一种极地海冰厚度测量方法、装置、电子设备和存储介质

摘要

本发明公开了一种极地海冰厚度测量方法、装置、电子设备和存储介质，包括：获取采集系统的测量数据；根据激光信号和声纳信号确定测量数据的状态；在确定测量数据的状态为正常状态时，对电磁场信号和激光信号进行去噪；根据去噪后的电磁场信号确定采集系统距离海冰下表面的第一高度，根据去噪后的激光信号和倾斜角度确定采集系统距离海冰上表面的第二高度，根据第一高度和第二高度确定海冰的厚度。在确定测量数据的状态为正常状态后，利用去噪后的电磁场信号和激光信号，以及测量数据中所包含的倾斜角度确定出海冰的厚度，能够根据有冰区并且进行去噪后的测量数据计算出海冰厚度，从而使得所确定的海冰厚度更加准确。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及数据处理处理技术领域，尤其涉及一种极地海冰厚度测量方法、装置、电子设备和存储介质。

背景技术

极地海冰是气候系统中重要的组成部分，冰面和水面的海气交换差别非常大，因此海冰的变化具有明显的气候效应。并且在研究海冰变化领域中，有效的海冰厚度观测技术可为全球气候系统的数字模型提供精准参数。

但是目前在海冰测量的过程中，由于外界观测条件与处理软件性能的限制，经常会出现一些异常或错误数据。例如，当科考船处于厚冰区时，由于破冰使得采集的数据出现间歇性的高频率噪声信号；在无冰区时依然进行无效数据的采集，因此在基于目前所获取的采集数据进行海冰厚度计算时，通常会影响海冰厚度的准确度。

发明内容

本发明实施例提供了一种极地海冰厚度测量方法、装置、电子设备和存储介质。以实现对极地海冰厚度的精准测量。

第一方面，本发明实施例提供了一种极地海冰厚度测量方法，包括：获取采集系统的测量数据，其中，测量数据包括电磁场信号、激光信号、声纳信号和航行倾斜角度；

根据激光信号和声纳信号确定测量数据的状态，其中，状态包括异常状态和正常状态；

在确定测量数据的状态为正常状态时，对电磁场信号和激光信号进行去噪；

根据去噪后的电磁场信号确定采集系统距离海冰下表面的第一高度，根据去噪后的激光信号和倾斜角度确定采集系统距离海冰上表面的第二高度，根据第一高度和第二高度确定海冰的厚度。

第二方面，本发明实施例提供了一种极地海冰厚度测量装置，包括：测量数据获取模块，用于获取采集系统的测量数据，其中，测量数据包括电磁场信号、激光信号、声纳信号和航行倾斜角度；

测量数据的状态确定模块，用于根据激光信号和声纳信号确定测量数据的状态，其中，状态包括异常状态和正常状态；

去噪模块，用于在确定测量数据的状态为正常状态时，对电磁场信号和激光信号进行去噪；

海冰厚度确定模块，用于根据去噪后的电磁场信号确定采集系统距离海冰下表面的第一高度，根据去噪后的激光信号和倾斜角度确定采集系统距离海冰上表面的第二高度，并根据第一高度和第二高度确定海冰的厚度。

第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，电子设备包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现本发明任意实施例的方法。

第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明任意实施例的方法。

在本发明实施例中，在确定测量数据的状态为正常状态后，利用去噪后的电磁场信号和激光信号，以及测量数据中所包含的倾斜角度确定出海冰的厚度，能够根据有冰区并且进行去噪后的测量数据计算出海冰厚度，从而使得所确定的海冰厚度更加准确。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的极地海冰厚度测量方法的流程图；

图2是本发明实施例二提供的极地海冰厚度测量方法的流程图；

图3是本发明实施例三提供的极地海冰厚度测量装置结构示意图；

图4是本发明实施例四提供的一种电子设备的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。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结构。

