本發(fā)明屬于海水參數(shù)測量，具體而言，涉及一種海水參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、海水參數(shù)監(jiān)測是海洋科學(xué)研究和環(huán)境監(jiān)管的重要手段，傳統(tǒng)的海水參數(shù)測量主要依靠單一傳感器或參數(shù)采集系統(tǒng)，如ctd（電導(dǎo)率-溫度-深度）儀、ph計、溶解氧測量儀等分別監(jiān)測海水的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性。這些系統(tǒng)通常采用獨立校準(zhǔn)方法，即針對單個參數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)溶液或參比儀器進行校準(zhǔn)，應(yīng)用于海洋調(diào)查、水質(zhì)監(jiān)測和海洋生態(tài)系統(tǒng)研究等領(lǐng)域。

2、然而，傳統(tǒng)的單參數(shù)校準(zhǔn)方法忽視了海水參數(shù)間的復(fù)雜交互關(guān)系，如溫度、鹽度對ph值和溶解氧測量的影響，壓力對各種傳感器響應(yīng)的修正等。此外，現(xiàn)有系統(tǒng)在復(fù)雜海洋環(huán)境下如溫躍層、鹽躍層區(qū)域的校準(zhǔn)精度顯著下降，傳感器受生物污損和長期漂移影響大，缺乏自適應(yīng)校正能力，導(dǎo)致長期部署監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性降低。

3、目前技術(shù)難以解決海水多參數(shù)交互影響下的綜合標(biāo)定問題，尤其是在多種環(huán)境因素共同作用下，如何建立海水參數(shù)間的交互補償模型，實現(xiàn)高精度、自適應(yīng)的參數(shù)標(biāo)定，同時滿足不同海域、不同環(huán)境條件下的監(jiān)測需求，成為制約海水參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。也就是說，現(xiàn)有技術(shù)中存在海水多參數(shù)協(xié)同標(biāo)定精度低、環(huán)境適應(yīng)性差的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種海水參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中存在海水多參數(shù)協(xié)同標(biāo)定精度低、環(huán)境適應(yīng)性差的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：本發(fā)明提供一種海水參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)具有控制芯片，所述控制芯片分別與多參數(shù)水質(zhì)傳感裝置、溫鹽深探測裝置、溶解氧分析裝置、光譜分析裝置、數(shù)據(jù)存儲裝置、無線通信裝置、供電裝置、定位裝置以及時鐘同步裝置電連接，所述控制芯片內(nèi)設(shè)有系統(tǒng)控制模塊，所述系統(tǒng)控制模塊執(zhí)行以下步驟：利用溫鹽深探測裝置沿水深方向進行剖面掃描；通過多參數(shù)水質(zhì)傳感裝置采集海水酸堿度、氧化還原電位以及濁度數(shù)據(jù)；利用溶解氧分析裝置采集海水中溶解氧濃度以及氧飽和度數(shù)據(jù)；通過光譜分析裝置采集海水光吸收系數(shù)；采用參數(shù)交互補償函數(shù)將所有參數(shù)輸入多元回歸模型，構(gòu)建海水綜合參數(shù)標(biāo)定模型；基于oceanparamnet模型和標(biāo)定模型對新采集的原始數(shù)據(jù)進行修正；對標(biāo)定后的數(shù)據(jù)進行異常值檢測；根據(jù)供電裝置反饋的電池電量狀態(tài)調(diào)整采樣頻率；周期性執(zhí)行自校準(zhǔn)程序。

3、其中，多參數(shù)水質(zhì)傳感裝置用于采集海水酸堿度、氧化還原電位以及濁度數(shù)據(jù)，溫鹽深探測裝置用于采集海水溫度、鹽度以及深度數(shù)據(jù)，溶解氧分析裝置用于采集海水中溶解氧濃度以及氧飽和度數(shù)據(jù)，光譜分析裝置用于采集海水光吸收系數(shù)、熒光強度以及色素濃度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲裝置用于存儲所有采集數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運行參數(shù)以及標(biāo)定模型，無線通信裝置用于系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸以及與上位機通信，供電裝置用于提供系統(tǒng)所需電能并監(jiān)測電池狀態(tài)，定位裝置用于確定系統(tǒng)部署位置以及深度剖面信息，時鐘同步裝置用于確保多點測量數(shù)據(jù)的時間一致性。

4、其中，多參數(shù)水質(zhì)傳感裝置對水質(zhì)參數(shù)的采樣頻率為每分鐘1次，溫鹽深探測裝置的采樣頻率為每10秒1次，溶解氧分析裝置的采樣頻率為每30秒1次，光譜分析裝置的采樣頻率為每分鐘1次。

5、其中，利用溫鹽深探測裝置沿水深方向進行剖面掃描，具體是采集不同深度處海水溫度、鹽度以及壓力數(shù)據(jù)，構(gòu)建溫鹽深三維結(jié)構(gòu)模型，識別溫躍層以及鹽躍層位置。

