一种基于自主水下航行器探测海洋内波的方法与流程

本发明涉及海洋内波，尤其涉及一种基于自主水下航行器探测海洋内波的方法。

背景技术：

1、海洋内波是海洋中普遍存在的现象，发生在密度稳定层化的海水内部，内波的振幅一般大于表面波的振幅，振幅为几米到几十米，甚至几百米，大气压起伏，海底地形和运动物体等都可以引起内波的产生。海洋内波生成与内波混合对于海洋中的质量、动量、能量输送及全球气候变化起着重要的作用。实现全自主实时内波检测是及时和必要的。

2、海洋中内波的监测的技术手段有基于海表变化的可见光或sar卫星遥感法、基于声场干涉结构的内波观测法、基于潜标温度链的时序内波观测法等。在内波应用方面，在内波多发海域，也有学者基于海洋动力模型开展内波数值预报。内波的卫星遥感法局限性在于对海面以下的环境特征不能准确反映，还需要其他手段相配合来给出内波水下参数，且反演的内波参数无法和水下平台实时通讯，在应用时效性方面存在限制。基于对声场干涉结构影响反演内波参数反演法的系统复杂度相对较高，尤其在简正波分离时需要覆盖全海深垂直接收阵的数据，而且要准确已知阵型姿态等。潜标温度链的内波观测法只能定点检测、有数据复杂、布控成本高、安全隐患大等缺陷。基于海洋动力模型的数值预报法能够通过数值计算给出全球范围的内波活动过程，但如果要获取局部精确的参数，还需要观测数据等先验信息支持。因此，开发一种新的能够简便、准确检测海洋内波的系统和方法尤为必要。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于自主水下航行器(auv)直接探测海洋内波的方法，实现对海洋内波的感知和观测。自主水下航行器在观测海域航行，通过加载海洋背景环境数据库，并结合auv搭载的温深度传感器和信号处理器进行温度、深度测量，获得水体温深度结构背景的深度-温度回归方程；通过定深航行获得水体温度时间序列，通过深度-温度回归方程反演获得水体波动振幅时间序列，将水体波动振幅小的航行观测作为水体波动背景数据；将定深航行观测的温度时间序列实时反演为水体波动时间序列，与水体波动背景数据比较，波动振幅值明显高于背景场波动振幅均值，则认为此处存在海洋内波，否则认为此处不存在海洋内波；自主水下航行器的上浮与下潜过程中的温度剖面测量数据不断加入温度结构背景数据库，对深度-温度回归方程进行实时优化迭代；将不存在海洋内波的航行数据(波动振幅时间序列)加入到水体波动背景场数据中，用于水体波动背景的优化迭代，供下一次内波判断使用。

2、本发明提供一种自主水下航行器探测海洋内波的方法，包括以下步骤：

3、s1——水体温深度结构背景加载观测：加载观测海域海洋背景环境数据库，并通过在自主水下航行器上集成搭载温深度传感器和信号处理器，对观测海域水体温度剖面结构进行多次测量，经数据同化得到平均温度剖面曲线，通过拟合得到初始的深度-温度回归方程；

4、s2——水体波动背景观测：所述搭载有温深度传感器的自主水下航行器在该观测海域下潜至一定深度，以一定航速进行定深航行，实时测量自主水下航行器所在水体的温度，一段时间后上浮回传温度观测数据，并通过优化后的深度-温度回归方程反演获得水体波动振幅-时间曲线；如果水体波动振幅小于一定值时，则将该段走航的水体波动振幅-时间曲线作为水体波动背景数据；此外，将s2过程中自主水下航行器在上浮和下潜中测得的深度-温度数据加入到s1中的水体温度剖面观测数据库中，丰富水体温度结构背景观测数据，获得优化后的深度-温度回归方程；

