LDEO软件包处理LADCP数据的过程详解
2022-03-22
来源:年旅网
DOI:10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.049 基金项目:广东海洋大学自然科学基金(N0.c10158);广东海洋大学人才引进项目(N0.E10080)。 LDEO软件包处理LA,DCP数据的过程详解 谢玲玲尚庆通 1.广东海洋大学海洋与气象学院,广东省湛江市524088 Detai I procedure of LDEO software in LADCP data processing Xie Lingling,Shang Qingtong College of Ocean and Meteorology,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,China 摘要 1 数据处理总体思路 LDE0(Lam0nt—Doherty Earth Observatory)软件 LDEO软件包对LADCP数据的处理, 是基于逆方法原理研发的LADCP处理软件。 总体上可分为5个大部分: 该软件由上百个MatLab m文件组成,不便于 (1)参数设置,对所有程序中需要的 用户快速彻底掌握。本文概括了该软件的主 参数进行提前设置。 要思路,并对该软件中的主要步骤及相关m (2)数据读入和融合,读入要处理的 文件的具体过程进行了详细说明。 LADCP数据及其他CTD、GPS、SADCP等 关键词 参考数据,并将不同的数据进行融合。 LADCP;LDEO软件包;数据处理 (3)质量控制,对数据质量多次控 文献标识码:A 制。 Abstract (4)逆方法求解绝对流速剖面。 The Lam0nt—D0herty Earth Observatory(LDEO) (5)结果显示。 software is developed for Lowered Acoustic Doppler 2数据处理具体步骤 Current Profiler(LADCP)data processing based 2.1参数准备 on the inversion method.The software contains (1)基本参数:包括cruise—params.m, hundreds of MatLab m files and is not easy castparams.m; ̄default—params.m三个程 for user to thoroughly understand.This paper 序。尽管defualt_params.m几乎给出了所有 summarizes the main idea of the software and 处理数据所用参数的默认值,但是很多参数 details the main procedure of the m files. 需要由程序使用者根据具体数据情况调整。 Keywords 具体参数如何给定,文献[5]给出了详细说 LADCP;LDEO software;data processing 明。 (2)数据参数:包括ctdprof.m, 引言 ctdtim.m,nav.mSHsadcp.m。ctdprof为压 海洋流速资料因其对海洋运动学和动 强、温度和盐度的剖面,以用来校正声速。 力学研究的重要作用,一直被海洋学家们青 ctdtim为压强温度和盐度时间序列,提供 睐。LADCP(Lowered Acoustic Doppler 深度数据。Nav为船载GPS的经纬度时间序 Current Profiler)由于具有测量范围广、 列,在逆方法中控制绝对流速剖面的中间 垂直剖面结构完整、与CTD资料完全同 部分[4],在剪切法中可用来求正压流速 。 步、海上作业简单等优点…,已经成为深海 Sadcp为船载ADCP流速的时间序列,提供 测流的有效方法,并广泛应用于我国的海洋 上层绝对流速。 调查,获得了宝贵的现场资料。然而,要获 2.2读入RDI LADCP数据 取准确度较高的绝对流速信息,对LADCP 读入LADCP原始数据,并进行最基 现场观测资料的后期处理仍然至关重要 【2,31 本质量控制,由子程序rdiload.m*Hmisc— 0 prep_rdi.m,其主要过程如下: 目前LADCP数据处理的方法主要有两 (1)读入LADCP原始数据。 