[發明專利]一種基于水下滑翔機的內孤立波參數提取算法

有效

• 申請號: 202211064070.4
• 申請日: 2022-09-01
• 公開（公告）號: CN115422746B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 王智峰;崔俊男;夏浩峰;過武宏
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學;中國人民解放軍海軍潛艇學院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/10;G06F17/16;G06F18/231;G06F18/22
• 代理公司: 北京開陽星知識產權代理有限公司 11710
• 代理人: 李玉賓

一種基于水下滑翔機的內孤立波參數提取算法，屬于海洋內孤立波觀測技術領域，提取算法采用滑翔機矩陣進行觀測，包括如下步驟：步驟1、提取水下滑翔機觀測的時空數據，采用層次聚類分析法對時空數據進行分析；步驟2、將同時空數據集中的數據進行等深度區間插值，計算歐氏距離，并進行判定；步驟3、將等密面最大深度差大于25m、最大深度差所在深度大于20m的可疑序列提取，對其機器號、剖面號、平均密度進行數據和計算，得到海洋分層情況、浮頻率和內孤立波振幅；步驟4、按照內孤立波理論最佳適用范圍選擇合適的內孤立波理論反演內孤立波對等密面的影響，輸出包含內孤立波信息的密度剖面。本發明能夠明顯提高內孤立波反演結果的準確性。

技術領域

本發明屬于海洋內孤立波觀測技術領域，具體涉及一種基于水下滑翔機的內孤立波參數提取算法。

背景技術

傳統觀測內孤立波的方式主要為潛標鋪定、船載儀器觀測、Argo浮標等，現場觀測能獲得寶貴的第一手資料，能最真實的反映出海洋現象，但缺點也很明顯：如儀器投放耗資巨大、走航式觀測人力和時間成本過高、很難實現大面積觀測等。同時，也可以基于衛星遙感的方式進行觀測，這種方法可以準確得到內孤立波發生的空間位置、傳播方向等信息，卻無法得到內孤立波的振幅及其對海洋溫鹽、密度躍層的影響。

隨著無人觀測平臺逐漸成熟，水下滑翔機表現出明顯優勢，具體體現在：儀器收放簡易、數據時間連續、位置區域靈活、人力成本降低。同時，利用水下滑翔機對內波特征參數以及三維溫鹽的研究，可以有效提高滑翔機觀測數據的使用效率。利用滑翔機進行海洋觀測，提取內波特征，并對該海區溫鹽精細結構進行分析研究，將有利于水下聲場計算，從而保障水下工程或軍事作業的實施。

由于水下滑翔機在海水中的運動主要受到重力和浮力的驅動，因此其很容易受到海洋現象產生的流場變化的影響。利用滑翔機的這一特點，一些學者通過水下滑翔機的運動情況反演出滑翔機遭遇的內波特征參數。Rudnick等人(2013)于2007年四月到2008年七月對呂宋海峽進行了七次滑翔機觀測實驗，觀測到了高頻內波的發生，其發生的周期小于滑翔機對于海水剖面信息的采集周期(3-6小時)。他們通過滑翔機測得的壓力和滑翔機姿態來估算內波造成的垂向流速，并提出了通過滑翔機運動方程計算垂向流速和通過高通濾波器估算垂向流速的算法。期間，他們觀測到的最大垂向流速超過了0.2m/s，溫躍層垂向最大振幅接近200m。Palmer等人(2015)2012年夏天在凱爾特海利用水下滑翔機進行了海洋微觀結構的研究。他們發現海水內部的運動主要取決于廣泛分布的海洋內波，且觀測到的最大內波振幅超過50m，相當于總水深的1/3。內波作用下引起的密度躍層混合是海水底層密度減少的主要原因，這意味著密度躍層的運動是調節大陸架地區及深海區域海水交換的重要機制。Ma等人(2018)2017年八月在中國南海采用水下滑翔機觀測到了內孤立波的發生。并結合中尺度分辨率衛星海洋圖像，證實了南海溫躍層的運動主要取決于內波的影響。他們通過滑翔機的垂向速度和運動特征估算除了內孤立波的周期和振幅，分別為24分鐘和127米。

然而，目前的研究處于起步階段，各方面理論和方法尚不成熟，仍存在大量的改進空間。在利用水下滑翔機觀測內孤立波方面，缺乏內孤立波的理論依據，難以精準反演內孤立波參數，并且傳統方法采用單滑翔機進行觀測，難以克服隨機因素對于滑翔機運動的影響，從而影響觀測精度，無法準確確定內孤立波振幅等信息。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明公開了一種基于水下滑翔機的內孤立波參數提取算法，目的是通過水下滑翔機矩陣式觀測，結合海洋數據的時空分析方法、海洋垂向速度模型、內孤立波理論模型進行數據分析，提取內孤立波特征參數，并反演出內孤立波對于海洋溫鹽、密度的影響，解決傳統觀測手段機動性差、觀測成本高昂、數據精度低的問題。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：

一種基于水下滑翔機的內孤立波參數提取算法，所述的提取算法采用滑翔機矩陣進行觀測，所述的滑翔機矩陣指的是：在同一時間、以空間矩陣的形式在不同地點投放若干水下滑翔機，通過若干水下滑翔機同時觀測，包括如下步驟：