一種海底沉積物再懸浮非線(xiàn)性動(dòng)力過(guò)程原位數(shù)字化監(jiān)測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種海底沉積物再懸浮非線(xiàn)性動(dòng)力過(guò)程原位數(shù)字化監(jiān)測(cè)方法。其步驟包括利用海床基ADCP反演懸沙濃度，每個(gè)ADCP的探頭作為一個(gè)信號(hào)源，從而得到懸沙濃度的時(shí)空分布。利用盲源分離技術(shù)對(duì)懸沙濃度進(jìn)行分離。按照非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)原理，運(yùn)用時(shí)間序列重構(gòu)懸沙濃度在狀態(tài)空間中的軌道，將懸沙濃度信息轉(zhuǎn)換為反映非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)特性的關(guān)聯(lián)維數(shù)、復(fù)雜度、最大Lyapunov指數(shù)、近似熵非線(xiàn)性指數(shù)，利用時(shí)間序列的非線(xiàn)性指數(shù)繪制出非線(xiàn)性趨勢(shì)，來(lái)反映整個(gè)過(guò)程的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)特性變化。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了海底原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)再懸浮過(guò)程中懸沙濃度變化的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)行為，為海底沉積物再懸浮過(guò)程機(jī)理研究提供了技術(shù)支撐，具有后續(xù)建立懸沙濃度變化模型，預(yù)測(cè)海底沉積物懸揚(yáng)量的應(yīng)用價(jià)值。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種海底沉積物再懸浮非線(xiàn)性動(dòng)力過(guò)程原位數(shù)字化監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于海洋監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種海底沉積物再懸浮原位數(shù)字化監(jiān)測(cè)方法，特別是一種海底沉積物再懸浮非線(xiàn)性動(dòng)力過(guò)程原位數(shù)字化監(jiān)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]沉積物再懸浮是海洋過(guò)程中的一個(gè)普遍現(xiàn)象，也是淤泥質(zhì)近岸海域懸沙的重要來(lái)源。在海洋動(dòng)力作用下，泥沙經(jīng)常處于起動(dòng)、搬運(yùn)、沉降、再懸浮、再搬運(yùn)的不斷循環(huán)動(dòng)力過(guò)程中，這不僅直接關(guān)系到生態(tài)環(huán)境變化、岸灘演變、港口航道回淤、物質(zhì)循環(huán)、人類(lèi)的生存空間和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，而且涉及許多重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的解決。
[0003]我國(guó)廣泛發(fā)育的淤泥質(zhì)海岸，決定了沉積物再懸浮是一個(gè)非常普遍的現(xiàn)象。因此，開(kāi)展海底沉積物再懸浮過(guò)程研究對(duì)海洋沉積動(dòng)力學(xué)以及與沉積物再懸浮有關(guān)的港口航道、海岸工程、環(huán)境、流體力學(xué)、生物地球化學(xué)等諸領(lǐng)域的研究都是一個(gè)重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是當(dāng)前亟待解決的重大科學(xué)問(wèn)題之一。
[0004]自上世紀(jì)80年代起，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就開(kāi)始對(duì)沉積物再懸浮這一現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了關(guān)注。隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，聲學(xué)方法使得對(duì)沉積物再懸浮過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究變得可行。利用先進(jìn)聲學(xué)測(cè)量?jī)x器可以在測(cè)量流速和波浪的同時(shí)實(shí)時(shí)連續(xù)地反演水體的懸沙濃度，能夠獲得高時(shí)空分辨率的觀測(cè)資料。這些大容量、高密度的懸沙濃度觀測(cè)資料中蘊(yùn)含著豐富的沉積物再懸浮信息及其大量非線(xiàn)性特征，在潮流邊界層內(nèi)，沉積物再懸浮受壁湍流擬序運(yùn)動(dòng)間歇性猝發(fā)的控制，猝發(fā)生成的大尺度含能湍渦攜帶相似尺度沉積物云狀聚團(tuán)進(jìn)入水體。