Método de generación de matriz de covarianza de variación de velocidad de sonido y aparato de análisis de tomografía acústica de océano
Descripción general
 Un objeto de la presente invención es proporcionar un aparato de análisis de tomografía acústica del océano capaz de estimar una cantidad de fluctuación de la velocidad del sonido que refleje la estructura del océano. Durante] calcula la suma de los cuadrados de los coeficientes de expansión de los datos de la cantidad fluctuación de velocidad de sonido existente en cada sección, el resultado del cálculo para calcular el valor promedio dividiendo por el número de datos en cada sección, la sección total y el valor medio de la función de expansión la adición combinada, dividido por el número total de valores singulares y la sección de la función de expansión correspondiente a la suma, el valor promedio de la matriz de covarianza variación de la velocidad de sonido utilizado al realizar estimación probabilística dividido por su resultado de la división y los elementos diagonales de cada sección, como cero elementos fuera de la diagonal de la misma sección de la matriz de covarianza de la variación de velocidad del sonido, son los que tienen un generador de matriz de covarianza variación de la velocidad de sonido para generar una matriz de covarianza variación de velocidad de sonido.
Campo técnico
La presente invención se refiere a un aparato de análisis de tomografía acústica marina para estimar una cantidad de variación de la velocidad del sonido.
Antecedentes de la técnica
La tomografía acústica oceánica convencional es una técnica como se muestra a continuación. En primer lugar, se instalan transductores múltiples en el océano y se mide el tiempo de propagación del sonido entre los transductores. Aquí, una pluralidad de impulsos puede originarse desde el transmisor de onda de un impulso en agua de mar alcanza el transductor de recepción, que comprende una pluralidad de trayectorias de propagación para un par de transductor (en adelante, múltiple Sound Ray Path ') existe en la ruta del sonido.
Por lo tanto, el tiempo de propagación de escala para cada rayo de sonido de los múltiples trayectos del sonido, cerca del campo de área geofísica campo de velocidad de sonido (en adelante, referido como un campo de referencia) trayectoria de propagación del sonido asumiendo (en adelante, trayectorias de sonido ) Y el tiempo de propagación se calculan. La diferencia entre el campo real y el campo de referencia de la diferencia entre el valor calculado y el valor observado de cada tiempo de propagación de rayos de sonido (en adelante, se hace referencia a la variación de la velocidad como acústica) es estimar.
En la tomografía acústica marina, la diferencia de tiempo de propagación de cada rayo de sonido se conoce el número, la variación de la velocidad del sonido es una cantidad que es desconocido, es decir, la estimación es el de estimar el número de expansión y la variación sonic expansión de funciones. Este método de ampliación de funciones, poner límites en la dirección horizontal, usando la función de expansión de la plaza de la dirección de la expansión, la dirección vertical no es un método de uso de la función de expansión llamado funciones ortogonales empíricas.
A continuación, se describirá la función de expansión horizontal. Primero, el área entre el transmisor y el receptor se divide en la dirección horizontal, y el área entre el límite y el límite se toma como el intervalo. Por ejemplo, la primera sección de la región entre las regiones 1 º de contorno y dos ojos de la izquierda, de la región límite de dos primer límite y tres º intercalado entre la segunda sección Para determinar la sección. Luego, se usa una función rectangular para la función de expansión en la dirección horizontal. Por ejemplo, una constante en la primera φ1 función es 1 ésimo intervalo, en las secciones segunda y subsiguientes es una función que toma un valor de 0, la dirección horizontal de un intervalo arbitrario funciones de expansión i ø'i es el i-ésimo Es constante en la sección y toma un valor de 0 en las otras secciones.
A continuación, se describirá la función de expansión vertical. En primer lugar, en el océano tomografía acústica ha observado datos y similares observada en la realización anterior, además de los datos de estadísticas estadísticamente recogidos de la temperatura y salinidad del agua para el cálculo de la velocidad del sonido, para calcular la velocidad del sonido usando estos datos . Entonces, los datos en la dirección vertical del perfil de velocidad de sonido varios puntos de la profundidad dada (por ejemplo, 10 m, 100,200M, los datos en ... profundidad) dispuestos, por ejemplo, descritos en el vector columna. Entonces, para cada punto de observación está asociado el Ci vector vertical de describir el perfil, teniendo la aritmética juego significar más el vector de datos para cada perfil.
