一种温盐深剖面仪海上比测数据对齐方法与流程

本发明涉及温盐深剖面仪，特别是涉及用于多台ctd同步(或准同步)比测的一种温盐深剖面仪海上比测数据对齐方法。

背景技术：

如何对齐一起比测的不同温盐深剖面仪(conductivity-temperature-depthprofiler，ctd)之间的数据，是处理比测数据首先要解决的问题。海洋观测的ctd数据一般以深度(压力)或者时间为轴，但在比测时，不能以深度为轴，因为ctd压力传感器本身有误差，从压力转换而来的深度也是一个近似值，误差的大小与仪器的精度及转换的方法有关，也不能以时间为轴，因为无法精确同步各台仪器之间的时间，也不能保证各台ctd的时钟都准确，即使完成了同步，ctd和连接的计算机时间精度只能到秒，对于高频采样的ctd依然存在误差。

为了对齐数据，前人做了大量工作，最早的抛弃式温深仪采用等温线法^[1-2]对齐，但这种方法受系统误差的影响太大，很快被温度梯度法^[3-5]取代，温度梯度法消除了系统误差的影响，但是分段的温度梯度曲线依然采用人工对齐。为了解决人工对齐的影响，在温度梯度法上增加了互相关法^[6]，即在温度梯度曲线对齐时让机器来寻找相关系数，避免人为干扰。但该方法是基于温度梯度数据，梯度有很多假波动和尖峰，相关系数的真实性无法保证。因此，通过温度梯度来对齐温度数据的方法还在不断的完善。也有直接计算两者温度误差的最小标准差法^[7-8]，但该算法复杂，需用差分来求解，且差分只能求得最优的数值解。另外，针对ctd数据的特点，有的采用拐点对齐方法^[9]，求出两者线性回归方程，但线性回归方程本身就是一种近似，会带来新的误差。有的直接采用时间轴进行ctd差异分析^[10]，但是没有说明是否有进行特别的对齐处理。

参考文献：

[1]grflierl,arrorinson.xbtmeasurementsofthermalgradientsinthemodeeddy[j].journalofphysicaloceanography,1997,7:300-302.

[2]rhheinmiller,ccebbesmeyer,bataftetal.systematicerrorsinexpendablebathythermograph(xbt)profiles[j].deep-searesearch,1983,30(11):1185-1197.

[3]khanawa,hyoritaka.detectionofsystematicerrorsinxbtdataandtheircorrection[j].journaloftheoceanographicalsocietyofjapan,1987,43:68-76.

[4]khanawa,tyasuda.newdetectionmethodforxbtdeptherrorandrelationshipbetweenthedeptherrorandcoefficientsinthedepth-timeequation[j].journalofoceanography,1992,48:221-230.

[5]khanawa,prual,rbailey,etal.anewdepth-timeequationforsippicanortskt-7,t-6andt-4expendablebathythermographs(xbt)[j].deep-searesearchi.1995,42:1423-1451.

[6]rcowley,swijffels,ljcheng,etal.biasesinexpendablebathythermographdata:anewviewbasedonhistoricalside-by-sidecomparisons[j].journalofatmosphericandoceanictechnology.2013,30,1195-1225,doi:10.1175/jtech-d-12-00127.1.

[7]lcheng,jzhu,rfranco,etal.anewmethodtoestimatethesystematicalbiasesofexpendablebathythermograph[j].journalofatmosphericandoceanictechnology.2011,28:244-265,doi:10.1175/2010jtecho759.1.

[8]vgouretski,rfranco.ondepthandtemperaturebiasesinbathythermographdata：developmentofanewcorrectionschemebasedonanalysisofaglobaloceandatabase[j].deep-searesearchi.2010,57:812-833,doi:10.1016/j.dsr.2010.03.011.

[9]程绍华,刘晓峰,岳奇.ctd海上现场比测中的技巧应用[j].海洋技术,2014,38(5):638-642.

[10]任强,于非,魏传杰等.温盐深测量仪(ctd)资料质量对比分析[j].海洋科学集刊,2016,51:288-295.

