一种现场紫外荧光传感器的cdom处理方法
阅读说明：本技术 一种现场紫外荧光传感器的cdom处理方法 (CDOM processing method of on-site ultraviolet fluorescence sensor ) 是由 赵玮宁 宋贵生 聂红涛 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种现场紫外荧光传感器的CDOM处理方法,包括下列步骤：数据获取：将紫外荧光传感器搭载在温盐深仪CTD上,设置CTD的输出变量,把CTD放入水域中进行测试；数据转换；数据质量控制：包括：CDOM测量值可能突然出现异常高值,需要在处理数据时进行去尖峰；数据平均：CTD上的深度数据与CDOM数据是一一对应的,根据分析的需要,将一定深度范围的CDOM数据进行滑动平均。(The invention relates to a CDOM processing method of an on-site ultraviolet fluorescence sensor, which comprises the following steps: data acquisition: carrying an ultraviolet fluorescence sensor on a thermohaline depth meter (CTD), setting an output variable of the CTD, and putting the CTD into a water area for testing; data conversion; and (3) data quality control: the method comprises the following steps: CDOM measurements can suddenly appear abnormally high, requiring de-spiking while processing data; data averaging: the depth data on the CTD is in one-to-one correspondence with the CDOM data, and the CDOM data in a certain depth range is subjected to moving average according to the analysis requirement.)
技术领域
本发明属于海洋科学领域，具体涉及一种搭载在Sea-Bird 911plus温盐深仪(Conductivity Temperature Depth，CTD)上的紫外荧光传感器(Seapoint UltravioletFluorometer，简称SUVF) 测得的CDOM数据处理方法。
背景技术
溶解有机物(Dissolved Organic Matter，DOM)是一类成分复杂的混合物，其来源与迁移转化过程影响着水体中碳的储存能力与输运过程，在全球碳循环的生物地球化学模块中扮演着重要的角色。DOM中吸收紫外光和可见光谱的组分称为有色溶解有机物(Chromophoric DOM，CDOM)，其中吸光后可发射荧光的物质称为荧光溶解有机物(Fluorescent DOM， FDOM)。CDOM在海洋环境中普遍存在，影响水柱的光学性质，可以用来追踪DOM生物地球化学循环过程。SUVF是一种高性能、低功耗的荧光物质现场测量传感器，测量范围包括CDOM、原油和紫外荧光染料等，它的体积小，能耗低，灵敏度高，动态范围宽，能在6000米深度作业，在各种条件下操作该传感器不使用化学试剂，能够提供精确、实时和连续的CDOM荧光数据，是研究人员进行海洋生物化学研究，原油检测，水质检测等方面的得力助手。
发明内容
本发明提供的目的是提供一种现场紫外荧光传感器的CDOM处理方法。此方法主要是将数量较大、有奇异值的原始数据处理成一定深度范围平均、顺滑的数据。对处理后的数据进行分析，可以了解海洋中CDOM的时空分布特征。本发明所采用的技术方案如下：
一种现场紫外荧光传感器的CDOM处理方法，包括下列步骤：
1)数据获取：将紫外荧光传感器搭载在温盐深仪CTD上，设置CTD的输出变量，把CTD放入水域中进行测试；
2)数据转换：将仪器测量的深度、温盐、CDOM原始数据转换为可以用Matlab处理的格式；
3)数据质量控制：包括：
由于采样频率引起的误差可能会导致CDOM测量值可能出现0值，需要在处理数据时将0值重新赋值为nan；
CDOM测量值可能出现负值，需要在处理数据时将负值重新赋值为0；
在观测过程中，CDOM测量值可能突然出现异常高值，需要在处理数据时进行去尖峰，方法如下：尖峰是基于标准偏差的倍数而定的，首先计算CDOM剖面在对应时间上的一阶导数与导数的局部标准差，若这二者的比值超过某一设定阈值则认定存在尖峰，然后用尖峰两端的CDOM的平均值代替。