6、其中，通過多參數(shù)水質(zhì)傳感裝置采集海水酸堿度、氧化還原電位以及濁度數(shù)據(jù)，采用三點校準(zhǔn)法補償溫度以及壓力對測量的影響，建立酸堿度與氧化還原電位關(guān)聯(lián)模型。

7、其中，通過光譜分析裝置在400至700納米波長范圍內(nèi)采集海水光吸收系數(shù)、熒光強度以及色素濃度數(shù)據(jù)，應(yīng)用主成分分析法提取特征波長處吸收峰值，識別葉綠素濃度以及有色可溶性有機物含量。

8、其中，參數(shù)交互補償函數(shù)的輸入?yún)?shù)包括溫度參數(shù)矩陣、鹽度參數(shù)矩陣、深度參數(shù)矩陣、光學(xué)特性參數(shù)矩陣以及化學(xué)特性參數(shù)矩陣，參數(shù)交互補償函數(shù)的輸出結(jié)果為海水參數(shù)校正系數(shù)矩陣。

9、其中，參數(shù)交互補償函數(shù)采用分段非線性映射算法，首先計算各參數(shù)間的一階相關(guān)性系數(shù)，然后構(gòu)建二階交叉項影響矩陣，最后通過迭代最小二乘法求解最優(yōu)補償系數(shù)。

10、其中，oceanparamnet模型的具體結(jié)構(gòu)為多層時序注意力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包含編碼器-解碼器雙路結(jié)構(gòu)和殘差連接機制，編碼器由三層雙向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)組成，每層包含128個神經(jīng)元，用于捕獲海水參數(shù)的時間序列特征；解碼器采用四層全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，神經(jīng)元數(shù)量分別為256、128、64和32，用于映射特征空間到參數(shù)校正空間。

11、其中，oceanparamnet模型預(yù)訓(xùn)練過程中的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集建立的步驟包括：首先收集至少12個月覆蓋四個季節(jié)的海水參數(shù)連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)；然后按照地理位置和海洋環(huán)境特征將數(shù)據(jù)分類；接著對原始數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制；之后進行數(shù)據(jù)增強；最后構(gòu)建標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

12、與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的一種海水參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)，本發(fā)明提出了一種基于多參數(shù)水質(zhì)傳感裝置、溫鹽深探測裝置、溶解氧分析裝置和光譜分析裝置協(xié)同工作的海水參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)，通過參數(shù)交互補償函數(shù)和oceanparamnet模型實現(xiàn)海水參數(shù)的高精度標(biāo)定。

13、該系統(tǒng)成功解決了傳統(tǒng)單參數(shù)校準(zhǔn)方法的局限性，通過構(gòu)建參數(shù)間的交互補償函數(shù)，將溫度、鹽度、深度、光學(xué)特性和化學(xué)特性等多維參數(shù)矩陣輸入計算，生成校正系數(shù)矩陣，有效消除了參數(shù)間的相互干擾。系統(tǒng)采用的oceanparamnet模型融合了時序分析和多尺度注意力機制，能夠適應(yīng)不同海域和季節(jié)變化，實現(xiàn)自適應(yīng)標(biāo)定，顯著提高了溫躍層和鹽躍層等復(fù)雜環(huán)境下的測量精度。

14、通過綜合智能化的自校準(zhǔn)程序和異常值檢測算法，本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的海水多參數(shù)協(xié)同標(biāo)定精度低、環(huán)境適應(yīng)性差的技術(shù)問題，實現(xiàn)了海水參數(shù)的動態(tài)精確標(biāo)定，滿足了不同海域環(huán)境下海水參數(shù)監(jiān)測的高精度、自適應(yīng)和長期穩(wěn)定性需求，解決了海水多參數(shù)協(xié)同標(biāo)定精度低、環(huán)境適應(yīng)性差的技術(shù)問題。