Donde I es el número total de perfiles y CO es el perfil promedio. El valor obtenido al restar el perfil promedio de cada perfil (= Ci CO) se toma como el vector de la cantidad de fluctuación de la velocidad del sonido. El vector de cantidad de fluctuación de la velocidad del sonido Ci CO está dispuesto en la dirección lateral para formar una matriz D de la cantidad de fluctuación de la velocidad del sonido de la siguiente manera.
D = [C1 CO, C2 CO, ... CI CO]
Además, aunque la función ortogonal empírica es una función de expansión vertical, para crearla se crea la siguiente matriz y se realiza la descomposición del valor singular. En primer lugar, multiplicado por la matriz transpuesta DT de D de derecha a la matriz D de la variación de velocidad del sonido, crear un DDT matriz / I, dividido por el número total de perfiles I. DDT / I = UΛUT se obtiene por descomposición de valores singulares de esta última matriz. U es una matriz unitaria, y cada ui vectorial de columna de esta matriz es una función de expansión llamada función ortogonal empírica. Λ es una matriz diagonal en la que los valores singulares están dispuestos en elementos diagonales. Definir funciones de expansión La velocidad del cambio de velocidad del sonido dC se expresa formalmente como se muestra en la siguiente ecuación usando la función de expansión descrita anteriormente.
Aquí, DerutaCj1 es una función de desarrollo, expresada por el símbolo de una i en el número de serie del símbolo j, 1 de la suma para el cálculo que se describirá más tarde. Es decir, δCj1 se reescribe como δCi. A continuación, se describirá el método de estimación del problema inverso probabilístico. Las funciones expandidas desarrolladas usando estas funciones de expansión son incógnitas estimadas. Como lo desconocido y la diferencia de tiempo de propagación están en una relación proporcional de la siguiente manera, son ecuaciones simultáneas.
Aquí, los .DELTA.Tk menos el tiempo de propagación de rayos sonido correspondiente calcularon utilizando un lote de referencia a partir del tiempo de propagación de la línea de sonido k-ésimo, coeficientes de dilatación i-th δCi variación de velocidad del sonido, Rki el coeficiente de proporcionalidad El cual se calcula usando la ruta del rayo de sonido, la velocidad del sonido y la función de expansión, ε k es un error de observación. Este sistema de ecuaciones se puede expresar utilizando una matriz, vector alineado? T el tiempo de tránsito verticalmente, el coeficiente se organizó matriz matriz de coeficiente de proporcionalidad R (= [Rki]),? C un vector obtenido mediante la disposición de coeficiente de dilatación en la dirección longitudinal , Y un vector obtenido al organizar el error de observación verticalmente es ε, se puede escribir de la siguiente manera. δT = R δ C + ε
A partir de esta relación, estimamos minimizar el error. Es decir, la siguiente matriz L se forma a partir de la matriz de coeficientes R como se muestra en la siguiente ecuación.
L = GccRT (RGccRT + Gee) - 1
Entonces, una multiplicando un vector? T hecho mediante la disposición de la propagación diferencia de tiempo se conoce número a la solución de la matriz L? C (= LδT).
Aquí, GCC está en la velocidad del sonido varía matriz de covarianza, Gee es la matriz de covarianza del error de cronometraje, el T de RT es representativa de la transposición de una matriz. Aunque el tiempo de tránsito observado se conoce, se refiere a la estimación de operador de resolución de la ecuación? T = RδC + ε en la consideración de un error en el operador de estimación de probabilidad de observación, también método de estimación probabilística en este momento Se llama método de estimación de problemas inversos. Hacemos hincapié en que se requiere una matriz de covarianza de varianza de velocidad sónica para este operador de estimación de problema inverso estocástico.
