，以克服现有技术在数据依赖、经费投入等方面的缺陷。[0007] 本发明利用近海浅水海水中的悬浮颗粒物对回波强度的影响，挖掘观测数据中隐含信息，对进行海水垂直方向上的分层计算。[0008] 为达到上述目的，本发明采用的方案如下：[0009] 待测海域为不同水体层所携带的颗粒物浓度不同的近岸浅水海域，使用声学多普勒流速剖面仪获得待测海域的观测数据，并对观测数据进行分析和处理，依据处理后的观测数据对海水进行层次划分；具体步骤包括：[0010] S1、在待测海域内使用声学多普勒流速剖面仪观测海水流动；[0011] S2、获得观测数据，包括流速、回波强度、回波信号质量；并根据回波信号质量，对观测得到的流速进行初处理；[0012] S3、将探头获取的回波强度数据进行平均处理；[0013] S4、对回波信号进行平均处理，目的在于剔除时间异常值；[0014] S5、对回波强度数据在垂向上进行平均处理，目的在于去除高频信号；[0015] S6、在垂向上寻找回波信号极点，并进行标记；对寻找的所有时间序列的回波信号极点进行分类处理；[0016] S7、根据回波强度和极点数据，对待测海域内的水层进行分层。[0017] 作为优选的技术方案：[0018] 如上所述的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，步骤S1中，观测海水流动时，声学多普勒流速剖面仪的放置方式为海底布放式或者随船走航式。[0019] 如上所述的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，回波强度为原始信号强度减去信号衰减部分，因信号吸收较小，主要剩回波信号，所以在颗粒物浓度为C(z)时，回波强度衰减的强度为：[0020] ΔI＝I0‑I0e‑C(z)×2z；[0021] 其中，I0为发射声波强度，z为接收的声波强度，2z表示为发射并被深度为z颗粒衰减而接收的距离。[0022] 如上所述的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，步骤S2中，初处理为剔除数据质量较低的数据，并将海流及回波强度随深度变化的数据提取出来。[0023] 如上所述的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，步骤S3中，探头的数量为4个；在对回波强度数据进行平均处理后，还对平均后的回波强度数据在垂向上剔除毛刺、异常值。[0024] 如上所述的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，步骤S4中，平均处理为对回波信号进行逐层逐小时平均。[0025] 如上所述的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，步骤S5中，平均处理为5点滑动平均。[0026] 如上所述的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，步骤S6中，据公式：[0027][0028] 令 即可得回波信号极点。[0029] 如上所述的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，步骤S6中，所述分类处理为保留相邻深度上、相邻时间上有极点的极值，剔除孤立深度、孤立时间极点。[0030] 如上所述的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，步骤S7中，分层可划分为1层、2层和3层。[0031] 如上所述的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，步骤S7中，对待测海域内的水层进行分层后，还进行动力分析。[0032] 有益效果：[0033] 与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：[0034] (1)本发明利用可以安全、稳定地放置于近海海底的海床基，应用声学多普勒流速剖面仪观测整层海水流动，可以实现从海底到海面全水深的海洋动力环境参数观测；[0035] (2)本发明利用声学多普勒流速剖面仪观测回波强度数据，基于浅水不同海水可能携带不同浓度颗粒物的前提，反演出垂向海水的层结状态，即海水分层情况，不再需要对整层海水的温度盐度进行直接观测，安全可靠；[0036] (3)本发明的过程可通过计算机编程的形式进行，简单可行；[0037] (4)本发明可以用走航观测海流的方式，从水面以不停船的方式进行，大大节省船时。附图说明[0038] 图1为本发明的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法的流程示意图；[0039] 图2为本发明中声学多普勒流速剖面仪声学信号在具有不同浓度颗粒物海水中信号随深度衰减情况；图中，不同曲线代表不同颗粒物浓度的海水；[0040] 图3为本发明的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法在某近海70米深度处利用声学多普勒流速剖面仪观测到的一段时长内整层海水的回波强度；[0041] 图4为本发明的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法在某近海70米深度处利用声学多普勒流速剖面仪观测到的某时刻整层海水的回波强度；从图中可以看出，1月21日的回波强度显示水体混合均匀，箭头标识了1月26日水体回波强度存在极值，有分层现象；[0042] 图5为本发明的一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法在某近海70米水深位置在观测期间的深度划分，从图中刻以看出，1月17—25日海水混合较好。具体实施方式[0043] 下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。[0044] 一种基于声学多普勒流速剖面仪的近岸海水层次划分方法，使用声学多普勒流速剖面仪获得待测海域的观测数据，并对观测数据进行分析和处理，依据处理后的观测数据对海水进行层次划分；具体步骤包括：[0045] (1)在近岸海域采用的海床基布放或者利用随船走航的方式使用声学多普勒流速剖面仪进行观测海水运动；[0046] (2)获得观测数据，包括流速、回波强度、回波信号质量；[0047] (3)根据回波信号质量，对观测得到的流速进行初处理，数据质量较低的数据予以剔除；[0048] (4)根据观测所在的水深、仪器设置，将海流及回波强度随深度变化的数据提取出来；[0049] (5)将四个数据探头获取的回波强度数据进行平均，回波强度为原始信号强度减去信号衰减部分，因信号吸收较小，主要剩回波信号，[0050] ΔI＝I0‑I0e‑C(z)×2z；[0051] 其中，I0为发射声波强度，z为接收的声波强度，2z表示为发射并被深度为z颗粒衰减而接收的距离；[0052] (6)对平均后的回波强度数据在垂向上剔除毛刺、异常值；[0053] (7)对回波信号进行逐层逐小时平均，剔除时间异常值；[0054] (8)对回波强度数据在垂向上进行5点滑动平均，去除高频信号；[0055] (9)在垂向上寻找回波信号极点，根据公式：[0056][0057] 令 所可得回波信号机几点，对极点进行标记；[0058] 如果 出现0值情况很少，可以取 变化最大的深度；[0059] (10)对寻找的所有时间序列的回波信号极点进行分类，相邻时间上，相邻深度上有极点的极值进行保留，对孤立深度、孤立时间极点进行剔除；[0060] (11)根据回波强度极点数据，对水层进行划分，可以分为1层，2层，3层，根据目的，可进一步进行动力分析。

专利地区：广东

专利申请日期：2023-04-13

专利公开日期：2024-09-03

专利公告号：CN116643061B