在波浪邊界層內(nèi)，當(dāng)波浪強(qiáng)度較小時(shí)，沉積物再懸浮由漩渦攜帶泥沙以泥沙云的形式周期性躍起而產(chǎn)生；當(dāng)波浪強(qiáng)度較大時(shí)，泥沙則以猝發(fā)的形式躍起。不論是泥沙云還是猝發(fā)體實(shí)質(zhì)上都是攜帶泥沙的漩渦，只是不同條件下漩渦的產(chǎn)生方式不同。這些漩渦一經(jīng)脫離床面便開(kāi)始形成泥沙的擴(kuò)散，當(dāng)水流中的大漩渦分解成各種尺度的小漩渦時(shí)，一部分能量用于懸浮泥沙，轉(zhuǎn)化為重力位能，一部分能量轉(zhuǎn)化為分子尺度上的熱運(yùn)動(dòng)而被耗散掉，沉積物再懸浮形態(tài)也將成為具有分形特征的耗散結(jié)構(gòu)，它的形成、維持、發(fā)展、演變乃至解體都是靠消耗水流能量來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于引起沉積物再懸浮的湍流形態(tài)復(fù)雜而奇異，它們包括各種大小不同、形狀各異、隨時(shí)間流動(dòng)與變化的漩渦，涉及到高維問(wèn)題，傳統(tǒng)的、線(xiàn)性的研究方法已很難對(duì)沉積物再懸浮發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)有新的突破，如何挖掘分析這些獲得的大容量、高采樣頻率的懸沙濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)已成為制約沉積物再懸浮研究的一個(gè)瓶頸問(wèn)題，從而限制了沉積物再懸浮過(guò)程研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種海底沉積物再懸浮非線(xiàn)性動(dòng)力過(guò)程原位數(shù)字化監(jiān)測(cè)方法，該方法能夠挖掘分析大容量、高采樣頻率懸沙濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的再懸浮過(guò)程非線(xiàn)性動(dòng)力特征。[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種海底沉積物再懸浮非線(xiàn)性動(dòng)力過(guò)程原位數(shù)字化監(jiān)測(cè)方法，其特點(diǎn)在于，包括如下步驟:
a、在海床基利用若干ADCP探頭反演懸沙濃度，把每個(gè)ADCP探頭所獲得的懸沙濃度作為一個(gè)信號(hào)源，由信號(hào)源的時(shí)空分布得到懸沙濃度信號(hào)的時(shí)空分布；
b、采用盲源分離方法剔除懸沙濃度時(shí)空分布信息中的平流和擴(kuò)散作用，從而將再懸浮懸沙濃度信號(hào)分離出來(lái)；
C、按照非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)原理，運(yùn)用時(shí)間序列重構(gòu)沉積物再懸浮過(guò)程中的懸沙濃度信號(hào)在狀態(tài)空間中的軌道；
d、將懸沙濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為反映非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)特性的關(guān)聯(lián)維數(shù)、復(fù)雜度、最大Lyapunov指數(shù)和近似熵非線(xiàn)性指數(shù)；
e、利用懸沙濃度信號(hào)時(shí)間序列的關(guān)聯(lián)維數(shù)、復(fù)雜度、最大Lyapunov指數(shù)、近似熵非線(xiàn)性指數(shù)繪制出非線(xiàn)性趨勢(shì)圖，實(shí)現(xiàn)圖形的實(shí)時(shí)顯示、重現(xiàn)、實(shí)時(shí)分析，以反映整個(gè)過(guò)程的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)特性變化。
[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題還可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，步驟b中所述的盲源分離方法為最大信息量法、自然梯度法、自適應(yīng)法、快速獨(dú)立元分析法、矩陣特征值分解法或時(shí)序結(jié)構(gòu)法。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的技術(shù)效果:
1、本發(fā)明采用聲學(xué)方法和非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)方法對(duì)海底沉積物再懸浮過(guò)程進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了再懸浮過(guò)程中懸沙濃度變化的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)分析，能夠反映沉積物再懸浮過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)行為和非線(xiàn)性特征，使對(duì)沉積物再懸浮發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)有新的突破；
