一种海洋环境组网观测系统及其方法与流程

1.本发明涉及海洋环境观测技术领域，特别涉及一种海洋环境组网观测系统及其方法。


背景技术：

2.传统的海洋环境观测系统中，各装置间相互传输声信号并将其他各装置接收的声信号接收时间进行存储，这种传统的观测系统各装置间容易混乱出错，每台装置需要同时具备声信号的发送与存储功能，工作过程中将其他装置的传播时间存储在存储卡内，这就造成系统设计复杂，工作过程功耗高，系统稳定性不高，且使用传统的海洋环境观测系统对海洋环境观测完毕后，系统再处理存储卡内的数据，无法实现对海洋环境实时观测。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种海洋环境组网观测系统及其方法，以解决现有技术中海洋观测西永稳定性不高，且无法实现对海洋环境实时观测的技术问题。
4.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
5.本发明提供了一种海洋环境组网观测系统，包括：数据处理装置、中转装置和多个观测装置；
6.所述数据处理装置布设在待观测海域的沿岸上，所述中转装置和多个所述观测装置布设在待观测的海域内，所述数据处理装置、所述中转装置和多个所述观测装置的内部时间同步；所述观测装置用于收发相邻的所述观测装置和所述中转装置的声信号；所述中转装置用于收发多个所述观测装置和所述数据处理装置的声信号；所述数据处理装置用于收发所述中转装置的声信号，所述数据处理装置能通过层析方法对声信号进行数据处理，并形成观测海域内的三维声速场、温度场和流速场。
7.优选地，所述数据处理装置、所述中转装置和多个所述观测装置之间通过m序列进行声信号的发射。
8.优选地，所述中转装置具有时间存储功能。
9.优选地，所述数据处理装置、所述中转装置和多个所述观测装置均使用应用扩频技术对接收的声信号进行处理，以提高声信号的信噪比。
10.本发明另一方面还提供一种海洋环境组网观测方法，包括如下步骤：
11.步骤s100、获取所述数据处理装置与所述中转装置之间、多个所述观测装置之间、多个所述观测装置与所述中转装置之间的声信号传递时间；
12.步骤s200、求解待观测海域内所述数据处理装置与所述中转装置之间、多个所述观测装置之间、多个所述观测装置与所述中转装置之间的声音传播速度；
13.步骤s300、通过所述传播距离和声信号传递时间计算求得待观测海域内的三维声速场；
14.步骤s400、通过水温和声音传播速度之间的关系式计算求得待观测海域内的温度
场；
15.步骤s500、基于所述声音传播速度和三维声速场计算求得带观测海域内的流速场。
16.优选地，所述步骤s100具体包含如下步骤：
17.步骤s110、获取所述数据处理装置与所述中转装置之间的声信号传递时间和；获取多个所述观测装置通过所述中转装置的中转，传递到所述数据处理装置的声信号的时间和；
18.步骤s120、通过计算得到所述数据处理装置与所述中转装置之间的声信号传递时间；
19.步骤s130、通过计算得到多个所述观测装置发射声信号到所述中转装置的声信号传递时间；
20.步骤s140、获取所述观测装置发射声信号，分别通过相邻的所述观测装置、所述中转装置到达所述数据处理装置的声信号的时间和；
21.获取所述中转装置发射声信号，到达其中一个所述观测装置，并经过该观测装置分别传递到所述中转装置、所述数据处理装置的时间和；
22.步骤s150、通过计算得到所述中转装置发射声信号传递到多个所述观测装置的时间；
23.步骤s160、通过计算得到多个相邻的所述观测装置的声信号传递时间。
24.优选地，所述步骤s200通过层析海洋环境参数三维反演法求解待观测海域内所述数据处理装置与所述中转装置之间、多个所述观测装置之间、多个所述观测装置与所述中转装置之间的声音传播速度；
25.优选地，所述步骤s200具体包括如下步骤：
26.步骤s210、通过垂直层析得到基于声信号的多个声线断面的平均声速剖面；
27.步骤s220、在平均声速剖面内进行水平层析；
28.步骤s230、通过水平层析，计算出待观测海域内所述数据处理装置与所述中转装置之间、多个所述观测装置之间、多个所述观测装置与所述中转装置之间的声音传播速度；
29.优选地，所述步骤s210具体包括如下步骤：
30.步骤s211、通过模拟仿真的多途传播声线去识别实际观测到的多峰值声信号；
31.步骤s212、针对声线之间的传播路径不同，建立温度场的垂直二维层析反演模型；
32.步骤s213、通过垂直层析得到多个声线断面的平均声速剖面。
33.优选地，所述步骤s230具体包含如下步骤：
