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海水声速剖面基函数的重构性能分析

李倩倩 朱金龙 罗宇 彭东东

李倩倩,朱金龙,罗宇,等. 海水声速剖面基函数的重构性能分析[J]. 海洋学报,2023,45(11):34–44 doi: 10.12284/hyxb2023156
引用本文: 李倩倩,朱金龙,罗宇,等. 海水声速剖面基函数的重构性能分析[J]. 海洋学报,2023,45(11):34–44 doi: 10.12284/hyxb2023156
Li Qianqian,Zhu Jinlong,Luo Yu, et al. Reconstruction performance analysis for Basis Function of the sound speed profile[J]. Haiyang Xuebao,2023, 45(11):34–44 doi: 10.12284/hyxb2023156
Citation: Li Qianqian,Zhu Jinlong,Luo Yu, et al. Reconstruction performance analysis for Basis Function of the sound speed profile[J]. Haiyang Xuebao,2023, 45(11):34–44 doi: 10.12284/hyxb2023156

海水声速剖面基函数的重构性能分析

doi: 10.12284/hyxb2023156
基金项目: 山东省自然科学基金面上项目(ZR2022MA051);中国博士后科学基金项目(2020M670891);山东科技大学科研创新团队支持计划项目(2019TDJH103);山东省高等学校青年创新团队人才引育计划项目(卫星定位导航研究创新团队)。
详细信息
    作者简介:

    李倩倩(1984—),女,山东省青岛市人,副教授,主要研究海洋环境声学反演和水下声源定位等水声逆问题。E-mail:liqianqian@sdust.edu.cn

    通讯作者:

    罗宇(1974—),男,四川省成都市人,教授,主要研究声学信号处理、海洋测绘和声学检测等技术。E-mail: luoyu@sdust.edu.cn

  • 中图分类号: P733.2

Reconstruction performance analysis for Basis Function of the sound speed profile

  • 摘要: 海水声速剖面通常使用经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)进行稀疏表示,然而基函数会受到数据完备性和数据测量时间的制约,其代表性误差会导致声速剖面重构精度受限。为了提高声速剖面的重构精度,本文利用模糊C均值聚类对BOA_Argo历史数据集进行聚类分析,探讨不同聚类空间的训练集数据对实测声速剖面重构精度的影响。研究表明,声速剖面具有明显的时空聚集特性,聚类后的历史声速剖面集生成的基函数和平均声速剖面具有最优的重构性能。本文研究结果有助于为历史声速剖面训练集的选取提供实际指导意义,进而提高声速剖面重构精度乃至反演精度。
  • 图  1  CTD站点分布

    Fig.  1  The distribution of CTD stations

    图  2  BOA_Argo数据集的聚类结果

    Fig.  2  Clustering results of the BOA_Argo data set

    图  3  第II型与CTD测量得到的声速剖面

    Fig.  3  The sound speed profiles of Type II and measured by CTDs

    图  4  第II型声速剖面进一步聚类结果

    Fig.  4  Further clustering results of the sound speed profiles of Type II

    图  5  第II-1型与CTD测量得到的声速剖面

    Fig.  5  The sound speed profiles of Type II-1 andmeasured by CTDs

    图  6  CTD和不同区域的平均声速剖面

    a. 第I型;b. 第II型;c. 第III型;d. 第II-1型

    Fig.  6  CTD and mean sound speed profiles in different regions

    a. Type I; b. Type II; c. Type III; d. Type II-1

    图  7  声速剖面重构流程图

    Fig.  7  The flow chart of the sound speed profile reconstruction

    图  8  EOF累积方差贡献率

    Fig.  8  Cumulative variance contribution rate of EOF

    图  9  CTD测量声速剖面的重构误差

    a. 全区域;b. 第I型;c. 第II型

    Fig.  9  The reconstruction error of sound speed profiles measured by CTD

    a. Whole area; b. Type I; c. Type II

    图  10  重构声速剖面的均方根误差比较

    Fig.  10  Comparison of the RMSE of the reconstructed sound speed profiles

    图  11  均方根误差随深度变化

    Fig.  11  RMSE varies with depth

    图  12  CTD测量声速剖面的重构误差

    a. 第II型;b. 第II-1型

    Fig.  12  The reconstruction error of sound speed profiles measured by CTD

    a. Type II; b. Type II-1

    图  13  重构声速剖面的均方根误差比较

    Fig.  13  Comparison of the RMSE of the reconstructed sound speed profiles

    图  14  各训练集与CTD提取的第1阶EOF基函数幅度随深度的变化

    Fig.  14  The variation of first EOF amplitude extracted from training sets and CTD with depth

    图  15  各训练集平均声速剖面

    Fig.  15  The mean sound speed profiles from training sets

    图  16  ΔC1随深度的变化(a)、以第II型声速剖面作为训练集时 ΔC1和 ΔC2随深度的变化(b)、以第II-1型声速剖面作为训练集时ΔC1和ΔC2随深度的变化(c)、ΔC 随深度的变化(d)

    Fig.  16  ΔC1 changed with depth (a), ΔC1 and ΔC2 changed with depth (the Type II sound speed profiles as the training set) (b), ΔC1 and ΔC2 changed with depth (the Type II-1 sound speed profiles as the training set) (c), ΔC changed with depth (d)

    图  17  CTD测量声速剖面的重构误差

    a. 第II型;b. 12° × 12°

    Fig.  17  The reconstruction error of sound speed profiles measured by CTD

    a. Type II; b. Type 12° × 12°

    图  18  重构声速剖面的均方根误差比较

    Fig.  18  Comparison of the RMSE of the reconstructing sound speed profiles

    表  1  不同训练集与CTD基函数的相关系数

    Tab.  1  The correlation coefficient between different training sets and CTD EOFs

    基函数阶数第1阶第2阶第3阶第4阶第5阶第6阶
    第II型0.840.050.390.380.370.04
    第II-1型0.900.510.890.490.510.13
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    表  2  不同训练样本下CTD声速剖面的重构误差

    Tab.  2  The reconstruction error of CTD profiles under different training samples

    误差 训练集
    全区域 第I型 第II型 第II-1型 12° × 12°区域
    最大声速误差/(m·s−1 6.22 7.21 4.81 5.28 4.92
    最大均方根误差/(m·s−1 1.36 1.69 1.04 1.18 0.99
    平均均方根误差/(m·s−1 0.88 1.05 0.67 0.71 0.69
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-18
  • 修回日期:  2023-08-03
  • 网络出版日期:  2023-10-31
  • 刊出日期:  2023-11-30

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