种:剪切方法 和逆方法 J.对应于这两种方 首先判断LADCP是窄频(narrow 法,国际海洋界普遍使用的两个软件包是 band)还是宽频的(broad band)。对 由夏威夷大学的Eric Firing教授编写(以 宽频数据,用函数whread.m读,而窄频 下简称uH软件包)和由当时在哥伦比亚大 的数据,调用nbread.m。如有多个原始数 学Lamont—Doherty Earth Observatory 据需批处理,可调用whread—multi.m或者 (LDEO)工作的Martin Visbeck教授编 nbread—mutli.m。 写(以下简称LDEO软件包)。相对剪切方 (2)判断原始数据的坐标。 法,逆方法的一大优点在于能充分利用附加 LAD CP四个换能器发出四束声波 信息,比如高精度GPS资料和船载ADCP资 (beam),构成两对beam坐标,是 料,使获得的据对流速更大程度上逼近真实 LADCP自身坐标,与我们常用的实际的 绝对流速。郭 b Jl[ ̄等 曾介绍了两种方法, earth坐标不同。如果在下放LADCP前的配 并对LDEO软件包的使用进行了简单介绍。 置(plan)文件没有设置成earth坐标,这样 然而,LD EO软件包含有近百个 回收来的原始数据就是beam坐标下的,需 MATLAB语言的m文件,涉及了许多重要 要转换 ̄ljearth坐标(由子函数b2earth.m完 参数。要将庞大复杂软件正确应用在不同 成)。 LADCP数据的处理、解决软件运行中出现 (3)初始数据质量控制 的错误、判断最终流速结果的好坏,对软件 2.3数据融合 包的更深入研究和全面了解是非常必需的。 将CTD时间序列数据和NAV数据与 本文正是基于这种要求,详细介绍了LDEO LADCP数据融合,主要是时间上的校准, 软件包(以版本VI为例)的运行过程,以 为下面获得真实绝对流速做准备,由子程序 便该软件作为一个有利工具得以正确广泛的 mergedata.In实现。 应用,提高我国海洋调查数据质量。 2.4数据质量控制 88 原始数据的质量控制始终是LADCP数 据处理中的一个重要的问题。在前面读人数 据(rdiload.m)时已经做了一些最基本的 质量控制,去掉了一些坏数据。在这里又调 用函数improve.m做进一步的质量控制,具 体包括: (1)去掉全体数据中的异常值 (outlier.m)。 (2)磁偏角旋转(uvrot.m) (3)垂向速度限制(P.wlim)。 (4)水平速度限制(P.vlim)。 (5)去掉仪器人水前出水后的无效数 据。 (6)解决仪器beam系统的固有问题 (misc_switchbeams.m)。 (7)解决仪器磁罗盘的固有问题 (misc_campass.m)。 (8)校正仪器倾角。 (9)倾角以及倾角方差限制 (P.tiltmax)。 2.5获取底跟踪数据 在读入LADCP原始数据中,就已经有 底跟踪了,是LADCP仪器内部电路计算给 出的底跟踪(data.Btrak)。LDEO程序包又 采用Visbeck 给出的由water ping获得底 跟踪的方法计算了底跟踪,得到的底跟踪 数据存入data.btrk—own。最终计算绝对流 速用data.btrk还是data.btrk—own由参数 P.btrkmode决定。 2.6确定海表和海底 该步骤是用来计算LADCP的深度,并 找到海表和海底,由函数calc—depth.m完 成。LADCP的深度可由其下放速度w时间 积分来求得。 2.7剖面截取 截取最大有用数据剖面,由misc—cut— profile.m完成。具体过程如下: (1)计算每个bin对应的深度,由仪器 深度(data.z) ̄lbin离仪器的深度(data. izd)。 (2)将离海底或海表距离太近数据权 重改成NAN。 (3)去掉仪器入水出水时的数据,由 参数P.cut决定。 (4)重新计算一些相关量,比如起始 位置,经纬度等。 (5)计算船的漂移速度,为逆方法求 解做准备。 2.8提取船载ADCP数据 提取对应上述数据剖面的船载ADCP数 据,并做平均,由calc_sadcp—ave.m完成。 2.9数据编辑 再次数据质量控制,包括下面几个方 面: (1)Bin masking。 去掉受四个beam相互干涉的前端数 据。