投放式声学多普勒海流剖面仪观测资料的后处理方法

摘要

投放式声学多普勒海流剖面仪观测资料的后处理方法。首先对LADCP、CTD和GPS的原始资料初处理，实现它们的同步性融合；接着把LADCP的所有观测值转化为各相邻观测水层的垂向切变流速；然后由“底跟踪法”求取观测水柱内由表及底的绝对流速剖面；再由“GPS法”求取观测水柱内由底及表的绝对流速剖面；最后，把上述所得的两类绝对流速剖面通过权重耦合为整个观测水柱的海流运动绝对速度剖面。本发明的特点是可根据现场同步观测所得的LADCP、CTD和GPS原始资料获得海流运动的绝对速度剖面。使我国投放式声学多普勒海流剖面仪观测的大量资料有望得以充分利用。

说明书

技术领域

投放式声学多普勒海流剖面仪(Lowered Acoustic Doppler CurrentProfiler，即LADCP)观测资料的后处理方法。

背景技术

LADCP是近年国际海流监测技术领域兴起的一种新的观测仪器，国内各主要海洋机构也都对其进行了引进。然而，LADCP的生产厂家只能提供相关的初处理软件(仅能实现声信号的转化)，对其资料后处理却无能为力，目前的基本状况如下：

1)LADCP仪器的观测目的是获得海流运动的绝对速度剖面，但其的观测特点却是在运动过程中实现对海流矢量的测量，并且在观测过程中LADCP仪器本身的运动速度一般都比较大(与所观测水体的运动速度同量级或大一个量级)，所以，LADCP的直接观测结果只能是海流相对于运动着的仪器的速度。对于LADCP的资料后处理而言，最直接的想法就是先测得LADCP仪器本身运动的速度，但是，在目前的技术条件下，还难于对水下运动的LADCP仪器进行高精度的速度测量。因此，第一个问题就产生了：如何在未知LADCP仪器本身运动速度的条件下求得海流运动的绝对速度剖面？

2)多仪器同步观测已经成为海洋调查领域比较流行的趋向，基于这种考虑，LADCP仪器在先天的硬件设计方面就没有携带压力、电导等传感器，使其本身不能确定出观测过程中不同观测时刻的位置，所以，LADCP观测实际上是LADCP、温盐深仪(Conductivity-Temperature-Depth System，即CTD)和全球定位系统(Global Position System，即GPS)构成的一个完整LADCP观测系统。因此，第二个问题就产生了：如何实现LADCP、CTD和GPS三种观测资料的合理融合？

以上问题的解决既涉及LADCP仪器本身的技术问题、又涉及物理海洋学研究的海流运动问题，更与海洋现场调查的具体实现有着密切的关系，是LADCP资料后处理的关键所在。由于其解决的困难，使得大量的LADCP观测资料得不到客观、有效的处理，从而造成极大的资源浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种客观、有效的LADCP资料后处理方法，以实现根据现场同步观测所得的LADCP、CTD和GPS原始资料，在未知LADCP仪器本身运动速度条件下获得海流运动的绝对速度剖面，使LADCP观测所得的大量实测资料能够得以充分利用。

本发明首先对LADCP、CTD和GPS的原始资料进行初处理，实现三种资料的同步性融合；接着鉴于LADCP的“瓦迭式资料”特点和“同剖面内相邻两水层的测量值之差等于绝对速度之差”的特性，把LADCP的所有观测值转化为各相邻观测水层的垂向切变流速；然后由“底跟踪法”求取观测水柱内由表及底的绝对流速剖面；再由“GPS法”求取观测水柱内由底及表的绝对流速剖面；最后，把上述所得的两类绝对流速剖面通过权重耦合进行合成，就得到了整个观测水柱的海流运动绝对速度剖面。

附图说明

图1本发明中LADCP瓦迭式资料示意图

(其中每条竖线代表LADCP测量的一个速度剖面)

图2本发明的具体实施流程图

具体实施方式

本发明的具体实施流程图如图2。

1.资料初处理，其中包括LADCP资料初处理、CTD资料初处理和GPS资料初处理，并实现它们的同步性融合。其具体步骤如下：

a.LADCP资料初处理：利用仪器厂家提供的BBLIST1.0以上版本的LADCP资料初处理软件，进行观测资料的声信号转化，并处理成1秒钟1个剖面(把LADCP每一次观测的所有结果叫做一个剖面)的时序资料。

b.CTD资料初处理：利用仪器厂家提供的软件(每种CTD都有其厂家匹配的资料处理软件)进行资料初处理，并处理成1秒钟1个资料(把CTD每一次观测的所有结果叫做一个样本，若干样本的平均结果叫做一个资料)的时序资料。

c.GPS资料初处理：从GPS观测资料中提取出和LADCP/CTD观测过程相同步的定位信息，处理成1秒钟1个资料(把GPS每个时刻接收到的所有结果叫做一个样本，若干样本的平均结果叫做一个资料)的时序资料。

d.三种资料的同步性融合：由于LADCP和CTD的观测过程是同步进行的，所以它们的出、入水点是一致的，据此把1秒钟1个资料的CTD时序资料同步融合到1秒钟1个剖面的LADCP时序资料中去。

