一种沿海声层析测流方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种沿海声层析测流方法和系统；包括：沿海域依次设置n个数据采集点；n个数据采集点两两之间互收发声信号采集互相关数据；通过采集的流域数据以及声波的互易传输、声学多普勒效应建立两点间的流场，通过采集的互相关数据以及NRLⅡ声速经验公式建立两点间的温度场；通过两点间的二维流场和温度场数据建立海域整体的二维流场和温度场。本发明专利技术基于声波的互易传输理论和声学多普勒效应，在沿海海域放置n个数据采集点，每一数据采集点都有接收和发射宽带声信号的功能，两两之间通过海洋声传播信道进行声波通信，通过测量顺流和逆流的声信号传播时间，反演海域温度场和流场信息达到对测量区域及其相关区域的水文信息实时监测的功能。息实时监测的功能。息实时监测的功能。

【技术实现步骤摘要】
一种沿海声层析测流方法和系统


[0001]本专利技术涉及海域声层析测流
，尤其涉及一种沿海声层析测流方法和系统。

技术介绍

[0002]每年因气候变化导致的极端水文事件频发，台风、暴雨、洪水等造成严重的人员和经济损失。一个有效稳定的流速流量和温度实时监测监控对于沿海生态环境保护、污染治理以及水文灾害的预警预报具有重要意义。系统实时监测，预警信息及时，才能使可能受灾区域能够及时采取措施、最大限度地减少人员和财产损失。
[0003]而现有的流速流量测量技术存在无法满足长距离实时监测的技术瓶颈。比如，ADCP(声学多普勒流速剖面仪)存在测量盲区，不能测量长距离水域流量，且易受渔业及航运的影响，在强降雨、洪峰、台风等极端天气下，测量实施困难，也无法实时进行测量；传统工业超声仪表衰减大、测量距离短且有严格指向性安装要求,难以应用于数千米的面流量流速测量，且无法对流速进行实时测量；雷达波只能测表面流速，数据代表性差，也无法进行实时测量。
[0004]沿海海域现有的温度监测技术无法做到实时地监测大范围海域的温度变化。比如，温盐深仪(CTD)，只能测量小范围的水温，不能代表海域的平均温度；走航式测量易受渔业及航运影响，极端天气下难以实施。
[0005]因此，需要突破现有技术瓶颈，如何准确地对沿海大面积海域的流场和温度场进行实时监测成为现在很多海洋专家学者普遍关注的一个热点问题。
[0006]声波在海洋中的传播损失相比于电磁波等是非常小的，是海洋中进行远距离传播的最优选择，声波在海洋信道中的传播会携带着海洋信道的温度和流速等特征信息，且对这些特征的实时变化十分敏感。申请号CN201210073119的现有申请公开了一种声学二维流场测量系统及方法，将观测数据记录到SD卡上存储起来，故无法做到实时回传流场信息，且无法对流域的二维温度场进行监测。针对上述的现有技术存在的问题提出一种可以实时连续地对沿海二维流场和温度场进行监测的方法和系统是本专利技术研究的目的。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种沿海声层析测流方法和装置以及设备，能够实现通过声波实现了对沿海区域二维流场和温度场实时连续监测。
[0008]根据本专利技术的一个方面，提供一种沿海声层析测流方法，包括：
[0009]沿海域依次设置n个数据采集点；
[0010]n个数据采集点两两之间互收发声信号采集互相关数据；
[0011]通过采集的互相关数据以及声波的互易传输、声学多普勒效应建立两点间的流场，通过采集的互相关数据以及NRLⅡ声速经验公式建立两点间的温度场；
[0012]通过两点间的二维流场和温度场数据建立海域整体的二维流场和温度场。
[0013]上述技术方案，本专利技术基于声波的互易传输理论和声学多普勒效应进行设计测流系统，n个数据采集点布置完成后可全天候地对覆盖海域进行实时监测，精确度高，具有非常大的应用前景和价值，对沿海海域的水文灾害预警等具有很大促进作用。
[0014]在一些实施例中，所述n个数据采集点两两之间直线间距为1.71km
‑
11.49km。
[0015]在上述技术方案中，数据点间隔的限制有助于数据能够良好互通。
[0016]在一些实施例中，所述n个数据采集点等间距设置。
[0017]在一些实施例中，第i(i为整数且1≤i≤n)个数据采集点产生声信号，通过功率放大后发射声信号；其余数据采集点接收声信号后进行放大滤波并与第i个数据采集点的发射信号做互相关，获得每个采集点之间的互相关数据并保存。
[0018]在上述技术方案中，通过对数据采集点间声信号互收发功率的调整，达到对待测区域的全天候实时远近测量。
[0019]在一些实施例中，所述互相关数据包括测量时间、互相关波形、最大互相关峰值、最大互相关峰位置、最大互相关峰传播时间。
[0020]在上述技术方案中，互相关波形可用于直观判断是否接收到声信号以及互相关峰位置是否稳定，最大互相关峰值可体现当前测量时间的最大互相关峰尖锐程度，可判断该时间是否真实接收到信号。最大互相关峰传播时间即为声信号传播时间。
[0021]在一些实施例中，所述声信号传播时间通过如下步骤计算：