34.步骤s231、把垂直层析的结果作为虚拟的水平声层析数据，进行水平二维求解；
35.步骤s232、通过计算得出待观测海域内所述数据处理装置与所述中转装置之间、多个所述观测装置之间、多个所述观测装置与所述中转装置之间的声音传播速度。
36.本发明的有益效果：
37.本发明通过添加中转装置可以实时将观测装置的数据传输给数据处理装置，实现海洋参数的实时观测。这种方法可以使观测装置无需进行数据存储，可以大大减少系统处理的数据量并且降低系统功耗，还可以有效的简化系统结构提高系统稳定性。
附图说明
38.图1为海洋环境组网观测系统的组成示意图；
39.图2为各种波形图，其中a图为m序列系带信号，b图为载波正弦信号，c图为m序列码信号经相同相调制后的正弦波。
具体实施方式
40.下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。
41.参照图1，本技术实施例提供了一种海洋环境组网观测系统，包括：数据处理装置、中转装置和多个观测装置；
42.所述数据处理装置布设在待观测海域的沿岸上；所述中转装置和多个所述观测装置布设在待观测的海域内，所述数据处理装置、所述中转装置和多个所述观测装置的通过gps进行时间同步；
43.在本实施例中，所述数据处理装置优选为岸基式声层析仪系统，简称为m1，所述中转装置优选为中转声层析仪系统，简称为m2，所述观测装置优选为观测声层析仪系统，为了便于表述，本实施中，所述观测声层析仪系统的数量选为两个，两个所述观测声层析仪系统分别简称为m3和m4；
44.m1、m2、m3和m4均称为观测节点；
45.所述岸基式声层析仪系统、所述中转声层析仪系统、所述观测声层析仪系统均包括潜标、浮球、声层析仪系统和重物；
46.所述观测声层析仪系统用于收发相邻的所述观测声层析仪系统和所述中转声层析仪系统的声信号；
47.所述中转声层析仪系统用于收发多个所述观测声层析仪系统和所述岸基式声层析仪系统的声信号；
48.所述岸基式声层析仪系统用于收发所述中转声层析仪系统的声信号，所述岸基式声层析仪系统能通过层析方法对声信号进行数据处理，并形成观测海域内的三维声速场、温度场和流速场。
49.所述岸基式声层析仪系统、所述中转声层析仪系统和多个所述观测声层析仪系统之间通过m序列进行声信号的发射；m序列是一种在通信领域广泛应用的伪随机序列，具有相关特性良好的优势。在进行组网观测时，每个观测声层析仪系统发送不同阶数的经过m序列码信号相位调制后的正弦波信号，其他观测声层析仪系统接收到信号，通过解调即可分辨信号来源于哪一个观测节点，让系统具有识别不用系统的声信号的能力，达到声层析仪系统组网观测的试验需要。
50.如图2所示，m序列码是由-1与1组成的基带信号和正弦波相乘得到的相位调整之后的正弦波信号，在不考虑声波传播损失和噪声的理想状态下，m序列码信号的自相关系数会产生一个峰值，即相位完全一致时为1，声层析仪系统利用这一特性，通过计算其相关性来判断信号到达的准确时间，实现系统间声传播时间的高精度观测。
51.所述岸基式声层析仪系统、所述中转声层析仪系统和所述观测声层析仪系统均使用应用扩频技术对接收的声信号进行处理，以提高声信号的信噪比，应用扩频技术优选为脉冲压缩技术，所述岸基式声层析仪系统、所述中转声层析仪系统和多个所述观测声层析
仪系统均使用脉冲压缩技术，对接收到其他观测节点的信号进行处理，通过提高信噪比能够更准确的识别出其他观测节点声信号的接收时间。
52.在其他一些实施例中，所述中转声层析仪系统具有时间存储功能，所述观测声层析仪系统不具有时间存储功能，在观测过程中，观测声层析仪系统与中转声层析仪系统都发送声信号，中转声层析仪系统对其他观测声层析仪系统的声信号传播时间进行存储，观测声层析仪系统无需对声信号传播时间进行存储，然后中转声层析仪系统再将传播时间传输给岸基式声层析仪系统，进行数据处理从而实现观测海域环境信息的实时观测功能，并且多个观测声层析仪系统由于无需进行信号存储，可以简化系统，并有效的减小系统功耗，只要观测声层析仪系统与岸基式声层析仪系统之间无障碍物即可完成数据传输，无需所有观测声层析仪系统都与岸基式声层析间无障碍物，所以应用场景更加广泛。
53.另一方面，本发明还提供一种海洋环境组网观测方法，包括如下步骤：
54.步骤s100、获取所述数据处理装置与所述中转声层析仪系统之间、多个所述观测声层析仪系统之间、多个所述观测声层析仪系统与所述中转声层析仪系统之间的声信号传递时间；
55.步骤s200、求解待观测海域内所述数据处理装置与所述中转声层析仪系统之间、多个所述观测声层析仪系统之间、多个所述观测声层析仪系统与所述中转声层析仪系统之间的声音传播速度；