5、s3——定深航行数据探测：所述搭载有温度传感器的自主水下航行器在观测海域下潜至s2定深航行深度，以一定航速定深航行观测所在水体的实时温度，一段时间后上浮，将温度观测时间序列代入到优化后的深度-温度回归方程，反演获得走航实时水体波动振幅时间序列；若水体波动振幅大于一定值时，则进行s4内波比较与判决，否则将此次走航观测数据加入到水体波动背景场数据中，作为新的水体波动背景；同时，将s3过程中自主水下航行器在上浮和下潜中测得的深度-温度数据加入到s2中的深度-温度数据矩阵中，丰富水体温度结构背景观测数据，更新深度-温度回归方程；

6、s4——内波比较与判决：将走航实时水体波动振幅观测数据与水体波动背景数据进行对比分析，如果走航实时波动振幅值明显高于背景场波动振幅均值，则认为此处存在海洋内波；否则认为此处不存在海洋内波。

7、优选地，水下自主航行器的航速为3-12节，优选4-10节。

8、优选地，水下自主航行器定深航行时离海面的深度为30～500m，优选50～300m；

9、优选地，所述的温深度传感器为ctd传感器。

10、优选地，步骤s2中水体波动振幅小于2米时，则将该段走航的水体波动振幅-时间曲线作为水体波动背景数据。

11、优选地，步骤s3中水体波动振幅大于2米时，则进行s4内波比较与判断判决。

12、优选地，所述的海洋内波包括天然海洋内波和海洋源致内波。

13、本发明还公开了一种海洋内波探测系统，包括：水下自主航行器(1)、温深度测试装置(1-1)、数据储存装置(1-2)、定深航行控制装置(1-3)、信号发送装置(1-4)、信号收取装置(2-1)、数据处理终端装置(2-2)；所述温深度测试装置(1-1)、数据储存装置(1-2)、定深航行控制装置(1-3)、信号发送装置(1-4)集成搭载在水下自主航行器(1)上；水下自主航行器(1)在上浮、下沉过程中通过温深度测试装置(1-1)所测的温深度数据存储在数据存储装置(1-2)中，在上浮后通过信号发送装置(1-4)将数据发送到信号收取装置(2-1)，信号收取装置(2-1)能够将数据信息传递到数据处理终端(2-2)进行数据处理，获得并不断更新迭代生成深度-温度回归方程；水下自主航行器(1)在定深航行控制装置(1-3)控制下定深航行，航行过程中通过温深度测试装置(1-1)所测的温度数据存储在数据存储装置(1-2)中，在上浮后通过信号发送装置(1-4)将数据发送到信号收取装置(2-1)，信号收取装置(2-1)能够将数据信息传递到数据处理终端(2-2)进行数据处理，生成水体波动振幅-时间曲线作为水体波动背景，进行内波比较判断，并不断更新迭代生成新的水体波动背景。

14、本发明的有益效果：运用本发明的技术方案构建的自主水下航行器海洋内波观测方法及系统，可对海洋内波进行直接测量，并通过上浮下沉过程不断优化深度-温度回归方程、通过定深航行不断优化水体波动背景数据，增强探测准确性。

15、相较于温度链检测内波存在的定点检测、数据复杂、布控成本高、安全隐患大等缺陷，本发明的技术方案更加简便灵活，且自主水下航行器具有可移动性，能够灵活切换检测航线进行追踪，探测范围大，且探测成本更低，数据处理简捷，既可应用于对海洋天然内波的观测，也可应用于海洋航行体源致内波的观测，具有广阔的应用前景和科学价值。