实施例一

图1是本发明实施例提供的极地海冰厚度测量方法的流程图，本实施例可适用于对极地海冰厚度进行测量的情况，该方法可以由本发明实施例中的极地海冰厚度测量装置来执行，该装置可以通过软件和/或硬件的方式实现，本发明实施例的方法具体包括如下步骤：

步骤S101，获取采集系统的测量数据，其中，测量数据包括电磁场信号、激光信号、声纳信号和航行倾斜角度。

其中，在所获取的采集数据中还包括位置信息，而采集系统包括电磁感应器、激光测距仪、声纳器、倾角仪和全球定位系统，并且采集系统中的每个仪器设备是通过以太网与电子设备进行连接，即采集系统中的每个仪器设备分别对应一个端口，例如，全球定位系统所对应的端口为3102、电磁感应器所对应的端口为3101、激光测距仪所对应的端口为3105、倾角仪所对应的端口为3104以及声纳器所对应的端口为3103,当然，本实施方式中仅是举例说明，而并不对采集系统中每个仪器设备所对应的具体端口进行限定。

可选的，获取采集系统的测量数据，包括：获取电磁感应器采集的电磁场信号；获取激光测距仪采集的激光信号；获取声纳器采集的声纳信号；获取倾角仪采集的倾斜角度；获取全球定位系统采集的位置信息。

步骤S102，根据激光信号和声纳信号确定测量数据的状态，其中，状态包括异常状态和正常状态。

可选的，根据激光信号和声纳信号确定测量数据的状态，可以包括：根据激光信号确定激光测距信息，根据声纳信号确定声纳测距信息；计算声纳测距信息与激光测距信息的差值；判断差值是否在阈值范围内，若是，则确定测量数据的状态为正常状态，否则，确定测量数据的状态为异常状态。

具体的说，在获取到测量数据后，需要进一步确定测量数据的状态，即判断所获取的测量数据是否为异常数据，由于科考船在航行过程中可能会经过无冰区，而在无冰区所获取的测量数据是无法确定出海冰厚度的，因此通常将在无冰区域所获取的测量数据作为异常数据，即在无冰区域所获取的测量数据的状态为异常状态。由于在无冰区域时，激光测距仪会无法获取到激光返回的数据，而声纳器可以获取的声纳返回的数据。因此可以根据激光信号确定出激光测距信息d1，同时根据声纳信号确定声纳测距信息d2，并计算d1和d2的差值，由于在每一个时刻可以分别获取一组包含电磁场信号、激光信号、声纳信号、航行倾斜角度和位置信息，因此在确定差值在阈值范围内时则说明测量数据的状态为正常状态，即测量数据是在有冰区域所采集的，此时可以根据该时刻所获取的测量数据计算该位置下的海冰厚度。

可选的，方法还包括：在确定测量数据的状态为异常状态时，在测量数据中添加故障标志；将添加故障标志的测量数据进行展示，并在确定故障标志的数量达到数量阈值时发出报警提示。

需要说明的是，在根据声纳测距信息和激光测距信息的差值不在阈值范围内时，则说明测量数据的状态为异常状态，即测量数据是在无冰区域所采集的，由于在无冰区域所获取的测量数据是无法确定出海冰厚度的，因此会对该时刻所获取的测量数据中添加故障标志，具体可以是数值标记，并将添加故障标志的测量数据在显示界面进行展示。并且当故障标志的数量达到所设定的数量阈值时会启动相应的报警机制，并发出报警提示。其中，报警提示具体可以是语音也可以是动画，本实施方式中并不限定报警的具体方式。

