基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方法技术

本发明专利技术属于三维温盐深数据的海洋声学应用技术领域，尤其涉及基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方法，具体如下：以高分辨率海洋再分析产品提供数据，采用声速公式转换获得海水声速剖面数据；针对海洋声学应用技术领域的特点，将某一时空维度下的高分辨率、长时间序列声速剖面数据延拓至海底沉积层；以主模态的特征向量作为声速剖面经验正交函数分解的基函数，压缩表示某一时空维度下的高分辨率、长时间序列声速剖面信息。本发明专利技术实现了从高分辨率海洋再分析产品出发，获取声速剖面数据压缩的技术方案；实现了某一时空维度下声速剖面数据的有效压缩，获得高分辨率、长时间序列声速剖面数据压缩率90％以上的有益效果。效果。效果。

【技术实现步骤摘要】
基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方法


[0001]本专利技术属于三维温盐深数据的海洋声学应用
，尤其涉及基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方法。

技术介绍

[0002]海洋利益事关国家的安全与发展利益。在海洋声学应用
，声速剖面是开展水声场建模与分析、声学性能计算评估、水声目标信息感知的重要数据基础。高分辨率的声速剖面数据有助于获取精细化的海洋声学信息，进而提升海洋环境数据的保障能力与水平。由于地球海洋的空间尺度较大，高分辨率海洋环境要素(如声速剖面)的水平空间分辨率一般不低于1
°×1°
。基于高分辨率海洋再分析产品所获得的高分辨率声速剖面数据量十分庞大，单个数据采样时刻下的数据文件大小为GB量级，普通的个人计算机终端难以满足长时间序列数据存储需求，进而限制了高分辨率声速剖面数据在海洋声学领域的分析与应用。
[0003]学术论文《改进型经验正交函数海洋声速剖面预报方法》聚焦解决传统方法求解协方差矩阵和时间函数较粗糙的问题，采用改进型的经验正交函数开展了海水声速剖面的预报分析，其数据分析对象仅限于22
°
～22
°
30
′
N、123
°
～123
°
30
′
E的海区范围，且声速剖面的深度范围为0～2500米。学术论文《印度洋中北部声速剖面结构的时空变化及其物理机理研究》采用水平空间分辨率为3
°×3°
、时间分辨率为10天的地转海洋学实时观测阵数据，基于经验正交函数分解方法分析了印度洋中北部的声速剖面特征量时空演变规律，其数据分析对象仅限于印度洋中北部海区的六个区域0～2000米水深范围。学术论文《一种声速剖面展开的正交基函数获取方法》提出了一种基于水动力方程提取声速剖面正交基函数的方法，重点解决经验正交函数在声速剖面的声学反演应用中的可靠性和适用性问题，其数据分析对象仅限于两个空间位置处30余小时内的声速剖面观测值。CN110837791A公开了一种基于过完备字典的声速剖面反演方法，利用过完备字典的冗余特性捕捉声速剖面的内在本质特征，进而提高海水声速剖面反演的精度。CN109725053A公开了一种基于高分辨率海洋再分析产品获取水声场特性数据的方法，其数据分析对象与本专利技术相同，但未提及采用经验正交函数分解开展声速剖面的数据压缩。CN110222872A公开了一种基于经验正交函数分解的海洋多要素中长期统计预测方法，主要解决在海洋预报模式的基础上提高海洋预报的时效性问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术创造的目的在于，提供一种基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方法。该方法实现了从高分辨率海洋再分析产品中获得高分辨率、长时间序列的声速剖面数据，在兼顾数据精度与使用效益的原则下，采用基函数表征广域海区的声速剖面信息，显著压缩高分辨率、长时间序列声速剖面的数据量大小，为高分辨率海洋再分析产品在海洋声学领域的应用提供技术基础。
[0005]为实现上述目的，本专利技术创造采用如下技术方案。
[0006]一种基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1，以高分辨率海洋再分析产品提供海域的经度、纬度以及海水的温度、盐度、水深数据，采用声速公式转换获得海域的海水声速剖面数据；
[0008]步骤2，参照典型声速剖面的垂向分层结构，将某一时空维度下的高分辨率、长时间序列声速剖面数据延拓至海底沉积层；具体的，某一时空维度，是指在高分辨率海洋再分析产品提供的声速剖面数据中，需要进行数据压缩的部分；
[0009]步骤3，在统一的深度分层框架下，按照空间经度纬度网格、数据采样时刻组织声速剖面数据，求解声速剖面数据矩阵的协方差矩阵及其特征值、特征向量；
[0010]步骤4，以主模态的特征向量作为声速剖面经验正交函数分解的基函数，压缩表示某一时空维度下的高分辨率、长时间序列声速剖面信息。
[0011]对前述基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方法的进一步改进，所述步骤1的具体步骤如下：
[0012]步骤1.1，参照高分辨率海洋再分析产品的网格单元结构，设计高分辨率、长时间序列声速剖面的数据结构；其中，高分辨率海洋再分析产品对海域范围内的经度、纬度采用等间距网格划分，在深度维度上采用非等间距网格划分；高分辨率海洋再分析产品提供的海水温度、盐度数据为海洋水体的物理量，在陆地和海底沉积层处的海水温度、盐度数据为缺省值状态；
[0013]步骤1.2，以高分辨率海洋再分析产品的经度、纬度、深度网格为基础，采用声速公式获得海域的海水声速剖面数据，所述的声速公式表达式如下：
[0014]C(S,T,p)＝C
ω