2、此外，由于實(shí)測(cè)懸沙濃度時(shí)間序列具有復(fù)雜性、不確定性、非線(xiàn)性的特點(diǎn)，傳統(tǒng)方法難以保證預(yù)測(cè)精度，借助非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)，重構(gòu)懸沙濃度相空間，充分利用懸沙濃度的動(dòng)力學(xué)信息特征，有利于懸沙濃度相空間中的非線(xiàn)性預(yù)測(cè)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為本發(fā)明的流程結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]圖1為本發(fā)明的工作流程示意圖。一種海底沉積物再懸浮非線(xiàn)性動(dòng)力過(guò)程原位數(shù)字化監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟:
a、在海床基利用ADCP4個(gè)探頭反演懸沙濃度，把每個(gè)ADCP探頭所獲得的懸沙濃度作為一個(gè)信號(hào)源，由信號(hào)源的時(shí)空分布得到懸沙濃度的時(shí)空分布；ADCP全稱(chēng)為AcousticDoppler Current Profilers,即聲學(xué)多普勒流速剖面儀,是二十世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型測(cè)流設(shè)備。
[0011]b、采用盲源分離方法剔除懸沙濃度時(shí)空分布信息中的平流和擴(kuò)散作用，從而將再懸浮懸沙濃度分離出來(lái)；
C、按照非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)原理，運(yùn)用時(shí)間序列重構(gòu)沉積物再懸浮過(guò)程中懸沙濃度信號(hào)在狀態(tài)空間中的軌道；重構(gòu)沉積物再懸浮過(guò)程中懸沙濃度信號(hào)在狀態(tài)空間中的軌道過(guò)程如下:
利用分尚后的懸沙濃度時(shí)間序列…?，重構(gòu)相空間X?，
【權(quán)利要求】
1.一種海底沉積物再懸浮非線(xiàn)性動(dòng)力過(guò)程原位數(shù)字化監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟: a、在海床基利用若干ADCP探頭反演懸沙濃度，把每個(gè)ADCP探頭所獲得的懸沙濃度作為一個(gè)信號(hào)源，由信號(hào)源的時(shí)空分布得到懸沙濃度信號(hào)的時(shí)空分布； b、采用盲源分離方法剔除懸沙濃度時(shí)空分布信息中的平流和擴(kuò)散作用，從而將再懸浮懸沙濃度信號(hào)分離出來(lái)； C、按照非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)原理，運(yùn)用時(shí)間序列重構(gòu)沉積物再懸浮過(guò)程中懸沙濃度信號(hào)在狀態(tài)空間中的軌道； d、將懸沙濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為反映非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)特性的關(guān)聯(lián)維數(shù)、復(fù)雜度、最大Lyapunov指數(shù)和近似熵非線(xiàn)性指數(shù)； e、利用懸沙濃度信號(hào)時(shí)間序列的關(guān)聯(lián)維數(shù)、復(fù)雜度、最大Lyapunov指數(shù)、近似熵非線(xiàn)性指數(shù)繪制出非線(xiàn)性趨勢(shì)圖，實(shí)現(xiàn)圖形的實(shí)時(shí)顯示、重現(xiàn)、實(shí)時(shí)分析，以反映整個(gè)過(guò)程的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)特性變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種海底沉積物再懸浮非線(xiàn)性動(dòng)力過(guò)程原位數(shù)字化監(jiān)測(cè)方法，其特征在于:步驟b所述的盲源分離方法為最大信息量法、自然梯度法、自適應(yīng)法、快速獨(dú)立元分析法、矩陣特征值分解法或時(shí)序結(jié)構(gòu)法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種海底沉積物再懸浮非線(xiàn)性動(dòng)力過(guò)程原位數(shù)字化監(jiān)測(cè)方法，其特征在于:在步驟a中 ，所采用的ADCP探頭數(shù)量為4個(gè)。
【文檔編號(hào)】G01M10/00GK103900789SQ201410155660
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】張存勇 申請(qǐng)人:淮海工學(xué)院