本發(fā)明公開基于多源海洋數(shù)據(jù)的區(qū)域三維聲速場反演及網(wǎng)格加密處理方法，屬于海洋探測與數(shù)據(jù)處理。

背景技術：

1、聲速場是海洋聲學探測、水下通信、聲吶定位等領域的基礎數(shù)據(jù)。目前，聲速場反演主要依賴單一或少量數(shù)據(jù)源(如遙感、argo浮標、船載觀測)，存在覆蓋范圍不足和分辨率有限的問題。載人潛水器雖能提供高精度剖面數(shù)據(jù)，但覆蓋范圍有限。而自主水下潛航器(auv)具有靈活機動、大范圍作業(yè)的能力，其與載人潛水器和其他數(shù)據(jù)源協(xié)同觀測，可以顯著提升數(shù)據(jù)的空間分布均勻性和覆蓋范圍。

2、現(xiàn)有技術在多源數(shù)據(jù)融合與網(wǎng)格優(yōu)化處理方面存在不足，無法充分發(fā)揮多潛水器協(xié)同觀測的優(yōu)勢。本發(fā)明提出一種協(xié)同多潛水器的溫鹽深數(shù)據(jù)融合反演方法，并通過動態(tài)網(wǎng)格優(yōu)化提升聲速場分辨率，為復雜海洋環(huán)境的聲學應用提供高效解決方案。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供基于多源海洋數(shù)據(jù)的區(qū)域三維聲速場反演及網(wǎng)格加密處理方法，以解決現(xiàn)有技術中，聲速場反演覆蓋范圍不足，分辨率有限的問題。

2、基于多源海洋數(shù)據(jù)的區(qū)域三維聲速場反演及網(wǎng)格加密處理方法，包括：

3、s1.進行基于多源海洋數(shù)據(jù)的區(qū)域三維聲速場反演，包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預處理、多源數(shù)據(jù)融合和聲速場反演；

4、s2.通過回歸模型推算溫鹽場，在argo浮標數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域，利用argo浮標數(shù)據(jù)對推算溫鹽場進行修正，利用高精度溫鹽深儀數(shù)據(jù)對argo浮標數(shù)據(jù)修正后的溫鹽場進行修正；

5、s3.基于分層處理的多源數(shù)據(jù)融合，淺層海域?qū)⑦b感推算數(shù)據(jù)和argo浮標數(shù)據(jù)進行插值融合，中深層海域?qū)rgo浮標剖面數(shù)據(jù)和潛水器溫鹽深儀ctd測量數(shù)據(jù)通過加權平均和空間插值進行融合；

6、s4.基于梯度分析的自適應網(wǎng)格優(yōu)化，高梯度區(qū)域進行優(yōu)先細化處理，中梯度區(qū)域次之，低梯度區(qū)域保持初始分辨率；

7、s5.利用海平面高度異常數(shù)據(jù)，對聲速場反演結果進行區(qū)域性調(diào)整；

8、s6.區(qū)域三維聲速場實時更新。

9、s1的數(shù)據(jù)獲取包括獲取遙感數(shù)據(jù)、自沉浮式剖面探測浮標argo浮標數(shù)據(jù)和潛器數(shù)據(jù)，遙感數(shù)據(jù)包括海平面高度異常ssh、海表面溫度sst和海表鹽度sss，argo浮標數(shù)據(jù)包括argo浮標提供的溫度、鹽度剖面數(shù)據(jù)，潛器數(shù)據(jù)包括載人潛水器和自主水下潛航器auv的溫鹽深儀測量數(shù)據(jù)；

10、數(shù)據(jù)預處理包括對多源數(shù)據(jù)進行去噪、時間和空間對齊、異常值剔除及缺失數(shù)據(jù)補全。

11、s1的多源數(shù)據(jù)融合包括結合遙感數(shù)據(jù)、argo浮標數(shù)據(jù)和潛器數(shù)據(jù)，通過動態(tài)權重算法，根據(jù)數(shù)據(jù)精度、空間覆蓋率和時間一致性，計算觀測精度因子、空間覆蓋范圍因子和時效性因子，進行分層加權融合，生成三維溫鹽場；

12、表示每類數(shù)據(jù)源精度水平的觀測精度因子為：

13、

14、式中，pi為數(shù)據(jù)源i的觀測精度因子，σi是數(shù)據(jù)源i的觀測誤差，σj是第j個數(shù)據(jù)源的觀測誤差，n為數(shù)據(jù)源總數(shù)；

