说明书基于AUV的CTD数据处理方法
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种基于AUV（Autonomous underwater vehicle，无人无缆潜水器）获得的CTD数据处理（CTD数据处理包 括海水的温度、盐度、深度和声速的数据处理）的方法。
背景技术
海水的温度和盐度是海洋水体最基本的物理要素，其量值对海洋中的其它 物理要素和声速的性质、海水的化学和生物特性以及水体运动均有重要的影响。 海洋中声速的计算来源于盐度、深度和温度数据。在海洋探测中，无人无缆潜 器（AUV）在探测海洋调查数据具有明显的优势,它使用方便，探测效率高。AUV 每个航次会产生大量的海洋调查数据（本发明关注CTD数据），因为数据具有 时效性，大量的调查数据如不能迅速地应用到科学研究的实践中，数据本身重 要的科学价值也就得不到体现。过去，CTD主要搭载在测量船上，它获得的CTD 数据量小；现在，CTD越来越多地被搭载在AUV上，它获得的数据更多、更准 确。但是，传统的数据处理方法无法快速处理如此大量的数据，所以提出一种 基于AUV的CTD数据高效处理方法就显得尤其重要。
发明内容
为了克服现有方法数据处理效率低的不足，本发明要解决的技术问题是提 供一种AUV的CTD数据处理的方法，高效地处理CTD数据。CTD设备的测量 值是电导率、深度和温度，目标的处理后的结果值是盐度和声速。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于AUV的CTD数据 处理的方法，包括以下步骤：
使用搭载了CTD仪器的AUV测量其所在位置的CTD数据；
根据测量到的CTD数据计算出海水盐度值；
根据测量到的CTD数据和计算到的海水盐度值计算出海水声速值；
分别对水平面和垂直面的盐度值和声速值进行数据融合。
所述使用搭载了CTD仪器的AUV测量其所在位置的CTD数据，包括以下步 骤：
AUV从水面下潜到作业深度，测量垂直面的CTD数据；
在定深航行，测量水平面的CTD数据；
AUV上浮到水面，测量垂直面的CTD数据；
根据需要循环上述步骤。
所述测量水平面的CTD数据在1海里以内不少于100个；当测量范围大于 1海里时，每海里使用1个CTD数据结果来表征该单位区域内的CTD数据特征。
所述根据测量到的CTD数据计算出海水盐度值，具体为：
S = 0.008 - 0.1692 R t 1 / 2 + 25.3851 R t + 14.0941 R t 3 / 2 - 7.0261 R t 2 + 2.7081 R t 5 / 2 + ( t - 15 ) 1 + K ( t - 15 ) ( 0.0005 - 0.0056 R t 1 / 2 - 0.0066 R t - 0.0375 R t 3 / 2 + 0.0636 R t 2 - 0.0144 R t 5 / 2 ) - - - ( 1 ) ]]>
R t = R R p r t - - - ( 2 ) ]]>
R = C ( S , t , p ) C ( 35,15,0 ) - - - ( 3 ) ]]>
R p = C ( S , t , p ) C ( S , t , 0 ) = 1 + A 1 p + A 2 p 2 + A 3 p 3 1 + B 1 t + B 2 t 2 + ( B 3 + B 4 t ) R - - - ( 4 ) ]]>
式中， A 1 = 2.070 × 10 - 5 , B 1 = 3.426 × 10 - 2 A 2 = - 6.370 × 10 - 10 , B 2 = 4.464 × 10 - 4 A 3 = 3.989 × 10 - 15 , B 3 = 4.215 × 10 - 1 B 4 = - 3.107 × 10 - 5 ]]>
r t = C ( 35 , t , 0 ) C ( 35,15,0 ) = C 0 + C 1 t + C 2 t 2 + C 3 t 3 + C 4 t 4 - - - ( 5 ) ]]>