步骤S103，在确定测量数据的状态为正常状态时，对电磁场信号和激光信号进行去噪。

可选的，对电磁场信号和激光信号进行去噪，可以包括：采用小波分析将电磁场信号和激光信号中的高频信号进行滤除；将电磁场信号和激光信号中的低频信号进行保留。

具体的说，由于科考船在处于有冰区域进行破冰的过程中会进行剧烈晃动，另外，安装在科考船上的采集系统在海风的作用下也会出现强烈的前后摆动，上述外部环境因素都会造成采集系统的测量数据存在噪声，并且上述噪声通常是高频信号。为了保证海冰厚度测量的准确性，在确定测量数据的状态为正常状态，即确定测量数据是在有冰区域所获取时，会采用小波分析将电磁场信号和激光信号中的高频信号进行滤除。由于小波变换具有良好的时间域即频率域的局部化特征，能够通过伸缩和平移等运算功能对信号进行多尺度的细化分析，从而去除高频的噪声信号，并且本实施方式中所采用的小波分析具体可以是第二代小波变换方式，由于关于第二代小波变换的具体原理并不是本申请的重点，因此本实施方式中不再对其进行赘述。本实施方式中在将电磁场信号和激光信号中的高频信号进行滤除之后，能够将电磁场信号和激光信号中的低频信号进行保留，从而实现去噪过程。

步骤S104，根据去噪后的电磁场信号确定采集系统距离海冰下表面的第一高度，根据去噪后的激光信号和倾斜角度确定采集系统距离海冰上表面的第二高度，根据第一高度和第二高度确定海冰的厚度。

具体的说，本实施方式中是基于去噪后的电磁场信号并采用EM反演算法确定采集系统距离海冰下表面的第一高度h1。将电磁感应原理应用于测量海冰厚度的基础是海冰电导率远远小于海水的电导率，即海冰电导率的范围在0-300mS/m之间，而海水的电导率通常在2000-3000mS/m之间。海水可以被认为是有效的低频磁场，在测量过程中，由发射线圈产生一个初级磁场。初级磁场引起海冰感应出涡电流电场，然后接受线圈可接收到由涡流电场产生的次级磁场。因此根据去噪后的电磁场信号可以获取初级磁场强度H

其中，H

在获得磁场视电导率之后，可以根据如下公式(2)获得采集系统距离海冰下表面的第一高度h

具体的说，本实施方式中还可以根据去噪后的激光信号和倾斜角度确定采集系统距离海冰上表面的第二高度，由于激光信号是直线传输，根据激光信号可以确定采集系统距离海冰上表面的连线距离S，但是通常情况下极地环境恶劣会存在海风以及有冰区，因此科考船会产生颠簸并与水平面沿着一定航行倾斜角度前行。此时具体是根据S与倾斜角度θ之间的关系确定采集系统距离海冰上表面的第二高度h2，例如，可以是根据S*sinθ获得h2，当然，本实施方式中仅是举例说明，而并不限定获取h

其中，在获得采集系统距离海冰下表面的第一高度h

Δh＝h

在本发明实施例中，在确定测量数据的状态为正常状态后，利用去噪后的电磁场信号和激光信号，以及测量数据中所包含的倾斜角度确定出海冰的厚度，能够根据有冰区并且进行去噪后的测量数据计算出海冰厚度，从而使得所确定的海冰厚度更加准确。

实施例二

图2本发明实施例提供的极地海冰厚度测量方法的流程图，本实施例以上述实施例为基础，在根据第一高度和第二高度确定出海冰的厚度之后，将海冰厚度和位置信息进行绑定，获得每个位置信息下所对应的海冰厚度，将每个位置信息下所对应的海冰厚度进行展示。

如图2所示，本公开实施例的方法具体包括：

步骤S201，获取采集系统的测量数据，其中，测量数据包括电磁场信号、激光信号、声纳信号和航行倾斜角度。

可选的，获取采集系统的测量数据，包括：获取电磁感应器采集的电磁场信号；获取激光测距仪采集的激光信号；获取声纳器采集的声纳信号；获取倾角仪采集的倾斜角度；获取全球定位系统采集的位置信息。