15、表示每類數(shù)據(jù)源空間分布特性的空間覆蓋范圍因子為：

16、

17、式中，ai為數(shù)據(jù)源i的覆蓋范圍因子，ci為數(shù)據(jù)源i的覆蓋面積，cj為第j個數(shù)據(jù)源的覆蓋面積；

18、表示數(shù)據(jù)時間有效性的時效性因子為：

19、

20、式中，ti為數(shù)據(jù)源i的時效性因子，δti為數(shù)據(jù)源i與當前時間的時間差，λ為時效性衰減系數(shù)，可根據(jù)實際需求調(diào)節(jié)，δtj為第j個數(shù)據(jù)源與當前時間的時間差，e為自然常數(shù)；

21、計算每個數(shù)據(jù)源的最終動態(tài)權重wi：

22、wi＝αai+βpi+γti；

23、式中，α、β、γ是權重調(diào)節(jié)系數(shù)，根據(jù)應用中各指標的重要性進行設置，α+β+γ＝1；

24、對每個網(wǎng)格單元的溫度和鹽度值進行加權融合：

25、

26、

27、式中，tf是網(wǎng)格單元溫度加權融合值，ti是數(shù)據(jù)源i在網(wǎng)格單元中的溫度值，sf是網(wǎng)格單元鹽度加權融合值，si是數(shù)據(jù)源i在網(wǎng)格單元中的鹽度值；

28、對于不同深度的數(shù)據(jù)稀疏區(qū)域，利用插值方法補全溫度和鹽度值，以確保三維場的完整性，插值方法包括反距離加權法、克里金插值法。

29、s1的聲速場反演包括使用chen-millero聲速公式，通過溫鹽深儀數(shù)據(jù)計算聲速場：

30、c(t,s,p)＝c0+α1t+β1s+γ1p+δt2+∈ts；

31、式中，c是聲速，為海水溫度t、鹽度s和壓力p的函數(shù)，c0是參考狀態(tài)下的聲速常數(shù)，α1、β1、γ1是溫度、鹽度、壓力的一階線性系數(shù)，δ是溫度的二階系數(shù)，∈是溫鹽交叉項系數(shù)。

32、s2包括通過回歸模型推算溫鹽場：

33、tc(x,y,z)＝g(sst,z)；

34、sc(x,y,z)＝f(ssh,sst)；

35、式中，tc(x,y,z)和sc(x,y,z)分別是通過回歸模型推算的溫度和鹽度，f和g是通過歷史觀測數(shù)據(jù)擬合得到的經(jīng)驗函數(shù)，(x,y,z)是經(jīng)度、緯度和深度坐標；

36、在argo浮標數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域，利用argo浮標數(shù)據(jù)對推算溫鹽場進行修正：

37、t'(x,y,z)＝tc(x,y,z)+δtargo；

38、s'(x,y,z)＝sc(x,y,z)+δsargo；

39、式中，t'(x,y,z)和s'(x,y,z)分別是利用argo浮標數(shù)據(jù)修正后的溫度和鹽度，δtargo和δsargo分別是argo浮標修正的溫度和鹽度；

40、選取載人潛水器和auv路徑半徑10km的區(qū)域作為局部優(yōu)化區(qū)域，利用高精度溫鹽深儀數(shù)據(jù)對argo浮標數(shù)據(jù)修正后的溫鹽場進行修正：

41、tfinal(x,y,z)＝t'(x,y,z)+δtsub；

42、sfinal(x,y,z)＝s'(x,y,z)+δssub；

43、式中，tfinal(x,y,z)和sfinal(x,y,z)分別是最終修正溫度和鹽度，δtsub和δssub分別是利用載人潛水器和auv修正的溫度和鹽度。

44、s3包括將海洋區(qū)域按照深度劃分為淺層、中層和深層，淺層深度為0米至200米之間，中層深度為200米至1000米之間，深層深度為1000米以上；

45、淺層數(shù)據(jù)包含基于遙感的sst、sss、ssh數(shù)據(jù)，利用argo浮標的淺層觀測數(shù)據(jù)進行插值融合，將argo浮標的淺層觀測點配準到遙感網(wǎng)格，對每個網(wǎng)格點的溫鹽值結合遙感推算值和argo實測值，通過插值方法融合：

46、tfusion(x,y,z)＝wrstrs(x,y,z)+wargotargo(x,y,z)；

47、sfusion(x,y,z)＝wrssrs(x,y,z)+wargosargo(x,y,z)；

48、式中，tfusion(x,y,z)和sfusion(x,y,z)分別是淺層觀測點中遙感數(shù)據(jù)和argo浮標數(shù)據(jù)插值融合后的溫度和鹽度，trs(x,y,z)和srs(x,y,z)分別是淺層觀測點遙感推算的溫度和鹽度，targo(x,y,z)和sargo(x,y,z)分別是淺層觀測點argo浮標實測的溫度和鹽度，wrs和wargo分別是遙感數(shù)據(jù)和argo浮標數(shù)據(jù)的權重，wrs+wargo＝1；