技術(shù)特征：

1.一種海水參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，具有控制芯片，所述控制芯片分別與多參數(shù)水質(zhì)傳感裝置、溫鹽深探測裝置、溶解氧分析裝置、光譜分析裝置、數(shù)據(jù)存儲裝置、無線通信裝置、供電裝置、定位裝置以及時鐘同步裝置電連接，所述控制芯片內(nèi)設(shè)有系統(tǒng)控制模塊，所述系統(tǒng)控制模塊執(zhí)行以下步驟：利用溫鹽深探測裝置沿水深方向進行剖面掃描；通過多參數(shù)水質(zhì)傳感裝置采集海水酸堿度、氧化還原電位以及濁度數(shù)據(jù)；利用溶解氧分析裝置采集海水中溶解氧濃度以及氧飽和度數(shù)據(jù)；通過光譜分析裝置采集海水光吸收系數(shù)；采用參數(shù)交互補償函數(shù)將所有參數(shù)輸入多元回歸模型，構(gòu)建海水綜合參數(shù)標(biāo)定模型；基于oceanparamnet模型和標(biāo)定模型對新采集的原始數(shù)據(jù)進行修正；對標(biāo)定后的數(shù)據(jù)進行異常值檢測；根據(jù)供電裝置反饋的電池電量狀態(tài)調(diào)整采樣頻率；周期性執(zhí)行自校準(zhǔn)程序。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海水參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，多參數(shù)水質(zhì)傳感裝置用于采集海水酸堿度、氧化還原電位以及濁度數(shù)據(jù)，溫鹽深探測裝置用于采集海水溫度、鹽度以及深度數(shù)據(jù)，溶解氧分析裝置用于采集海水中溶解氧濃度以及氧飽和度數(shù)據(jù)，光譜分析裝置用于采集海水光吸收系數(shù)、熒光強度以及色素濃度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲裝置用于存儲所有采集數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運行參數(shù)以及標(biāo)定模型，無線通信裝置用于系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸以及與上位機通信，供電裝置用于提供系統(tǒng)所需電能并監(jiān)測電池狀態(tài)，定位裝置用于確定系統(tǒng)部署位置以及深度剖面信息，時鐘同步裝置用于確保多點測量數(shù)據(jù)的時間一致性。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的海水參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，多參數(shù)水質(zhì)傳感裝置對水質(zhì)參數(shù)的采樣頻率為每分鐘1次，溫鹽深探測裝置的采樣頻率為每10秒1次，溶解氧分析裝置的采樣頻率為每30秒1次，光譜分析裝置的采樣頻率為每分鐘1次。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的海水參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，利用溫鹽深探測裝置沿水深方向進行剖面掃描，具體是采集不同深度處海水溫度、鹽度以及壓力數(shù)據(jù)，構(gòu)建溫鹽深三維結(jié)構(gòu)模型，識別溫躍層以及鹽躍層位置。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的海水參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，通過多參數(shù)水質(zhì)傳感裝置采集海水酸堿度、氧化還原電位以及濁度數(shù)據(jù)，采用三點校準(zhǔn)法補償溫度以及壓力對測量的影響，建立酸堿度與氧化還原電位關(guān)聯(lián)模型。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的海水參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，通過光譜分析裝置在400至700納米波長范圍內(nèi)采集海水光吸收系數(shù)、熒光強度以及色素濃度數(shù)據(jù)，應(yīng)用主成分分析法提取特征波長處吸收峰值，識別葉綠素濃度以及有色可溶性有機物含量。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的海水參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，參數(shù)交互補償函數(shù)的輸入?yún)?shù)包括溫度參數(shù)矩陣、鹽度參數(shù)矩陣、深度參數(shù)矩陣、光學(xué)特性參數(shù)矩陣以及化學(xué)特性參數(shù)矩陣，參數(shù)交互補償函數(shù)的輸出結(jié)果為海水參數(shù)校正系數(shù)矩陣。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的海水參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，參數(shù)交互補償函數(shù)采用分段非線性映射算法，首先計算各參數(shù)間的一階相關(guān)性系數(shù)，然后構(gòu)建二階交叉項影響矩陣，最后通過迭代最小二乘法求解最優(yōu)補償系數(shù)。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的海水參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，oceanparamnet模型的具體結(jié)構(gòu)為多層時序注意力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包含編碼器-解碼器雙路結(jié)構(gòu)和殘差連接機制，編碼器由三層雙向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)組成，每層包含128個神經(jīng)元，用于捕獲海水參數(shù)的時間序列特征；解碼器采用四層全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，神經(jīng)元數(shù)量分別為256、128、64和32，用于映射特征空間到參數(shù)校正空間。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的海水參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，oceanparamnet模型預(yù)訓(xùn)練過程中的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集建立的步驟包括：首先收集至少12個月覆蓋四個季節(jié)的海水參數(shù)連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)；然后按照地理位置和海洋環(huán)境特征將數(shù)據(jù)分類；接著對原始數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制；之后進行數(shù)據(jù)增強；最后構(gòu)建標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種海水參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)，屬于海水參數(shù)測量技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明利用溫鹽深裝置構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)模型識別躍層位置，多參數(shù)水質(zhì)傳感裝置采集數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)模型，溶解氧分析裝置結(jié)合溫鹽數(shù)據(jù)計算校正系數(shù)，光譜分析裝置提取特征識別化學(xué)成分。關(guān)鍵步驟是采用參數(shù)交互補償函數(shù)和OceanParamNet模型構(gòu)建海水綜合參數(shù)標(biāo)定模型，對原始數(shù)據(jù)進行修正并檢測異常值。系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)分層存儲和無線傳輸，動態(tài)調(diào)整采樣頻率和功耗，周期執(zhí)行自校準(zhǔn)程序補償傳感器老化漂移，實現(xiàn)海水參數(shù)的高精度自適應(yīng)標(biāo)定，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的海水多參數(shù)協(xié)同標(biāo)定精度低、環(huán)境適應(yīng)性差的技術(shù)問題。

技術(shù)研發(fā)人員：張國豪,李慶林,盧伍陽,李超遠(yuǎn),孫寧,王曉波
受保護的技術(shù)使用者：青島道萬科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8