式中， C 0 = 6.766097 × 10 - 1 , C 1 = 2.00564 × 10 - 2 C 2 = 1.104259 × 10 - 4 , C 3 = - 6.9698 × 10 - 7 C 4 = 1.0031 × 10 - 9 ]]>
公式中C(S,t,p)表示盐度为S，温度为t℃和p个大气压时的电导率值，即由电导 率测盐度法时的所测电导率值。
所述根据测量到的CTD数据和计算到的海水盐度值计算出海水声速值为：
c=1449.22+cT+cs+cp+cSTP （6）
式中， c T = 4.2633 T - 5.4585 × 10 - 2 × T 2 + 2.822 × 10 - 4 × T 3 + 5.07 × 10 - 7 × T 4 c p = 1.60518 × 10 - 1 P + 1.0279 × 10 - 5 P 2 + 3.451 × 10 - 9 P 3 - 3.503 × 10 - 12 P 4 c s = 1.391 ( S - 35 ) - 7.8 × 10 - 2 ( S - 35 ) 2 c STP = ( S - 35 ) [ - 1.197 × 10 - 3 T + 2.61 × 10 - 4 P - 1.96 × 10 - 1 P 2 - 2.09 × 10 - 6 PT ] + P [ - 2.796 × 10 - 4 T + 1.3302 × 10 - 5 T 2 - 6.644 × 10 - 8 T 3 ] + P 2 [ - 2.39 × 10 - 1 T + 9.286 × 10 - 10 T 2 ] - 1.745 × 10 - 10 P 3 T , ]]>
其中，S为海水盐度值，T为温度，P为大气压强。
所述对水平面盐度值/声速值进行数据融合，包括以下步骤：
A.将在1海里以内的盐度值/声速值按照从小到大排序，构成集合 S={s0,s1,...,sn}其中s0<s1<...<sn；
B.从集合S中选择s0,sn/2,sn分别作为3个簇C0,C1,C2的中心，即 p0=s0,p1=sn/2,p2=sn；
C.将集合S中的元素sj，0<=j<=n，划分到距离簇中心最近的向量；
D.使用每个簇的元素均值作为新的聚类中心，即
p i = 1 | C i | Σ s j ∈ C i s j , ( 0 < = i < = 2 , 0 < = j < = n ) ]]>
E.重复步骤C-D直到聚类中心p0,p1,p2不再发生变化，即簇C0,C1,C2中元素 不再发生变化；
F.该区域内盐度值/声速值的处理结果为p1。
所述对垂直面盐度值/声速值进行数据融合，具体为：
p ( X ) = ( X j - X ) 3 / 6 h j * p ' ' j - 1 + ( X - X j - 1 ) 3 / 6 h j * p ' ' j + ( p j - 1 - p ' ' j - 1 * h j 2 / 6 ) * ( X j - X ) / h j - - - ( 7 ) ]]>
式中，hj=Xj-Xj-1,1≤j≤n；p''j为待定系数，通过解方程组：
h j / ( h j + h j + 1 ) * p ' ' j - 1 + 2 * p ' ' j + h j + 1 / ( h j + h j + 1 ) * p ' ' j + 1 = + 6 h j + h j + 1 * ( p j + 1 - p ' ' j - 1 h j + 1 - p j - p j - 1 h j ) , p ' ' 0 = 0 , p n ' ' = 0 - - - ( 8 ) ]]>
得到；深度数据为Xj，1<=j<=n，pj(X),1≤j≤n表示当深度为Xj的盐度值，p(X)表 示盐度关于深度的拟合函数。
本发明具有以下优点及有益效果：
1.方法简单和应用广泛。本发明仅需要AUV和一台工作站，无需其它辅助装 置，程序能够自动处理AUV测量的CTD数据。
2.经济高效，因为海洋试验数据具有时效性，大量的调查数据如不能迅速 地应用到科学研究的实践中，数据本身重要的科学价值也就得不到体现。所以 高效地处理试验数据，就能更好地提高海洋探测的经济效益。