(T,p)+A(T,p)S+B(T,p)S
3/2
+D(T,p)S2[0015]式中：C为海水声速值，S、T、P分别为海水盐度、水温、静压力，C
ω
、A、B、D为与海水温度和静压力相关的经验函数，0≤S≤40、0
°
≤T≤40
°
、0Pa≤p≤108Pa，声速计算值的标准差为0.19m/s；
[0016]步骤1.3，基于海域高分辨率、长时间序列的声速剖面数据单元存储为浮点数类型；采用声速公式获得的声速剖面数据在范围内的水平空间分辨率为0.1
°×
0.1
°
，垂向空间分辨率为50层，时间分辨率为每3小时输出一次；所述的垂向空间分辨率为50层的声速剖面数据的深度最大值不小于5000米；声速剖面数据的时段与产出的高分辨率海洋再分析产品相同；在陆地和海底沉积层处的声速剖面数据为缺省值状态。
[0017]对前述基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方法的进一步改进，所述步骤2的具体步骤如下：
[0018]步骤2.1，以典型海水声速剖面的分层结构，作为声速剖面数据延拓的先验信息；所述典型声速剖面分为表面层、跃变层、等温层三层结构；
[0019]步骤2.2，在特定经度、纬度的位置处，修改网格深度为海底沉积层的声速值；参照典型声速剖面的垂向分层结构，将声速剖面数据延拓至海底沉积层；特定经度、纬度位置处延拓后的声速剖面数据共K层；
[0020]步骤2.3，在特定的时空维度下，循环遍历经度纬度的网格空间位置，获取延拓后的高分辨率、长时间序列声速剖面数据，形成统一的深度分层海水声速剖面数据；某一时空维度下的经度纬度网格空间位置共I个，数据采样时刻共计J个。
[0021]对前述基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方法的进一步改进，所述步骤3的具体步骤如下：
[0022]步骤3.1，以统一的深度分层海水声速剖面为对象，构建某一时空维度下的声速剖面数据矩阵；所述的声速剖面数据矩阵的行数为声速剖面数据层数K，列数为经度纬度网格空间位置数I
×
数据采样时刻数J；某一时空维度下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，以高分辨率海洋再分析产品提供海域的经度、纬度以及海水的温度、盐度、水深数据，采用声速公式转换获得海域的海水声速剖面数据；步骤2，参照典型声速剖面的垂向分层结构，将某一时空维度下的高分辨率、长时间序列声速剖面数据延拓至海底沉积层；步骤3，在统一的深度分层框架下，按照空间经度纬度网格、数据采样时刻组织声速剖面数据，求解声速剖面数据矩阵的协方差矩阵及其特征值、特征向量；步骤4，以主模态的特征向量作为声速剖面经验正交函数分解的基函数，压缩表示某一时空维度下的高分辨率、长时间序列声速剖面信息。2.根据权利要求1所述一种基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方法，其特征在于，所述步骤1的具体步骤如下：步骤1.1，参照高分辨率海洋再分析产品的网格单元结构，设计高分辨率、长时间序列声速剖面的数据结构；其中，高分辨率海洋再分析产品对海域范围内的经度、纬度采用等间距网格划分，在深度维度上采用非等间距网格划分；高分辨率海洋再分析产品提供的海水温度、盐度数据为海洋水体的物理量，在陆地和海底沉积层处的海水温度、盐度数据为缺省值状态；步骤1.2，以高分辨率海洋再分析产品的经度、纬度、深度网格为基础，采用声速公式获得海域的海水声速剖面数据，所述的声速公式表达式如下：C(S,T,p)＝C
ω
(T,p)+A(T,p)S+B(T,p)S
3/2
+D(T,p)S2式中：C为海水声速值，S、T、P分别为海水盐度、水温、静压力，C
ω
、A、B、D为与海水温度和静压力相关的经验函数，0≤S≤40、0
°
≤T≤40
°
、0Pa≤p≤108Pa，声速计算值的标准差为0.19m/s；步骤1.3，基于海域高分辨率、长时间序列的声速剖面数据单元存储为浮点数类型；采用声速公式获得的声速剖面数据在范围内的水平空间分辨率为0.1
°×
0.1
°
，垂向空间分辨率为50层，时间分辨率为每3小时输出一次；所述的垂向空间分辨率为50层的声速剖面数据的深度最大值不小于5000米；声速剖面数据的时段与产出的高分辨率海洋再分析产品相同；在陆地和海底沉积层处的声速剖面数据为缺省值状态。3.根据权利要求2所述一种基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤如下：步骤2.1，以典型海水声速剖面的分层结构，作为声速剖面数据延拓的先验信息；所述典型声速剖面分为表面层、跃变层、等温层三层结构；步骤2.2，在特定经度、纬度的位置处，修改网格深度为海底沉积层的声速值；参照典型声速剖面的垂向分层结构，将声速剖面数据延拓至海底沉积层；特定经度、纬度位置处延拓后的声速剖面数据共K层；步骤2.3，在特定的时空维度下，循环遍历经度纬度的网格空间位置，获取延拓后的高分辨率、长时间序列声速剖面数据，形成统一的深度分层海水声速剖面数据；某一时空维度下的经度纬度网格空间位置共I个，数据采样时刻共计J个。4.根据权利要求3所述一种基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方
法，其特征在于，所述步骤3的具体步骤如下：步骤3.1，以统一的深度分层海水声速剖面为对象，构建某一时空维度下的声速剖面数据矩阵；所述的声速剖面数据矩阵的行数为声速剖面数据层数K，列数为经度纬度网...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖汶斌，王勇献，颜恺壮，程兴华，刘巍，张理论，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：