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述ctd数据对齐方法不足等问题，提供能够减少运算步骤、快速有效地对齐同步比测的多台温盐深剖面仪之间数据序列的一种温盐深剖面仪海上比测数据对齐方法。

本发明包括以下步骤：

1)由于ctd的压力数据变化趋势明显，而其余参数的测量与压力同步，因此以ctd压力数据为计算基准，选取标准ctd下行过程中表层下降或者底层上升的转折点附近的一段压力序列，该序列以转折点为中心，向前后各延伸一定长度，以满足求得稳定相关系数的要求；

2)固定标准ctd的数据序列，在被试ctd的压力序列中截取与标准ctd数据量相等的一段数据序列，计算两者的相关系数，每计算一次相关系数，被试ctd数据向后移动或向前一个序号，直至计算完毕，计算过程使用matlab的corrcoef函数，并记录每一步的相关系数和数据序号；

3)若在ctd测量时，下降过程中有设置拐点的，该拐点也可以按步骤1)和2)进行计算；

4)找出两组数据相关性最高时对应的起始序号，一般来说这两个序号的差即为整个压力数据序列的相位差，扣除这个相位差即可对齐两台ctd的采样数据；

5)正常情况下，每个拐点或转折点的相位差相等，若相位差不等，则会出现递增或者递减的情况，表明这两个数据序列的采样频率不同，需对数据重新插值处理后再与标准器进行比对；

6)压力数据对齐后，ctd的其他测量参数则以压力的相位差为基准进行平移，然后再计算各项误差。

现有的ctd数据对齐方法都还有一定的不足之处，需要寻找一种新方法，减少运算步骤，避免运算过程中带来新误差，让原始数据就能直接对齐，从而进行各种误差分析。在充分了解ctd的测量方式及多次海上比测试验后，申请人发现ctd从表层开始下降和底层开始上升时必然会产生两个转折点，而海洋观测一般就是取这两个转折点之间的数据，可以利用这两个转折点来对齐不同ctd之间的数据。截取转折点附近的一段数据序列，固定一台ctd数据，适当移动另一台ctd数据的相位，使两者的相关性达最大，此时ctd数据即被对齐，该方法可称为移相相关法。计算结果表明，该方法能在原始数据的基础上准确对齐数据。

本发明在处理同步比测的温盐深剖面仪数据时，利用数据的转折点或者人为设置的拐点，以其中一台高精度的温盐深剖面仪为标准，将其他温盐深剖面仪数据的采样序列向左或向右移位，从而改变初相，使得两台温盐深剖面仪数据的相关性最高，从而达到对齐的目的，称之为移相相关法。本发明可避开传感器系统误差带来的影响，能够根据数据曲线的变化趋势，快速有效地对齐不同温盐深剖面仪之间的数据序列，从而求得各台仪器之间测量数据的差异，该方法也可以应用于准同步测量数据序列的对齐。本发明能够在原始数据的基础上，运用matlab的corrcoef函数直接进行对齐计算，省去了中间步骤，过程简洁、明了，没有引入新的误差。本发明能有效处理温盐深剖面仪(ctd)比测过程中的对齐问题，对其他同步或者准同步测量的数据的对齐也具有非常实用的价值。

附图说明

图1为移相相关过程示意图。

图2为采用时间对齐的两台ctd压力数据曲线图。

图3为采用本法(移相相关)对齐后两台ctd的压力数据曲线图。

图4为ctd比测站位图。

图5为五台ctd同步捆绑示意图。

图6为甲单位两台ctd与标准ctd在x1站第一次测量获取的原始数据曲线图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明实施例包括以下步骤：

1)由于ctd的压力数据变化趋势明显，而其余参数的测量与压力同步，因此以ctd压力数据为计算基准。选取标准ctd下行过程中表层下降或者底层上升的转折点附近的一段压力序列，该序列以转折点为中心，向前后各延伸一定长度，满足求得稳定相关系数的要求。

2)固定标准ctd的数据序列，在被试ctd的压力序列中截取与标准ctd数据量相等的一段数据序列，计算两者的相关系数，每计算一次相关系数，被试ctd数据向后移动(或向前)一个序号，直到计算完毕，计算过程使用matlab的corrcoef函数，并记录每一步的相关系数和数据序号。图1给出了移相相关对齐过程示意图，在图1中，固定标准ctd曲线，把甲单位ctd曲线从图1中的a图逐步移动到h图(图1中的a～h图为部分对齐过程图示)，每移动一次，就能计算出一个相关系数，直到计算出最大相关系数即图1h的位置时，对齐过程计算完毕。从图1h可以看出，两条曲线的起伏波动点几乎完全对齐。

3)若在ctd测量时，下降过程中有设置拐点的，该拐点也可以按以上步骤进行计算。

4)找出两组数据相关性最高时对应的起始序号，一般来说这两个序号的差即为整个压力数据序列的相位差，扣除这个相位差即可对齐两台ctd的采样数据，移相相关计算结果见图2和图3。