步骤S202，根据激光信号和声纳信号确定测量数据的状态，其中，状态包括异常状态和正常状态。

可选的，根据激光信号和声纳信号确定测量数据的状态，可以包括：根据激光信号确定激光测距信息，根据声纳信号确定声纳测距信息；计算声纳测距信息与激光测距信息的差值；判断差值是否在阈值范围内，若是，则确定测量数据的状态为正常状态，否则，确定测量数据的状态为异常状态。

步骤S203，在确定测量数据的状态为正常状态时，对电磁场信号和激光信号进行去噪。

可选的，对电磁场信号和激光信号进行去噪，可以包括：采用小波分析将电磁场信号和激光信号中的高频信号进行滤除；将电磁场信号和激光信号中的低频信号进行保留。

步骤S204，根据去噪后的电磁场信号确定采集系统距离海冰下表面的第一高度，根据去噪后的激光信号和倾斜角度确定采集系统距离海冰上表面的第二高度，根据第一高度和第二高度确定海冰的厚度。

步骤S205，将海冰厚度和位置信息进行绑定，获得每个位置信息下所对应的海冰厚度，将每个位置信息下所对应的海冰厚度进行展示。

具体的说，由于在每一时刻所获取的测量数据中包含电磁场信号、激光信号、声纳信号、航行倾斜角度和位置信息，因此在根据去噪后的电磁场信号、去噪后的激光信号以及航行倾斜角度确定海冰厚度之后，还会将所确定的海冰厚度与位置信息进行绑定，即可以确定在每个位置信息下所对应的海冰厚度是多少。由于测量数据是在科考船前行的过程中实时获取的，因此可以确定科考船前向过程中每个位置信息下的海冰厚度，并将所获取的每个位置信息下所对应的海冰厚度在人机交互界面进行展示。通过将每个位置信息下所对应的海冰厚度进行展示，可以便于用户快速直观的获取海冰厚度测量结果，从而进一步提升了用户的体验。

另外，在获得每个位置信息下所对应的海冰厚度之后，还会将所获取的测量结果进行保存，具体可以采用Windows呈现基础(Windows Presentation Foundation，WPF)环境支持的文本文件、二进制文件和数据记录文件的形式进行保存。其中，二进制文件以其高速、高效的特点在高速流盘、安全存取方面应用广泛，适合海量数据的存储和读取，特别是WPF提供的二进制文件类型中的飞机技术资料数据化管理系统(Technical DocumentManagement System，TDMS)文件，具有读写速度快、占用硬盘空间小等优点，更适合多通道、大量数据的存储。在实际数据采集过程中数据存储对时间有较高的要求，采用TDMS底层VI存储文件可快速存储数据，提高整体系统的运行速度。在TDMS选板中有多个节点，如TDMS列出内容、TDMS设置属性、TDMS属性获取、TDMS碎片整理，用户可根据自己的需求灵活设置属性，从而方便数据存储与查询。

在本发明实施例中，在确定测量数据的状态为正常状态后，利用去噪后的电磁场信号和激光信号，以及测量数据中所包含的倾斜角度确定出海冰的厚度，能够根据有冰区并且进行去噪后的测量数据计算出海冰厚度，从而使得所确定的海冰厚度更加准确。并且通过将每个位置信息下所对应的海冰厚度进行展示，可以便于用户快速直观的获取海冰厚度测量结果，从而进一步提升了用户的体验。

实施例三

图3是本发明实施例提供的一种极地海冰厚度测量装置的结构示意图，具体包括：测量数据获取模块310、测量数据的状态确定模块320、去噪模块330和海冰厚度确定模块340。

其中，测量数据获取模块310，用于获取采集系统的测量数据，其中，测量数据包括电磁场信号、激光信号、声纳信号和航行倾斜角度；

测量数据的状态确定模块320，用于根据激光信号和声纳信号确定测量数据的状态，其中，状态包括异常状态和正常状态；

去噪模块330，用于在确定测量数据的状态为正常状态时，对电磁场信号和激光信号进行去噪；

海冰厚度确定模块340，用于根据去噪后的电磁场信号确定采集系统距离海冰下表面的第一高度，根据去噪后的激光信号和倾斜角度确定采集系统距离海冰上表面的第二高度，并根据第一高度和第二高度确定海冰的厚度。