49、中層和深層利用argo浮標剖面數(shù)據(jù)及潛水器溫鹽深儀ctd測量數(shù)據(jù)，通過加權平均和空間插值生成中深層溫鹽場：

50、tf'usion(x,y,z)＝wa'rgota'rgo(x,y,z)+wsubtsub(x,y,z)；

51、s'fusion(x,y,z)＝wa'rgos'argo(x,y,z)+wsubssub(x,y,z)；

52、式中，tf'usion(x,y,z)和s'fusion(x,y,z)分別是中深層觀測點中argo浮標剖面數(shù)據(jù)和潛水器溫鹽深儀ctd測量數(shù)據(jù)加權平均和空間插值后的溫度和鹽度，wa'rgo和wsub分別是argo浮標剖面數(shù)據(jù)和潛水器溫鹽深儀ctd測量數(shù)據(jù)的權重，ta'rgo(x,y,z)和s'argo(x,y,z)分別是中深層觀測點argo浮標實測的溫度和鹽度，tsub(x,y,z)和ssub(x,y,z)分別是中深層觀測點潛水器溫鹽深儀ctd實測的溫度和鹽度。

53、s3包括在海洋分層邊界區(qū)域，采用雙向插值算法，使淺層、中層和深層層間過渡平滑。

54、s4包括分析初始三維聲速場梯度變化率g：

55、

56、高梯度區(qū)域進行優(yōu)先細化處理，將網(wǎng)格分辨率提高至原始大小的中梯度區(qū)域細化網(wǎng)格至原始大小的低梯度區(qū)域保持初始分辨率以減少計算冗余；

57、分析數(shù)據(jù)稀疏性，在數(shù)據(jù)稀疏區(qū)域動態(tài)添加插值節(jié)點，提高覆蓋率，構建溫鹽場的空間網(wǎng)格劃分單元，計算每個單元中的有效觀測點數(shù)量：

58、

59、式中，k是數(shù)據(jù)點密度，np是單元內(nèi)的有效觀測點數(shù)量，vcell是網(wǎng)格單元的體積；

60、對稀疏網(wǎng)格中梯度變化大的區(qū)域優(yōu)先添加節(jié)點，利用周圍已觀測數(shù)據(jù)點的插值法計算溫鹽值：

61、

62、式中，t(x,y,z)和s(x,y,z)分別是利用周圍已觀測數(shù)據(jù)點的插值法計算的溫度和鹽度，tii和sii分別是已觀測數(shù)據(jù)點ii的溫度和鹽度，dii是已觀測點數(shù)據(jù)點ii與插值節(jié)點的距離，p是權重指數(shù)，p＝2，n'是已觀測數(shù)據(jù)點的總數(shù)。

63、s5包括利用ssh，對聲速場反演結果進行區(qū)域性調(diào)整：

64、c'＝c1+k'ssh；

65、式中，c'是校正后的聲速場值，c1是初始聲速場值，k'是經(jīng)驗系數(shù)，通過歷史觀測數(shù)據(jù)擬合獲得；

66、在高ssh變化區(qū)域洋流鋒區(qū)，計算局部細化校正δcg：

67、

68、式中，kk是增強系數(shù)，通過歷史數(shù)據(jù)調(diào)整，是中間參數(shù)；

69、可在高動態(tài)區(qū)域，對聲速場進行局部增強校正cenhanced(x,y,z)：

70、cenhanced(x,y,z)＝ccorrected(x,y,z)+δcg；

71、式中，ccorrected(x,y,z)是校正后的溫鹽場計算得到的修正后的聲速場。

72、s6包括利用遙感衛(wèi)星實時更新sst、sss和ssh，并結合argo浮標的動態(tài)觀測結果及潛器ctd數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)源進行疊加；

73、利用實時數(shù)據(jù)對聲速場進行動態(tài)重構，確保聲速場隨時間變化的精度；

74、在高變化區(qū)域優(yōu)先更新數(shù)據(jù)，低變化區(qū)域使用歷史數(shù)據(jù)進行插值補全。

75、相對比現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下有益效果：將潛水器的高精度剖面數(shù)據(jù)納入反演體系，為深海區(qū)域的聲速場構建提供了新的高分辨率數(shù)據(jù)源；采用基于梯度分析和數(shù)據(jù)稀疏性的自適應網(wǎng)格加密與優(yōu)化技術，對高梯度區(qū)域、稀疏區(qū)域及潛水器路徑周圍的局部區(qū)域進行動態(tài)網(wǎng)格加密與優(yōu)化，提升聲速場的空間分辨率與計算效率，適用于深海聲學探測、水下通信與導航、海洋資源勘探等領域，具備廣泛的應用前景和顯著的技術優(yōu)勢。