附图说明
图1是本发明的组成示意图；
图2是本发明的CTD数据处理算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明由AUV、AUV上搭载的CTD仪器和工作站计算机组成，如图1所 示。
CTD数据处理算法如图2所示，AUV测量CTD数据，上传到母船的工作 站计算机后开始CTD数据处理。首先，对原始数据进行预处理，计算海水的盐 度和声速，然后分别在水平面和垂直面对声速和盐度进行数据融合。
深水机器人安装CTD仪器和深度计，其中CTD用于测量CTD数据。在母 船上安装一台工作站计算机，用于处理试验后的CTD数据。
第1步：使用AUV测量CTD数据。
AUV测量CTD数据分成3个阶段：第1阶段AUV从水面下潜到作业深度， 这个阶段AUV测量的CTD数据是垂直面的CTD数据；第2阶段是在指定工作 深度定深或定高航行，这个阶段AUV测量的CTD数据是水平面的CTD数据， 其中水平面的测量间隔不小于10米。；第3阶段AUV从作业深度上浮到水面， 这个阶段AUV测量的CTD数据是垂直面的CTD数据。所以CTD的测量数据 分为两种类型：垂直面的CTD数据处理和水平面的CTD数据处理。AUV执行 完探测任务后，回收到母船，使用工作站计算机处理试验获得的CTD数据。
第2步：对原始CTD数据进行预处理，计算出海水盐度值。
本步骤是将CTD设备的原始测量值电导率、深度和温度，处理成目标值盐 度。海水盐度值是被测海水电导率、温度和压力的函数。公式（1）-（5）所示。 公式中C(S,t,p)表示盐度为S，温度为t℃和p个大气压时的电导率值，即由电导 率测盐度法时的所测电导率值；C(35,15,0)表示盐度标度为35‰，温度为15和1 个标准大气压的电导率值，其值为42.896ms/cm。式中：
S = 0.008 - 0.1692 R t 1 / 2 + 25.3851 R t + 14.0941 R t 3 / 2 - 7.0261 R t 2 + 2.7081 R t 5 / 2 + ( t - 15 ) 1 + K ( t - 15 ) ( 0.0005 - 0.0056 R t 1 / 2 - 0.0066 R t - 0.0375 R t 3 / 2 + 0.0636 R t 2 - 0.0144 R t 5 / 2 ) - - - ( 1 ) ]]>
R t = R R p r t - - - ( 2 ) ]]>
R = C ( S , t , p ) C ( 35,15,0 ) - - - ( 3 ) ]]>
R p = C ( S , t , p ) C ( S , t , 0 ) = 1 + A 1 p + A 2 p 2 + A 3 p 3 1 + B 1 t + B 2 t 2 + ( B 3 + B 4 t ) R - - - ( 4 ) ]]>
式中， A 1 = 2.070 × 10 - 5 , B 1 = 3.426 × 10 - 2 A 2 = - 6.370 × 10 - 10 , B 2 = 4.464 × 10 - 4 A 3 = 3.989 × 10 - 15 , B 3 = 4.215 × 10 - 1 B 4 = - 3.107 × 10 - 5 ]]>
r t = C ( 35 , t , 0 ) C ( 35,15,0 ) = C 0 + C 1 t + C 2 t 2 + C 3 t 3 + C 4 t 4 - - - ( 5 ) ]]>
式中， C 0 = 6.766097 × 10 - 1 , C 1 = 2.00564 × 10 - 2 C 2 = 1.104259 × 10 - 4 , C 3 = - 6.9698 × 10 - 7 C 4 = 1.0031 × 10 - 9 ]]>
第3步：对原始CTD数据进行预处理，计算出海水声速值。
海水中的声速随温度、盐度和压力而变，计算公式如下：
c=1449.22+cT+cs+cp+cSTP （6）