观测时盲区若已设置为大于一个bin的 长度,则可以不运行该步骤。 (2)Side-Lobe Contamination 理过程进行了详细说明,以便于使用者能更 去掉旁瓣(side-lobe)影响。主要针 快更好掌握该软件,做好LAD CP数据的后 ll上接蒂76页蠹一 对接近海底或海表的信号。 期处理。 系统。在矿井监测监控系统破坏后,分站可 (3)Time-Domain Spike Filter 独立工作964,时,并可将监测仪表所采集到 去掉回波强度的奇异值。由参数P.edit_ 的数据,通过钻孔内的通讯电缆传递到地 spike—filter_max_curv来决定滤波的强度。 面。 (4)Previous—Ping Interference 参考文献 (7)通讯系统 (PPI) 【1】熊学军,郭炳火,胡筱敏.LADCP观测和资 在硐室内部和人口处分别安设直通矿调 去掉靠近底部深度上的前后ping干扰 料后处理的关键技术[J].海洋技术,2005, 度室的固定电话,在硐室内部安装直通调度 值。 22(4):;52~56. 室的视频及广播系统,接入矿井通讯系统。 (5)Ensemble Skipping 【2]郭心顺,杨庆轩,康建军,田纪伟.LADCP数 在矿井通讯系统破坏后,通讯信号通过钻孔 跳过ensemble中的某些bin,通过比较 据处理方法的探讨及其对应软件包的使用【J]. 内的通讯电缆传递到地面。 跳过的bin ̄N留下的bin是否相符来确定数据 海洋技术,2006,25(4):1~6. (8)人员定位系统 是否可信。 『;5]Fischer J.and M.Visbeck.Deep velocity profiling with self-contained ADCPs.Journ&】of Atmospheric 避难硐室入口处和内部分别设人员定 2.10逆方法准备 l na uCean I ec『lnoiogY, I O, I u lI U,: 位基站,实时监测人员进出紧急避难硐室情 为逆方法做准备。主要包括以下几方 764~773. 况。人员定位基站接人矿井人员定位系统。 面: 4]Visbeck M.Deep Velocity profiling Using Lowered (9)供电系统 (1)去掉底跟踪中的部分数据。 kcoustic Doppler Current Profilers:Bottom Track and 避难硐室同时配备三套供电系统,分别 (2)将倾角大于P.tilt—weight的 Inverse Solutions,Journal of Atmospheric and Ocean 为矿井供电系统供电、钻孔供电、自备蓄电 proflie权重减小。 Technology,2002,1 9(S),794~8O7. 池供电。 (3)由朝上朝下的两个LADCP确定 _5]谢玲玲,熊学军,杨庆轩等.LADCP配置文 避难硐室供电分为正常供电和事故供 heading offset,并对tilt进行调整,重新旋 件和数据质量控制参数的设定【J].海洋技术, 电。正常供电接入矿井供电系统,照明采用 转流速方向。 2009,28(1):1 9~25. 矿用隔爆型荧光灯。事故供电采用矿用隔爆 2.11计算超级合样 作者简介 谢玲玲(1983一) 女.博士,讲师,研究领域为物理 型备用电池箱和矿用隔爆型本安直流稳压电 为减小数据量,将原始数据的ensemble 海洋; 池供电,供给避难硐室内各传感器、矿用红 做平均。由calc—ens—av.m完成,其想法是 尚庆通(1 982一).男.学士 初级,研究方向为 外摄像仪、硐室照明等所有用电设备。供电 在每个等深度范围(P.avdz)内得到一个平 海洋调查。 时间不低于96d,时。此外,避难硐室配备直 均的剖面。这样,在上行和下行中就得到 通地面的钻孔,供电电缆通过钻孔敷设至硐 了一定数量的超级合样super ensemble。此 室,保障紧急情况下硐室内用电设备的正常 外,也可平均ensemble数(P.avens)来得 工作。  ̄Usuper ensemble。 (10)排水、排气系统 2.12超级合样质量控制 硐室设有3%o自然流水坡度,同时在硐 通过流速的初步估计连续去掉1%误差 室内靠近底板附近安装两趟DN100的单向排 较大的后向散射信号。由函数lanarrow. 水管,用于排出硐室内积水。