可选的，采集数据中还包括位置信息。

可选的，采集系统包括电磁感应器、激光测距仪、声纳器、倾角仪和全球定位系统；

测量数据获取模块，用于获取电磁感应器采集的电磁场信号；

获取激光测距仪采集的激光信号；

获取声纳器采集的声纳信号；

获取倾角仪采集的倾斜角度；

获取全球定位系统采集的位置信息。

可选的，测量数据的状态确定模块，用于根据激光信号确定激光测距信息，根据声纳信号确定声纳测距信息；

计算声纳测距信息与激光测距信息的差值；

判断差值是否在阈值范围内，若是，则确定测量数据的状态为正常状态，否则，确定测量数据的状态为异常状态。

可选的，装置还包括报警模块，用于在确定测量数据的状态为异常状态时，在测量数据中添加故障标志；

将添加故障标志的测量数据进行展示，并在确定故障标志的数量达到数量阈值时发出报警提示。

可选的，去噪模块，用于采用小波分析将电磁场信号和激光信号中的高频信号进行滤除；将电磁场信号和激光信号中的低频信号进行保留。

可选的，装置还包括展示模块，用于将海冰厚度和位置信息进行绑定，获得每个位置信息下所对应的海冰厚度；

将每个位置信息下所对应的海冰厚度进行展示。

上述装置可执行本发明任意实施例所提供的极地海冰厚度测量方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例提供的方法。

实施例四

图4是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。图4示出了适用于用来实现本发明实施方式的示例性电子设备412的框图。图4显示的电子设备412仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图4所示，电子设备412以通用计算设备的形式出现。电子设备412的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器412，存储器428，连接不同系统组件(包括存储器428和处理器416)的总线418.

总线418表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。

电子设备412典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被电子设备412访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。

存储器428用于存储指令。存储器428可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)430和/或高速缓存存储器432。电子设备412可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统434可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图4未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图4中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM，DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线418相连。存储器428可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。

具有一组(至少一个)程序模块442的程序/实用工具440，可以存储在例如存储器428中，这样的程序模块442包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块442通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。

电子设备412也可以与一个或多个外部设备414(例如键盘、指向设备、显示器424等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备412交互的设备通信，和/或与使得该电子设备412能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口422进行。并且，电子设备412还可以通过网络适配器420与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器420通过总线418与电子设备412的其它模块通信。应当明白，尽管图4中未示出，可以结合电子设备412使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。

处理器416通过运行存储在存储器428中的指令，从而执行极地海冰厚度测量方法：获取采集系统的测量数据，其中，测量数据包括电磁场信号、激光信号、声纳信号和航行倾斜角度；根据激光信号和声纳信号确定测量数据的状态，其中，状态包括异常状态和正常状态；在确定测量数据的状态为正常状态时，对电磁场信号和激光信号进行去噪；根据去噪后的电磁场信号确定采集系统距离海冰下表面的第一高度，根据去噪后的激光信号和倾斜角度确定采集系统距离海冰上表面的第二高度，根据第一高度和第二高度确定海冰的厚度。

实施例五

本发明实施例五还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行极地海冰厚度测量方法，该方法包括：

获取采集系统的测量数据，其中，测量数据包括电磁场信号、激光信号、声纳信号和航行倾斜角度；根据激光信号和声纳信号确定测量数据的状态，其中，状态包括异常状态和正常状态；在确定测量数据的状态为正常状态时，对电磁场信号和激光信号进行去噪；根据去噪后的电磁场信号确定采集系统距离海冰下表面的第一高度，根据去噪后的激光信号和倾斜角度确定采集系统距离海冰上表面的第二高度，根据第一高度和第二高度确定海冰的厚度。

通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory,RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的极地海冰厚度测量方法。

值得注意的是，上述实施例中所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。