Además, se describe inicialmente el modo de configurar el vector de coeficientes de expansión de variación de la velocidad de sonido para explicar la disposición de los elementos de la velocidad del sonido de la matriz de covarianza variación. En cada sección descrita anteriormente, haciendo un vector obtenido mediante la disposición de coeficiente de dilatación de la variación de velocidad del sonido en el orden de la función de expansión. Por ejemplo, Derutashi21 secuencialmente joven coeficiente de expansión función de expansión en un segundo intervalo cuando se expresa coeficiente de expansión y δCj1, δC22, δC23, haciendo vectores dispuestos en vertical y así sucesivamente. Aquí, justo a la derecha del valor numérico de? C señalando el número de la sección, el extremo derecho del valor numérico que indica el número de las funciones de expansión de las funciones de expansión.
Entonces, deja que este vector sea, por ejemplo, un vector longitudinal. De esta manera, este vector vertical corresponde a cada sección. El vector de la cantidad de fluctuación de la velocidad del sonido es un vector longitudinal obtenido ordenando verticalmente este vector longitudinal de acuerdo con el orden de la sección. En otras palabras, δC11, δC12, δC13, ... δC21, δC22, δC23, ... δCn1, δCn2, δCn3, se convierten en vectores dispuestos verticalmente con el fin de δCnm. Aquí, nym son el número de secciones y el número de funciones de expansión, respectivamente. Las filas y columnas de la matriz de covarianza de variación de velocidad del sonido están dispuestas de esta manera.
Ahora, se han descrito anteriormente los principios del método de estimación hasta el momento, se describirá ahora la configuración del analizador de la tomografía acústica marina, la Fig. 2 es un diagrama de bloques que muestra una configuración del aparato de análisis de la tomografía acústica marina. En la figura, 10 es el generador de campo de velocidad acústica para el cálculo del campo de velocidad de sonido, 11 sonido calculadora ray, 12 es un identificador de rayos de sonido, 13 expanda generador de funciones, generador de matrices 14 coeficiente, 15 un generador de matriz de covarianza , 16 es un generador de operador de estimación estocástica, 17 es un generador de cantidad de variación de velocidad de sonido, y 18 es una unidad de visualización para visualizar el resultado de la estimación.
A continuación, se describirá el funcionamiento del analizador para la tomografía acústica marina. La tomografía acústica océano, en primer lugar, el generador de campo de velocidad del sonido 10, los datos de temperatura del agua de entrada y la secuencia recibida, tal como los datos de temperatura y el lineal observado dichos datos estadísticos y la salinidad batimetría, campo de velocidad de sonido a partir de los datos observados de la temperatura del agua y salinidad .
Luego, utilizando una distribución de velocidad de sonido obtenidos a partir de los campos de velocidad del sonido calculados por el generador de campo velocidad acústica 10, la calculadora de rayos de sonido 11 y el generador de función de expansión 13 calcula la función de expansión y el rayo de sonido, respectivamente. Entonces, el identificador de rayo de sonido 12 se asocia con los datos recibidos observados en base a la información del rayo de sonido obtenida mediante el cálculo del rayo de sonido. Esta es la identificación de la línea de sonido, y se genera la ruta del rayo de sonido identificado como resultado de este procesamiento.
Además, el generador de matriz de coeficientes 14 genera una matriz de coeficientes R como entrada es el generador de salida de la función de despliegue trayectos del sonido 13 es el resultado de la salida de la función de expansión y el identificador de rayos de sonido 12, un generador de matriz de covarianza 15 , Se genera una matriz de covarianza de variación de velocidad sónica usando el valor singular como el resultado de salida del generador de función de expansión 13 como una entrada.
Luego, el generador operador de estimación estocástica 16 genera el operador de estimación probabilística usando la matriz de coeficientes y la matriz de covarianza como entradas. Entonces, como el último de procesamiento de datos, el generador de variación de velocidad del sonido 17 calcula la variación de la velocidad diferencia de tiempo de propagación del sonido entre la salida del rayo de sonido identificado operador putativo como una entrada, se visualiza en la pantalla 18 los resultados. Aquí, convencionalmente, cuando la estructura teórico descrito anteriormente, los elementos diagonales de la matriz de covarianza variación de velocidad del sonido como se muestra en la Figura 3, lo que resulta específicamente de la descomposición de valor singular a realizar cuando la creación de las funciones ortogonales empíricas descritas anteriormente Se incluyeron los valores (elementos diagonales de Λ). En la figura, el sufijo de λ representa el número de la función de expansión.