式中， c T = 4.2633 T - 5.4585 × 10 - 2 × T 2 + 2.822 × 10 - 4 × T 3 + 5.07 × 10 - 7 × T 4 c p = 1.60518 × 10 - 1 P + 1.0279 × 10 - 5 P 2 + 3.451 × 10 - 9 P 3 - 3.503 × 10 - 12 P 4 c s = 1.391 ( S - 35 ) - 7.8 × 10 - 2 ( S - 35 ) 2 c STP = ( S - 35 ) [ - 1.197 × 10 - 3 T + 2.61 × 10 - 4 P - 1.96 × 10 - 1 P 2 - 2.09 × 10 - 6 PT ] + P [ - 2.796 × 10 - 4 T + 1.3302 × 10 - 5 T 2 - 6.644 × 10 - 8 T 3 ] + P 2 [ - 2.39 × 10 - 1 T + 9.286 × 10 - 10 T 2 ] - 1.745 × 10 - 10 P 3 T ]]>
第4步：水平面盐度值的数据融合。
在1海里以内的区域内的海洋测量数据是等效的，所以可以将1海里的盐 度数据进行融合。将探测区域的数据进行划分，将1海里以内的数据放在一起 处理，进行数据融合。当测量范围大于1海里时，每海里使用1个盐度值结果 来表征该单位区域内盐度值。将在1海里以内的盐度数据按照从小到大排序， 构成集合S={s0,s1,...,sn}其中s0<s1<...<sn。算法内容如下：
（1）从集合S中选择s0,sn/2,sn分别作为3个簇C0,C1,C2的中心，即 p0=s0,p1=sn/2,p2=sn
（2）将集合S中的元素sj(0<=j<=n)划分到距离簇中心最近的向量，即
if(i==min|sj-pi|)thensj∈Ci,(0<=i<=2,0<=j<=n)
（3）使用每个簇的元素均值作为新的聚类中心，即
p i = 1 | C i | Σ s j ∈ C i s j , ( 0 < = i < = 2 , 0 < = j < = n ) ]]>
（4）重复步骤2-3直到聚类中心p0,p1,p2不再发生变化，即簇C0,C1,C2中元素不 再发生变化。
（5）该区域内盐度的处理结果为p1。
第5步：水平面声速的数据融合。
在因为1海里以内的区域内的海洋测量数据是等效的，所以可以将1海里 的声速数据进行融合。声速数据融合的方法与第3步中盐度值数据融合的方法 相同。当测量范围大于1海里时，每海里使用1个声速值结果来表征该单位区 域内声速值。
第6步：垂直面盐度的数据融合。
在海洋测量中，需要绘制海水垂直剖面的盐度变化曲线，所以需要对垂直 面的盐度值进行数据融合。定义深度数据为Xj(1<=j<=n)，pj(X)表示当深度为 Xj的盐度值。p(X)表示盐度关于深度的拟合函数，计算方法如公式（7）所示。
p ( X ) = ( X j - X ) 3 / 6 h j * p ' ' j - 1 + ( X - X j - 1 ) 3 / 6 h j * p ' ' j + ( p j - 1 - p ' ' j - 1 * h j 2 / 6 ) * ( X j - X ) / h j - - - ( 7 ) ]]>
式中，hj=Xj-Xj-1；
公式（8）中待定系数p''j，下面给出求解待定系数的解方程组，如公式（8） 所示。
h j / ( h j + h j + 1 ) * p ' ' j - 1 + 2 * p ' ' j + h j + 1 / ( h j + h j + 1 ) * p ' ' j + 1 = + 6 h j + h j + 1 * ( p j + 1 - p ' ' j - 1 h j + 1 - p j - p j - 1 h j ) , p ' ' 0 = 0 , p n ' ' = 0 - - - ( 8 ) ]]>
第7步：垂直面声速的数据融合。
在海洋测量中，需要绘制海水垂直剖面的声速变化曲线，所以需要对垂直 面的声速进行数据融合，数据融合的方法与垂直面盐度数据融合的方法相同。