[0022]第i(i为整数且1≤i≤n)个数据采集点产生声信号，通过功率放大后发射声信号；其余数据采集点接收声信号后进行放大滤波并与第i个数据采集点的发射信号做互相关；通过互相关算法获得最大互相关峰位置，根据互相关函数的性质，其与采样率的比值即为从发射数据采集点至接收数据采集点的方向上的声信号传播时间。
[0023]所述互相关算法公式为：
[0024][0025]上式中，x(n)为接收信号，y(n)为发射信号，N为信号长度，m为信号的偏移量。
[0026]所述通过互相关算法求解任意两数据采集点A和B之间双向声传播时间T
+
、T
‑
，具体的：
[0027]假设数据采集点A发射B接收为正向，则A接收B发射为负向。取两数据采集点间信号正向发射的时刻为0，根据互相关函数的性质，若使得互相关函数R
xy
(m)取得最大值的偏移量为m
0+
，即信号正向传播时互相关波形中的最大相关峰位置，则传播时间为
[0028]T
+
＝m
0+
/f
s
[0029]式中，f
s
为采样率，同理，信号的负向传播时间为：
[0030]T
‑
＝m0‑
/f
s
。
[0031][0032]在上述技术方案中，利用了互相关函数的数学性质，时间分辨率可高达1/f
s
，与所设置的采样率有关。如设置的采样率为360kS/s,则时间分辨率可达约2.78μs。
[0033]在一些实施例中，所述二维流场反演原理如下：
[0034]假定任意两个数据采集点A和B的间隔为L，两个数据采集点之间的双向声传播时
间T
±
为：
[0035][0036]式中，u为两数据采集点连线方向上的平均流速，l
+
和l
‑
分别指声信号在两个站点之间的正向和负向传播路径长度，δc为声速扰动，为平均声速；声速扰动δc远小于平均声速并且有l
+
≈l
‑
≈L，上式可以简化为：
[0037][0038]对上式进行平均声速和平均流速的提取，得到的计算公式为：
[0039][0040][0041]对n个数据采集点两两之间的流场反演后，即得到n个数据采集点所围海域的二维流场。
[0042]在上述技术方案中，流场反演是基于声波的互易传输理论和声学多普勒效应。在沿海海域放置n个数据采集点，每一数据采集点都有接收和发射宽带声信号的功能，两两之间通过海洋声传播信道进行声波通信，通过测量顺流和逆流的声本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种沿海声层析测流方法，其特征在于，包括：沿海域依次设置n个数据采集点；n个数据采集点两两之间互收发声信号采集互相关数据；通过采集的流域数据以及声波的互易传输、声学多普勒效应建立两点间的二维流场，通过采集的互相关数据以及NRLⅡ声速经验公式建立两点间的温度场；通过两点间的二维流场和温度场数据建立海域整体的二维流场和温度场。2.如权利要求1所述的一种沿海声层析测流方法，其特征在于，n个数据采集点两两之间互收发声信号采集互相关数据，具体地：第i(i为整数且1≤i≤n)个数据采集点产生声信号，通过功率放大后发射声信号；其余数据采集点接收声信号后进行放大滤波并与第i个数据采集点的发射信号做互相关，获得每个采集点之间的互相关数据并保存。3.如权利要求1或2所述的一种沿海声层析测流方法，其特征在于，所述互相关数据包括测量时间、互相关波形、最大互相关峰值、最大互相关峰位置、最大互相关峰传播时间。4.如权利要求3所述的一种沿海声层析测流方法，其特征在于，所述最大互相关峰传播时间通过如下步骤计算：第i(i为整数且1≤i≤n)个数据采集点产生声信号，通过功率放大后发射声信号；其余数据采集点接收声信号后进行放大滤波并与第i个数据采集点的发射信号做互相关；通过互相关算法获得最大互相关峰位置，根据互相关函数的性质，其与采样率的比值即为从发射数据采集点至接收数据采集点的方向上的声信号传播时间。5.如权利要求4所述的一种沿海声层析测流方法，其特征在于，所声信号传播时间公式为：上式中，x(n)为接收信号，y(n)为发射信号，N为信号长度，m为信号的偏移量；通过互相关算法求解任意两数据采集点A和B之间双向声传播时间T
+
、T
‑
，具体的，假设数据采集点A发射B接收为正向，则A接收B发射为负向；取两数据采集点间信号正向发射的时刻为0，根据互相关函数的性质，若使得互相关函数R
xy
(m)取得最大值的偏移量为m
0+
，即信号正向传播时互相关波形中的最大相关峰位置，则传播时间为T
+
＝m
0+
/f
s
式中，f
s
为采样率，T
+
为信号的正向传播时间；同理可得负向传播时间T
‑
T
‑
＝m0‑
/f
s
。6.如权利要求5所述的一种沿海声层析测流方法，其特征在于，所述二维流场建立方式如下：假定任意两个数据采集点A和B的间隔为L，两个数据采集点之间的连线与待测水域流向的夹角为θ，两个数据采集点之间的双向...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇，俞晓牮，肖朕，林少川，杨晨，彭旭名，
申请(专利权)人：闽南师范大学，
类型：发明
国别省市：