Además, cuando el punto importante es que, cuando la formación de matriz de covarianza variación de velocidad del sonido, la disposición de los elementos de la matriz de covarianza como se describe anteriormente, el valor de dispersión diferente función misma expansión del intervalo (elementos diagonales de la matriz de covarianza) El mismo valor singular fue puesto para. En otras palabras, aunque el valor cambios covarianza si las funciones de despliegue Kaware subíndice que indica los elementos de la matriz, cambia sección indicada subíndice se formó valor de manera que sin cambios de la covarianza. Además, en la covarianza dentro de la misma sección, los elementos fuera de diagonal se convierten automáticamente en 0.
Tarea de solución
Sin embargo, como se ha descrito anteriormente, en la creación de la velocidad del sonido de la matriz de covarianza variación en la tomografía acústica marina convencional, el uso de los mismos valores singulares como se describe anteriormente en cada sección se supone que ocurrir en una variación marina probabilidad es igual a , Existe el problema de que no refleja las fluctuaciones que ocurren en un momento determinado. Además, dependiendo marino también un aumento lugar conveniente para variaciones características, tales que utilizan una matriz de covarianza será asumido un lugar que ha perdido las características de las aguas, estima el lugar donde las aguas características disminuidas . En otras palabras, menos de distribución o una estructura con respecto a una gran estructura de campo real en la dirección horizontal, para estimar la distribución de la estructura monótona, un problema que se convierte a la estimación no refleja los fenómenos que ocurren actualmente Había.
Solución
aparato de análisis Océano Acoustic tomografía de acuerdo con la presente invención, el área entre el transmisor de onda y el receptor de onda, se divide en una pluralidad de secciones en la dirección horizontal, la expansión a estocástica estima función ortogonal empírica en la dirección vertical en el océano analizador tomografía acústica que realiza realizar estimación de la cantidad fluctuación de velocidad del sonido, se calcula la suma de los cuadrados de los coeficientes de expansión de los datos de la cantidad fluctuación de velocidad de sonido existente en cada sección, dividiendo el valor medio del resultado de la operación por el número de datos en cada sección calcula su valor medio por la suma función de expansión sobre toda la sección, dividido por el número total de valores singulares y la sección de la función de expansión correspondiente a la suma, promedio el resultado dividido dividido por estocástico y la un elemento de la diagonal de cada sección de la matriz de covarianza de variación de velocidad de sonido utilizado cuando la estimación, los elementos no diagonales de la misma sección de la matriz de covarianza de variación de velocidad de sonido como 0, la variación de la velocidad del sonido para generar una matriz de covarianza variación de velocidad de sonido Generador de matriz de covarianza Es obtener cosas.
A continuación, en la presente invención, el generador de matriz de covarianza fluctuaciones de la velocidad acústica, la suma de los cuadrados de los coeficientes de expansión de los datos de la variación de velocidad de sonido existente se calcula en cada sección, el resultado del cálculo se divide por el número de datos en cada sección Se calcula un valor promedio. Entonces, el valor promedio se suma sobre todo el intervalo por la función de expansión, la suma se divide por el número total de valores singulares y la sección de la función de expansión correspondiente, el valor medio y el resultado dividido se divide por la estimación estocástica Se usa como un elemento diagonal para cada sección de la matriz de covarianza de variación de velocidad del sonido. Además, los elementos fuera de la diagonal de la misma sección de la matriz de covarianza de variación de velocidad de sonido es 0, se genera la matriz de covarianza variación de velocidad del sonido.
Ejemplos
La Figura 1 es un diagrama que muestra una configuración de una realización en la matriz de covarianza conformidad matriz de covarianza variación velocidad del sonido generado por el generador de la presente invención. A propósito, en esta realización, por las operaciones de la matriz de covarianza de otros que los generadores de aparatos de construcción y el análisis del aparato de análisis en el tomografía océano acústica es el mismo que el ejemplo convencional, esta forma de realización, en cada sección en el generador de funciones ampliado 13 vector de variación de velocidad de sonido (creado usando los datos recogidos en el pasado) y extensión de la función, la creación de una matriz de covarianza de variación de velocidad de sonido mediante un valor normalizado, resultante como se describe a continuación el coeficiente de expansión Por ejemplo.