2.把LADCP的所有观测值转化为各相邻观测水层的垂向切变流速

a.LADCP“瓦迭式资料”特点：如果把声学多普勒海流剖面仪(ADCP)的观测效果看成是一串海流计的作用，那么LADCP的实际观测就象是拖着这串海流计在做下放和上升的运动。如果把LADCP的一次观测叫做一个剖面，把每个剖面内任一水层的所有观测数据叫做一个资料，那么LADCP的观测结果中就会出现剖面与剖面的续连以及资料与资料的交错，特别是一个个相继的速度剖面，就如同屋顶瓦片的迭置一样，因此称之为“瓦迭式资料”(图1)。

b.LADCP观测资料的特性：基于“瓦迭式资料”，可以发现LADCP每个剖面的测量过程非常短暂(通常为0.1s-0.3s)，以至于仪器本身在这段时间内的速度变化量非常微小，从而可以把LADCP仪器在这段时间内的运动速度作为一个常量。所以，在LADCP观测的任意一个相同的剖面内，各观测水层的速度关系可以表述如下：

                Va1＝VL+V1

                Va2＝VL+V2

                Va3＝VL+V3

                Va4＝VL+V4

                 ……

其中：Va1、Va2等是各水层的绝对速度，VL是LADCP仪器本身的

运动速度，V1、V2等是各水层LADCP的测量值，则：

                Va1-Va2＝V1-V2

                Va2-Va3＝V2-V3

                Va3-Va4＝V3-V4

                ……

由这些式子看出：“同剖面内相邻两水层的LADCP测量值之差就等于该两水层的真实速度之差”。这是LADCP观测资料最为基本的特性，也是本步骤得以实现最为关键的依据。如此以来，虽然LADCP的直接测量值不能反映海流运动的客观属性，但其同剖面内相邻两水层的测量值之差却是海流运动特性的真实体现。

c.据以上所述，把LADCP的所有观测值转化为各相邻观测水层的垂向切变流速：分别针对LADCP观测的每一个剖面，把各相邻水层的LADCP测量值进行相减，得到它们之间的速度切变量，进而除以层厚得到相应的切变率。这样一来，就在观测水柱的每一水层上得到若干的切变率值。值得指出的是，由于海水的垂向运动速度一般都很小，LADCP这种测量方式几乎难于予以分辨，所以本说明书中所提及的速度是指海水的水平运动速度，切变率是指水平速度的垂向切变率。

3.“底跟踪法”求取水柱内由底及表的绝对流速剖面，其具体步骤如下：

a.从融合后的LADCP资料序列中提取出带有底跟踪信息的资料；

b.选择近底层为参考层，求取观测水柱内各水层相对于它的相对流速：首先对每一水层的所有切变率值进行高斯分布检验，然后对置信度为0.95的置信区间进行数据算术平均或其它统计平均，从而求得该水层的流速度切变率；依此继续，求出所有水层的流速切变率；从参考层开始，对切变率值按照从底层到表层的顺序进行深度递推式积分，得到每一水层相对于参考层的相对流速；

c.基于底跟踪信息资料求取近底参考层的绝对流速：LADCP的底跟踪信息(只有在近底层附近时才能获取)是指LADCP观测所得的海底相对于LADCP仪器的速度V_底跟踪，而对于大地坐标系而言，海底是静止不动的，所以，这类观测值的反向值其实就是LADCP仪器自身运动的速度V_测，把它和LADCP测量值直接相互作用就可以求出参考层的绝对速度V_参考层：

    V_参考层＝V_测-V_底跟踪               (1)

d.求取观测水柱内由底及表的绝对流速剖面：以上得到了参考层的绝对流速和每一水层相对于参考层的相对流速，求取整个水柱的绝对流速剖面只需对每一水层应用下面的简单公式：

     V_n-绝对＝V_参考+V_{n-相对于参考层}    (2)