避难硐室内靠 m执行。而流速的初步估计是由核心函数 近底板附近安装两趟DN50的单向排气管, getinv.m采用逆方法求得。 用于排出硐室内有害气体。单向排气管在硐 2.13重新计算超级合样 室内装设单向阀。 对进行过质量控制的数据重新用 (11)生活系统 preinv.m进行质量控¥1]fll:calc—ens—av.m计 按规定配备足够的食物、饮用水,硐室 算super ensemble。 PRTR5VOU2x芯片的工作电压由USB通信 内设置一个卫生间,卫生间为半圆拱断面, 2.14逆方法求解 模块电路通过USB转接线与计算机的USB 净宽3.6m,净高2.6m,长1.8m,采用C25 逆方法是基于矩阵运算的一种方法,由 接1:1对接后产生;USB接口的差分数据线 钢筋混凝土砌碹支护,支护厚度800mm; 最小二乘法解方程的思想得到未知的绝对流 对于CH340T的UD+¥11UD一可直接相连, 采用C 1 5混凝土铺底,铺底厚度为250mm。 速 。在调用函数getinv.m时,应特别注意 或者数据线中间各串一个22欧的电阻(见图 内部设有两个集便器。集便器自带集便箱, 的各个参数的设置。 3)。CH340T提供TTL电平,同89C52可直 脚踏式打包,材质不锈钢。 逆方法可以将LADCP的底跟踪速度 接采用简单的3线连接(RXD-TXD,TxD— (12)医疗救护 (bot),GPS数据得到船速(baro),船 RXD,GND—GND)。CH340T必须采用12M 硐室内设置一个医疗室,医疗室为半圆 载ADCP流速(sadcp)统一起来求解绝对 晶振,否则无法正常工作,为保证单片机能 拱断面,净宽3.6m,净高2.6m,长5.0m, 流速,使得最终绝对流速在底层靠近bot, 产生与计算机匹配的波特率,单片机采用 采用C25钢筋混凝土砌碹支护,支护厚度 在上层接近sadcp,在中层接近(baro)。 11.O592M晶振。 800mm;采用c15混凝土铺底,铺底厚度为 这几个限制条件的权重由参数ps.botfac, 3总结 250mm。 ps.barofac¥Nps.sadcpfac决定。在LDEO软 随着RS232串口通信的逐步淘汰,单片 为了使伤员得到及时救治,减少伤亡及 件包中,默认的比重都为1。然而这样得到 机同计算机的USB通信在实际工作中的应用 痛苦,硐室内应备有床、急救箱和一定数量 的结果在往往会掩盖了一些问题。建议在使 范围越来越广,本文介绍的USB通信模块电 的担架。急救箱里内有一定量的绷带和止血 用LDEO software时候,最好将ps.botfac, 路可通过USB接口实现串口通信,能够在 药及其它应急药品。 ps.barofac¥1ps.sadcpfac默认值设为0,将剪 USB接口上完成以往需要使用RS232(DB9)进 4其他 切得到的斜压流速,底跟踪流速,GPS的正 行通信的计算机设备的通信;该硬件电路简 矿井应建立避难硐室管理制度,确定专 压流速,船载ADCP流速分别输出,辨别, 单,外围电路少制作方便,成本低;支持热 门机构及人员对紧急避险设施进行维护和管 再用逆方法统一起来。 插拔,驱动程序一次安装即可永久使用,不 理,定期对设施设备进行维护和检查,必须 2.15逆方法验证 必在插拔后重启计算机;另外该硬件电路中 检验逆方法,由函数checkinv.m完 增添了PRTR5VOU2X芯片,确保电路器件 及时对工人进行培训,每月必须进行一次避 成。 不受ESD的损害,保证器件的长期可靠性。 灾培训 2.16剪切法求解 LDEO软件中也提供了剪切方法求斜压 流速,由函数getshear2.m完成。 参考文献 2.17显示保存结果 【1】史迩冬,李清栋,周雪莉.基于USB接口的5I单 由函数saveres.m ̄Isaveplot.m完成。 片机与Pc机通信方法[J].大众科技,2006第1 1期 作者简介 【2]刘井权,王宪,戴昱.基于单片机的USB接口的 3结语 雷忠青(1 971一).男.山西大同人,工程 设计【J].自动化仪表,2006年第8期 师,毕业于中国矿业大学采矿工程专业.现任 本文介绍了LDEO软件包的总体思路和 郭静,刘付火,王章瑞,单片机C8051F;520及其 同煤集团设计研究有限责任公司副总工程师。 具体步骤,尤其是对具体程序文件的具体处 usB.1 ̄口应用【J】.电子世界,2004年第5期 一89