技术特征：

1.一种自主水下航行器探测海洋内波的方法，其特征在于，自主水下航行器在观测海域航行，通过加载海洋背景环境数据库，并结合auv搭载的温深度传感器和信号处理器进行温度、深度测量，获得水体温深度结构背景的深度-温度回归方程；通过定深航行获得水体温度时间序列，通过深度-温度回归方程反演获得水体波动振幅时间序列，将振幅较小的水体波动观测数据作为水体波动背景数据；将定深航行观测的温度时间序列实时反演为水体波动时间序列，与水体波动背景数据比较，波动振幅值明显高于背景场波动振幅均值，则认为此处存在海洋内波，否则认为此处不存在海洋内波；自主水下航行器的上浮与下潜过程中的温度剖面测量数据不断加入温度结构背景数据库，对深度-温度回归方程进行实时优化迭代；将不是海洋内波的航行观测数据加入到水体波动背景场数据中，用于水体波动背景的优化迭代，供下一次内波判断使用。

2.一种自主水下航行器探测海洋内波的方法，其特征在于包括以下步骤：

3.如权利要求1-2所述的探测海洋内波的方法，所述的海洋内波包括天然海洋内波和海洋源致内波。

4.如权利要求1-2所述的探测海洋内波的方法，所述水下自主航行器的航速为3-12节，优选4-10节。

5.如权利要求1-2所述的探测海洋内波的方法，所述水下自主航行器定深航行时深度为30～500m，优选50～300m。

6.如权利要求1-2所述的探测海洋内波的方法，所述温、深度传感器为ctd传感器。

7.如权利要求2所述的探测海洋内波的方法，步骤s2中所述水体波动振幅小于2米时，则将该段走航的水体波动振幅-时间曲线作为水体波动背景数据。

8.如权利要求2所述的探测海洋内波的方法，步骤s3中所述水体波动振幅大于2米时，则进行s4内波比较与判断判决。

9.一种海洋内波探测系统，包括：水下自主航行器(1)、温深度测试装置(1-1)、数据储存装置(1-2)、定深航行控制装置(1-3)、信号发送装置(1-4)、信号收取装置(2-1)、数据处理终端装置(2-2)；所述温深度测试装置(1-1)、数据储存装置(1-2)、定深航行控制装置(1-3)、信号发送装置(1-4)集成搭载在水下自主航行器(1)上；水下自主航行器(1)在上浮、下沉过程中通过温深度测试装置(1-1)所测的温深度数据存储在数据存储装置(1-2)中，在上浮后通过信号发送装置(1-4)将数据发送到信号收取装置(2-1)，信号收取装置(2-1)能够将数据信息传递到数据处理终端(2-2)进行数据处理，获得并不断更新迭代生成深度-温度回归方程；水下自主航行器(1)在定深航行控制装置(1-3)控制下定深航行，航行过程中通过温深度测试装置(1-1)所测的温度数据存储在数据存储装置(1-2)中，在上浮后通过信号发送装置(1-4)将数据发送到信号收取装置(2-1)，信号收取装置(2-1)能够将数据信息传递到数据处理终端(2-2)进行数据处理，生成水体波动振幅时间序列作为水体波动背景，进行内波比较判断，并不断更新迭代生成新的水体波动背景。

10.如权利要求9所述的海洋内波探测系统，所述温、深度测试装置为ctd传感器。

技术总结
针对海洋内波这种特有的海洋物理现象，本发明提出了一种用于自主水下航行器直接探测海洋内波的方法，实现对海洋内波的感知和观测。运用本发明的技术方案构建的自主水下航行器海洋内波观测方法及系统，可对海洋内波进行直接测量，并通过上浮下沉过程不断优化水体温度剖面回归方程、通过定深航行不断优化水体波动背景数据，增强探测准确性。相较于温度链检测内波存在的定点检测、数据复杂、布控成本高、安全隐患大等缺陷，本发明的技术方案更加简便灵活，自主水下航行器具有可移动性，能够灵活切换检测航线进行追踪，探测范围大，且探测成本更低，数据处理简捷，既可应用于对海洋天然内波的观测，也可应用于海洋航行体源致内波的观测，具有广阔的应用前景和科学价值。

技术研发人员：陈标,李原,程普,于振涛,陈捷,姜浩
受保护的技术使用者：青岛协同创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13