其中n代表观测水柱内的每一个水层。

4.“GPS法”求取水柱内由表及底的绝对流速度剖面，其具体步骤如下：

a.从融合后的LADCP资料序列中提取出带有GPS信息的资料；

b.选择近表层为参考层，求取观测水柱内各水层相对于它的相对流速：

首先对每一水层的所有切变率值进行高斯分布检验，然后对置信度为0.95的置信区间进行数据算术平均或其它统计平均，从而求得该水层的流速切变率；依此继续，求出所有水层的流速度切变率；从参考层开始，对切变率值按照从表层到底层的顺序进行深度递推式积分，得到每一水层相对于参考层的相对流速；

c.基于GPS信息资料求取近表参考层的绝对流速：在GPS信息的利用方面，最直接的想法是把GPS的定位信息直接运用到LADCP仪器本身的速度确定上。但是，不仅GPS的定位精度达不到这种使用的要求，而且LADCP仪器本身和GPS天线之间还存在着非常显著的相对运动，所以GPS的定位信息不能直接运用到LADCP仪器自身速度的确定上。然而，在LADCP的测量过程中，总可以做到使LADCP从测船的某一位置入水，再从相同的位置出水，也即“LADCP和测船的相对位置在入水时和出水时是保持不变的”。所以，在整个测量过程中，LADCP仪器本身速度V_LADCP的时间积分就等于测船的水平位移，其公式表达如下：

$>\underset{}{\overset{}{}}$

其中X_ship^T是指出水点的测船位置，X_ship⁰是指入水点的测船位置，DX_ship是指整个测量过程中测船的水平位移。

以此为该部分的设计依据，利用GPS信息资料求取近表层参考绝对流速剖面的具体步骤如下：

i.首先，对于任一特定水层的绝对速度V_绝对，既可以用LADCP仪器本身速度V_LADCP与LADCP测量值V_测的和来表征：

              V_绝对＝V_LADCP+V_测               (4)

也可以用参考层速度V_绝对与相对于参考层速度V_{相对对于参考层}的和来

表征：

              V_绝对＝V_参考层+V_{相对于参考层}    (5)

所以可得：

   V_参考层＝V_LADCP+V_测-V_{相对于参考层}    (6)

ii.把上式对整个测量过程的时间间隔T进行积分，并结合(3)式，可得：

上式右边第一项由GPS信息资料进行确定，第二项和第三项则由LADCP的测量值和前述处理步骤中直接获取。如此以来，在GPS定位信息不能直接运用到LADCP仪器自身速度确定的情况下，考虑整个测量过程，利用LADCP在入水时和出水时和测船相对位置的不变性，求出了近表参考层的速度。

d.求取观测水柱内由表及底的绝对流速剖面：将以上得到的参考层绝对流速和每一水层相对于参考层的相对流速合成在一起，就得到整个水柱内每一水层的绝对流速，其公式表达为：

      V_n-绝对＝V_参考+V_{n-相对于参考层}    (8)

其中n代表观测水柱内的每一个水层。

5.通过权重耦合获得整个观测水柱的海流运动绝对速度剖面：不论是“底跟踪法”，还是“GPS法”，在求取观测水柱海流运动绝对速度剖面的过程中，都涉及了相应的积分过程，这样随着积分过程的延长就必然造成测量误差的累积效应。然而，“底跟踪法”是由底层向表层积分，误差累积向上增长；“GPS法”则是由表层向底层积分，误差累积向下增长。所以，可以根据它们这种误差累积的逆向顺序，进行相应的耦合处理，实现误差趋小的过程控制，其具体步骤如下：

a.把由“底跟踪法”得到的整个观测水柱的海流运动绝对速度剖面称为“底跟踪剖面”；把由“GPS法”得到的整个观测水柱的海流运动绝对速度剖面称为“GPS剖面”；对它们进行格式统一化处理，即实现各水层的资料点位置相统一，整个资料序列的间隔和长度相统一。

b.“基准资料段”的耦合：对比分析“底跟踪剖面”和“GPS剖面”，求取它们之间速度最为接近的资料段(一般位于中段)，称其为“基准资料段”。对该段资料进行耦合中各自权重皆取为50％，合成得到该段各水层的绝对流速。

c.从“基准资料段”往下直到近底层的耦合：确定“底跟踪剖面”从“基准资料段”往下直到近底层的各水层的权重系数从50％线性递增至100％；确定“GPS剖面”从“基准资料段”往下直到近底层的各水层的权重系数从50％线性递减至0％；然后各水层分别合成，得到该段各水层的绝对流速。

d.从“基准资料段”往上直到近表层的耦合：确定“底跟踪剖面”从“基准资料段”往上直到近表层的各水层的权重系数从50％线性递减至0％；确定“GPS剖面”从“基准资料段”往上直到近表层的各水层的权重系数从50％线性递增至100％；然后各水层分别合成，得到该段各水层的绝对流速。

综上所述，由此构筑的本发明可根据现场同步观测所得的LADCP、CTD和GPS原始资料，在未知LADCP仪器本身运动速度的条件下获得海流运动的绝对速度剖面。使我国投放式声学多普勒海流剖面仪观测的大量资料有望得以充分利用。