4)数据平均：CTD上的深度数据与CDOM数据是一一对应的，根据分析的需要，将一定深度范围的CDOM数据进行滑动平均。
数据平均具体流程如下：第一，将CTD的深度数据处理成δm平均的数据，得到对应每δm的起始时刻；第二，按照起始时刻，找到对应时间段的CDOM时间序列，对其进行平均后就得到了δm平均的CDOM剖面数据。
本发明基于搭载在CTD上的SUVF，提供了一种对其测得的现场CDOM数据处理方法，实现了对CDOM数据的获取、转化、质量控制与平均，充分考虑了观测前的准备工作、仪器下放前的感温、探头周围出现的干扰因素、采样频率引起的误差等等，大大缩短了用于处理数据的时间，形成了规范化的数据处理流程，显著提高了工作效率，为后续分析海洋中的CDOM的分布特征提供了规范的、处理过误差的现场观测的CDOM数据。
附图说明
图1基于搭载在Sea-Bird 911plus CTD上的紫外荧光传感器的CDOM数据处理方法流程图；
图2 CDOM数据处理过程：(a)观测深度随时间序列的变化，黑色粗线为截取的数据； (b)处理后的CDOM随深度的变化。
具体实施方式
基于搭载在Sea-Bird 911plus温盐深仪(Conductivity Temperature Depth，CTD)上的紫外荧光传感器，本发明提供了一种对其测得的CDOM数据处理方法。这个方法主要是将数量较大、有奇异值的原始数据处理成一定深度范围平均、顺滑的数据，进而形成规范的处理紫外荧光传感器测得的CDOM数据流程。对处理后的数据进行分析，可以了解海洋中CDOM 的时空分布特征。
本发明所采用的技术方案(图1)是：
1、数据获取：在海洋观测之前，首先需要将SUVF安装到Sea-Bird 911plus CTD上，其次需要设置CTD的输出变量，最后需要把CTD放入水中进行测试，确认仪器工作状态良好，满足观测要求。将船航行到指定站位，保证下放仪器的船侧迎风，使用船载机械臂缓慢匀速地将CTD架子进行投放和收回，保证数据有效且稳定。
2、数据转换：利用CTD自带的专业软件将仪器测量的深度、温盐、CDOM等原始数据转换为可以用Matlab处理的.cnv格式；
3、数据质量控制：第一，由于CTD在下放前需要在海面以下感温～2分钟，使仪器开始工作，需要在处理数据时将这部分数据删除；第二，由于采样频率引起的误差可能会导致CDOM测量值可能出现0值，需要在处理数据时将0值重新赋值为nan；第三，由于在观测过程中探头周围可能会有气泡或其他因素的影响，CDOM测量值可能出现负值，需要在处理数据时将负值重新赋值为0；第四，在观测过程中，CDOM测量值也可能突然出现异常高值，需要在处理数据时进行去尖峰。尖峰是基于标准偏差的倍数去定的，首先计算CDOM 剖面在对应时间上的一阶导数与导数的局部标准差，若这二者的比值超过某一设定阈值则认定存在尖峰，然后用尖峰两端的CDOM的平均值代替。原理公式如下：
其中，i为CDOM剖面的数据序列，ti为对应位置的时刻，ci为SUVF测得的对应位置的CDOM数据，Si为对应时间的CDOM一阶导数，STD为该剖面的数据对应时间一阶导数的标准差。若CDOM一阶导数的绝对值大于一阶导数的标准差的某个倍数，即|Si|>α× STD，其中α为参数，就可以判断该CDOM数据随时间存在突变。删除突变的CDOM数据后，用线性差值的方法进行补充。
4、数据平均：CTD上的深度数据与CDOM数据是一一对应的，根据分析的需要，可将一定深度范围的CDOM数据进行滑动平均，如间隔0.2m、0.5m、1.0m等，便于对数据进行深入分析。具体流程如下：第一，将CTD的深度数据处理成δm平均的数据，得到对应每δm的起始时刻；第二，按照起始时刻，找到对应时间段的CDOM时间序列，对其进行平均后就得到了δm平均的CDOM剖面数据。
下面结合2019年现场观测数据对本发明进一步说明。
1、数据获取：在海洋观测之前，首先将SUVF安装到Sea-Bird 911plus CTD上，其次将CDOM添加到CTD的输出变量，最后把CTD放入水中进行测试，确认仪器工作状态良好，满足观测要求。将船行驶到预设站位，保证下放仪器的船侧迎风，使用船载机械臂缓慢匀速地将CTD架子进行投放和收回，保证数据有效且稳定。
2、数据转换：利用CTD自带的专业软件将仪器测量的深度、温盐、CDOM等原始数据转换为可以用Matlab处理的.cnv格式；
3、数据质量控制：第一，将感温阶段的数据删除，选择下行数据(图2a)；第二，将由于采样频率引起CDOM的0值重新赋值为nan；第三，将CDOM的负值重新赋值为0；第四，将观测过程中CDOM测量值出现的突起进行去尖峰处理。尖峰是基于标准偏差的倍数去定的，首先计算CDOM剖面在对应时间上的一阶导数与导数的局部标准差，若这二者的比值超过某一设定阈值则认定存在尖峰，然后用尖峰两端的CDOM的平均值代替。
4、数据平均：将间隔2m的CDOM数据进行滑动平均。具体流程如下：第一，将CTD 的深度数据处理成2m平均的数据，得到对应每2m的起始时刻；第二，按照起始时刻，找到对应时间段的CDOM时间序列，对其进行平均后就得到了2m平均的CDOM剖面数据。