A continuación, se describirá la operación de esta realización. Aquí, en aras de la simplicidad, se describirá el caso en el que no existe una correlación. Con respecto a la disposición de fila y columna de la matriz de covarianza de variación de velocidad del sonido, se supone que es la misma que la descrita en el ejemplo convencional. Además, aquí, ya considerar el caso sin correlación, se está poniendo a cero los elementos que dan covarianza entre las diferentes secciones de la velocidad del sonido matriz de covarianza variación.
A continuación, se describirá la designación de otros elementos, es decir, el procedimiento de cálculo de los elementos de la misma sección. Primero, explicaremos cómo hacer elementos diagonales. Aquí, se supone que el coeficiente de expansión se obtiene mediante el generador de función de expansión 13 a partir de los datos de la cantidad de variación de la velocidad del sonido en cada sección. En cada sección, se toma una sección para que haya un vector de variación de la velocidad del sonido calculado a partir de al menos un dato de observación.
Entonces, en el inicio del tratamiento, la suma de cuadrados γij datos coeficientes de expansión para cada funciones de expansión para cada segmento (i, j, respectivamente el número de números y funciones de expansión de la sección) realiza, por el número Qi de los datos en cada sección Vamos a dividir esto por Eij. Entonces, como se muestra en la siguiente ecuación, por la función de expansión, la sección entera sumando los valores Eij de cada sección (suma), y dividiendo Aj por el número total de valores singulares λj y la sección de la función de expansión correspondiente q.
Después de eso, divida Eij por Aj, y deje que este valor sea Γij. Luego, como se muestra en la Fig. 1, ponga Γij en la sección correspondiente de la matriz de covarianza y el elemento diagonal especificado por la función de expansión.
A continuación, una descripción se dará valores tienen en elementos fuera de la diagonal de la covarianza de la misma sección entre la matriz de covarianza. De la definición de la matriz de covarianza, debido al uso de esas funciones de expansión comunes en todas las áreas, donde fuera de la diagonal elementos en el sujeto no son 0, la correlación entre la función de expansión de las funciones de expansión ya que no es, o mediante la adopción de los elementos diagonales que se muestran anteriormente, los elementos fuera de la diagonal de la matriz de covarianza en el mismo intervalo de modo cómo se describe en la estructura horizontal se mejora significativamente En este generador, 0 es entrada. Mediante la operación descrita anteriormente, se genera una matriz de covarianza de variación de velocidad de sonido.
Además, los coeficientes de expansión utilizados para la velocidad del sonido varía matriz de covarianza generada por el generador de matriz de covarianza de esta forma de realización se requiere como información conocida cuando el estimado, que se refleja en el resultado de la estimación, el operador estimación inestabilidad más pequeño (fenómeno de que el valor estimado incluye un gran error de un error o similar en el momento de aproximar el tiempo de tránsito y la velocidad de la relación proporcional relación de variación de sonido? T = RδC + ε) es débil cronometraje matriz de covarianza de error, velocidad del sonido La influencia de la matriz de covarianzas de fluctuación se refleja fuertemente.
La matriz inversa de la velocidad del sonido de la matriz de covarianza variación, estará trabajando como una matriz de penalización para suprimir el valor estimado, si hay grandes elementos diagonales de la matriz inversa, que se estima las funciones de expansión y la sección donde se designa el elemento El valor del resultado se vuelve más pequeño. De esta forma, la matriz de penalización es una matriz que actúa para reducir la estimación al imponer penalizaciones sobre los valores estimados a medida que los elementos de esta matriz son más grandes.
En esta realización, ya que a fin de crear una matriz de covarianza variación velocidad del sonido por la operación anterior, teniendo en cuenta el trabajo de la matriz de penalización, convencionalmente, igual al valor no cambia en la dirección horizontal sobre el cual función de expansión impondrá una penalización, la información de la distribución de la estructura marina es conocido, se hace posible estimar los resultados no deseados si una estructura clara se conoce, pero la velocidad del sonido varía matriz de covarianza de esta forma de realización , Se impone una penalización correspondiente a la distribución, y es posible estimar la distribución que refleja la estructura.