5)正常情况下，每个拐点或者转折点的相位差应该相等，如果相位差不等，会出现递增或者递减的情况，表明这两个数据序列的采样频率不同，需要对数据重新插值处理后再与标准器进行比对。

6)压力数据对齐后，ctd的其他测量参数则以压力的相位差为基准进行平移，然后再计算各项误差。

以下给出具体实施例，进一步详细阐释本发明的技术方案。

本数据来源于试验，从某年8月3日开始持续到当年8月10日，比测地点在南海东北部海域，站位如图4所示。

参与比测试验的国产ctd由甲单位提供，其4台ctd的编号分别为1#、2#、3#、4#。比测使用的标准ctd为美国海鸟公司的sbe19plusctd，该ctd试验前经国家海洋计量站青岛分站检定合格，各ctd的具体指标情况见表1。

表1试验所用ctd主要技术参数

安装ctd时，国产ctd和标准ctd采用同架捆绑的方式固定在不锈钢金属框架内。标准ctd安置在中间，国产ctd按对角线方位固定，底端对齐，尽可能让所有ctd的传感器保持在同一水平面上，图5给出五台ctd同步捆绑参考图。框架顶端与船上钢缆连接，通过钢缆把整个框架吊入水中进行测量。

进行ctd下放测量时，海况应该在3级以下，ctd入水后停留5min左右，此时间段为感温时间，若海况较高，则可以适当加大仪器浸没深度，确保该时间内仪器均在海面以下，不会再次浮出水面。感温结束后大约以0.7m/s(延平2号绞车非空档最大速度)的速度下放。下放过程中绞车可以匀角速释放，也可以在某些深度稍作停留，每暂停一次，在剖面数据上将会出现拐点。钢缆计数器达到预定深度时，根据现场钢缆的倾斜角度和海底深度的情况，继续下放适当深度，让仪器实际到达的深度与预计深度大致相同。到达预定深度之后，回收钢缆，仪器出水，导出数据，检查数据状态，若无异常，准备下一次试验。甲单位x1站2#和4#ctd第一次测量的数据如图6所示，图6中a图为温度，b为压力，c为电导率，d为盐度，其余站位数据图类似，不一一列出。

比测试验获取的数据按以下方法进行处理：

1)真值：由于无法获取海洋数据的真值，因此以检定好的进口sbe19plusctd作为标准器，简称标准ctd，该ctd精度高，约定该测量值为真值。在数据对齐时，以该ctd为基准。

2)质控：所有参与比测的ctd剖面数据由各自带的软件处理输出后采用滑动3倍标准差进行质控，见公式(1)。

式中，xi为观测值，为平均值，n为样本个数，σ为标准差。当时，xi为异常值，直接舍去不用，处理完后保留整个连续的测量数据，下降和上升剖面暂时不进行分割。

3)平均：若相互比较的两台ctd频率不同，则把高频平均成低频，使两者频率一致。

4)对齐：采用移相相关法，把甲单位ctd的压力数据与标准ctd进行对齐，以此相位差为标准对齐其余测量数据。

5)计算：对齐后，分别计算平均误差、平均绝对误差、均方根误差、平均相对误差、平均绝对误差的标准差、相关系数，公式如下：

平均误差：

平均绝对误差：

相对误差：

均方根误差：

平均绝对误差的标准差：

相关系数：

其中，xi、yi为两种观测方式在同一深度或同一时刻的测量值，xi为被试ctd测量结果，yi为标准ctd测量结果，为其平均值，n为有效样本个数，δxi＝xi-yi。

以甲单位4#ctd为例，各项误差计算结果见表2。

表2移相相关前后处理数据结果对比

从表2可以看出，经过移相相关对齐后，压力、温度和电导率的各项误差都减小，相关系数略微增大，但盐度的误差却变大，相关系数减小。仔细核对原始数据，从图6中盐度曲线可以看出，虽然两者盐度曲线走势基本相同，但盐度的尖峰恰好相反，把相反的尖峰对齐后各项误差必然增大，但这是比测数据的真实反映，尖峰的反向需要从仪器本身进行修正。

以上结果表明，以ctd压力数据为基础的移相相关法能很好地把同步测量的数据进行对齐分析，与常用的时间对齐或者压力对齐相比，能更有效、真实地得出参与比测试验仪器的各项误差。