56.步骤s300、通过所述传播距离和声信号传递时间计算求得待观测海域内的三维声速场；
57.步骤s400、通过水温和声音传播速度之间的关系式计算求得待观测海域内的温度场；
58.步骤s500、基于所述声音传播速度和三维声速场计算求得带观测海域内的流速场。
59.在一些其他实施例中，所述步骤s100具体包含如下步骤：
60.步骤s110、获取所述岸基式声层析仪系统与所述中转声层析仪系统之间的声信号传递时间和；获取多个所述观测声层析仪系统通过所述中转声层析仪系统的中转，传递到所述岸基式声层析仪系统的声信号的时间和；
61.步骤s120、通过计算得到所述岸基式声层析仪系统与所述中转声层析仪系统之间的声信号传递时间；
62.步骤s130、通过计算得到多个所述观测声层析仪系统发射声信号到所述中转声层析仪系统的声信号传递时间；
63.步骤s140、获取所述观测声层析仪系统发射声信号，分别通过相邻的所述观测声层析仪系统、所述中转声层析仪系统到达所述岸基式声层析仪系统的声信号的时间和；
64.获取所述中转声层析仪系统发射声信号，到达其中一个所述观测声层析仪系统，并经过该观测声层析仪系统分别传递到所述中转声层析仪系统、所述岸基式声层析仪系统的时间和；
65.步骤s150、通过计算得到所述中转声层析仪系统发射声信号传递到多个所述观测声层析仪系统的时间；
66.步骤s160、通过计算得到多个相邻的所述观测声层析仪系统的声信号传递时间。
67.下面对步骤s100的过程进行举例说明：
68.待测海域中观测声层析仪系统与中转声层析仪系统共同观测海洋环境参数，其中所述中转声层析仪系统接收并转发观测声层析仪系统发射的声信号到达时间，再将声信号的传播时间传输给岸基式声层析仪系统并结算出观测海域所有观测节点之间声信号的传播时间，以此完成后续的海洋参数反演。
69.中转声层析仪系统分两次将所有观测声层析仪系统声信号传播时间传输给岸基式声层析仪系统，第一次工作时所有观测节点都进行工作，岸基式声层析仪系统接收到中转声层析仪系统传输的时间为t
m1m2
t
m2m1
、t
m3m2
t
m2m1
、t
m4m2
t
m2m1
，其中t
m2m1
已知，可以结算出t
m1m2
、t
m3m2
和t
m4m2
，其中t
m1m2
指的是岸基式声层析仪系统m1发射声信号，并被中转声层析仪系统m2接收到的时间，其他的时间表示方式相同，以下不详细说明；
70.第二次工作时，只有中转声层析仪系统与岸基式声层析仪系统进行工作，其他观测系统进行休眠，岸基式声层析仪系统接收到的传输时间为t
m4m3
t
m3m2
t
m2m1
、t
m2m3
t
m3m2
t
m2m1
、t
m3m4
t
m4m2
t
m2m1
、t
m2m4
t
m4m2
t
m2m1
，与第一次传输的整体时间相减即可结算出t
m2m3
、t
m2m4
、t
m3m4
和t
m4m3
，即完成了所有系统间声信号传输时间的计算。
71.在一些其他实施例中，所述步骤s200通过层析海洋环境参数三维反演法求解待观测海域内所述数据处理装置与所述中转声层析仪系统之间、多个所述观测声层析仪系统之间、多个所述观测声层析仪系统与所述中转声层析仪系统之间的声音传播速度；
72.在一些其他实施例中，所述步骤s200具体包括如下步骤：
73.步骤s210、通过垂直层析得到基于声信号的多个声线断面的平均声速剖面；
74.步骤s220、在平均声速剖面内进行水平层析；
75.步骤s230、通过水平层析，计算出待观测海域内所述岸基式声层析仪系统与所述中转声层析仪系统之间、多个所述观测装置之间、多个所述观测声层析仪系统与所述中转声层析仪系统之间的声音传播速度；
76.在一些其他实施例中，所述步骤s210具体包括如下步骤：
77.步骤s211、通过模拟仿真的多途传播声线去识别实际观测到的多峰值声信号；
78.步骤s212、针对声线之间的传播路径不同，建立温度场的垂直二维层析反演模型；
79.步骤s213、通过垂直层析得到多个声线断面的平均声速剖面。
80.在一些其他实施例中，所述步骤s230具体包含如下步骤：
81.步骤s231、把垂直层析的结果作为虚拟的水平声层析数据，进行水平二维求解；
82.步骤s232、通过计算得出待观测海域内所述岸基式声层析仪系统与所述中转声层析仪系统之间、多个所述观测声层析仪系统之间、多个所述观测声层析仪系统与所述中转声层析仪系统之间的声音传播速度。
83.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不同限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。