En esta realización, el caso se ha descrito donde ninguna correlación, cuando correlaciona también elementos entre distintas secciones de la matriz de covarianza variación de la velocidad de sonido utilizando la raíz cuadrada y la función de correlación de la cantidad Γij se muestra en esta forma de realización es posible generar una matriz de covarianza de variación de velocidad de sonido en el caso de horizontalmente estructural by'll entrar en el calculado y la matriz.
Efecto de la invención
Como se ha descrito anteriormente, de acuerdo con la presente invención, la fluctuaciones de la velocidad del generador matriz de covarianza acústica calcula la suma de los cuadrados de los coeficientes de expansión de los datos de la cantidad existente fluctuación de velocidad de sonido en cada sección, los datos de resultado de la operación de cada sección calcular un valor promedio dividiendo por el número, la suma sobre el valor promedio para toda cada sección función de expansión, dividido por el número total de valores singulares y la sección de la función de expansión correspondiente a la suma, dividido por el valor medio en el valor resultado de la división era los elementos diagonales de cada sección de la matriz de covarianza de variación de velocidad de sonido utilizado cuando se realiza la estimación probabilística, como, la matriz de covarianza cero fuera de la diagonal elementos de la misma sección de la matriz de covarianza de variación de velocidad de sonido acústico fluctuaciones de velocidad , De modo que es posible estimar la cantidad de fluctuación de la velocidad del sonido que refleja la estructura del océano.
Breve descripción de los dibujos La figura 1 es un diagrama que muestra una configuración de una matriz de covarianza de variación de velocidad sónica de la presente invención.
La figura 2 es un diagrama de bloques que muestra una configuración de un analizador de tomografía acústica oceánica.
La figura 3 es un diagrama que muestra una configuración de una matriz de covarianza de variación de velocidad de sonido convencional.
10 Sonic Field Generator
11 calculadora de rayos de sonido
12 Identificador de rayos de sonido
13 Generador de función de expansión
14 generador de matriz de coeficientes
15 Generador de matriz de covarianza
16 Generador de operador de estimación probabilística
17 Sonic Velocity Variation Generator
18 indicador
Reclamo
La región entre el transmisor de onda según la reivindicación 1 y el receptor de onda, se divide en una pluralidad de secciones en la dirección horizontal, realizando una estimación de la variación de velocidad de sonido lleva a cabo la estimación probabilística y desarrollado con función ortogonal empírica en la dirección vertical en el método de generación de matriz de covarianza variación de la velocidad de sonido de un aparato de análisis de la tomografía acústica marina, el resultado de la descomposición de valor singular a tomar cuando la creación de una suma de cuadrados y los empíricos coeficientes de expansión de función ortogonal de los datos de la variación de velocidad de sonido existente en cada sección basado en los valores singulares, la generación de los elementos diagonales de cada sección de la matriz de covarianza de variación de velocidad de sonido utilizado cuando se realiza la estimación estocástica, no pares de la misma sección de la matriz de covarianza de variación de velocidad de sonido Y el elemento angular se establece en 0.
La región entre transmisor de onda según la reivindicación 2 y el receptor de onda, se divide en una pluralidad de secciones en la dirección horizontal, realizando una estimación de la variación de velocidad de sonido lleva a cabo la estimación probabilística y desarrollado con función ortogonal empírica en la dirección vertical en el analizador de tomografía acústica océano, la suma calculada de los cuadrados de los coeficientes de expansión de los datos de la cantidad fluctuación de velocidad de sonido existente en cada sección, y calcula un valor promedio dividiendo del resultado de la operación por el número de datos en las secciones respectivas, que sumada sobre todo el valor medio para cada sección de función de expansión, la suma correspondiente a dividido por el número total de valores singulares y la sección de la función de expansión, el valor medio y el resultado de la división dividido por la estimación estocástica valor y los elementos diagonales de cada sección de la matriz de covarianza de variación de velocidad de sonido utilizado cuando se realiza un elementos no diagonales de la misma sección de la matriz de covarianza de variación de velocidad de sonido como 0, la velocidad del sonido para generar la matriz de covarianza de variación de velocidad de sonido Con generador de matriz de covarianza variable aparato de análisis Océano Acoustic Tomografía caracterizado por.
Dibujo :
Application number :1997-033652
Inventors :沖電気工業株式会社
Original Assignee :伊藤隆夫