一种多发多收式声学测量海洋内波方法技术

本发明专利技术涉及一种多发多收式声学测量海洋内波方法，该方法通过内波测量装置发射不同频段的声波信号，测量各个频段声波在海水中的垂向传播时间，在去除背景环境因素影响后得到回声时间扰动，并结合内波动力学性质，建立回声时间扰动与内波振幅的关系，从而获取内波引起的全水深温度、盐度、流速等关键水文参数的变化，进而达到海洋内波观测的目的。本发明专利技术可以广泛用于海洋内波观测，特别是深海内波观测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种海洋内波测量方法，特别是关于。
技术介绍
海洋内波是海水内部由于垂直方向密度不同而形成的界面波。由于海洋中密度小的海水在上面，密度大的在下面，因此在垂直方向存在明显的密度分层。外部环境的扰动，如潮汐、风等因素的干扰，会导致密度分层的等密面上激发相应的波动，也即内波。观测手段是制约现代内波研究发展的主要因素之一。卫星观测虽然可以给出大范围水平图像，但它不能对海水内部结构进行直接、连续的观测，且其反演技术受云量、降水、海表风等外部环境因素限制较大；而潜标等锚定观测存在造价高、风险大、安装难度大的缺点；此外，走航观测不能获得瞬时大面资料。与上述三种方式相比，声波在海水中具有传播距离远、耗散小、承载信息丰富等优点，因此是现今比较先进有效的观测手段之一。目前，国内外声学测量内波的方法主要包括以下三种1)声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、声学多普勒流速剖面仪(ADV)等利用高频声波的多普勒效应测量内波，以在局部范围内得到高精度的内波流速，但由于高频声波在海水中衰减较快，因此测量范围有限。2)声层析和地震方法，通过测量声波在海水中的传播特性，利用逆方法反演内波，但它通常花费较大，且不适合长期观测。3)用美国罗德岛大学专利技术的倒置回声测深仪Inverted Echo Sounder观测内波,但它只能定时发射单频声波，在大洋环流等慢变现象的观测中应用较广，却不适合测量快速演变的内波，且其反演技术是基于经验方法。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供，该方法通过发射中频声波现场 来观测内波，能够有效克服传统内波观测中存在的花费较大、观测范围较小和观测变量单一等缺点。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案，其包括以下步骤1)将安装有内波测量装置的浮力舱放于海底，换能器垂直向上朝向海面；2)同步发射预设的m个频段的声学信号；3)接收返回的声学信号，并分别记录各频段声学信号的回声时间Iti' }，i=l，2，…，m;4)确定去除背景环境影响的回声时间4.1)将步骤3)的回声时间去除因潮汐海平面起伏所造成的回声时间变化的硬性，获得去除潮汐影响后的回声时间ItJ，i=l，2，…，m;4. 2)去除潮汐影响后的回声时间{tj，i=l，2，…，m满足下式Rayleigh概率分布本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多发多收式声学测量海洋内波方法，其包括以下步骤：1）将安装有内波测量装置的浮力舱放于海底，换能器垂直向上朝向海面；2）同步发射预设的m个频段的声学信号；3）接收返回的声学信号，并分别记录各频段声学信号的回声时间{ti′}，i=1,2,…,m；4)确定去除背景环境影响的回声时间：4.1）将步骤3）的回声时间去除因潮汐海平面起伏所造成的回声时间变化的硬性，获得去除潮汐影响后的回声时间{ti}，i=1,2,…,m；4.2）去除潮汐影响后的回声时间{ti}，i=1,2,…,m满足下式Rayleigh概率分布：y=x-t0b2exp[-(x-t0)22b2]上式中，b为Rayleigh分布曲线的宽度，t0为不存在粗糙海平面和海洋噪声影响的回声时间，其大小通过对去除潮汐影响后的回声时间{ti}，i=1,2,…,m做非线性拟合确定；5）建立回声时间扰动时间序列：5.1）重复执行步骤2）～4）连续观测n次后，获得n个去除潮汐、粗糙海平面和海洋噪声影响的回声时间，构成去除背景环境影响回声时间的时间序列{t0j}，j=1,2,…,n；5.2）将{tj0}，j=1,2,…,n去除其平均值，获得相应的回声时间扰动时间序列{τj}，j=1,2,…,n；6）通过现场测量或分析历史数据获取当地海区背景温度T、背景盐度S随海水深度z的变化情况，根据海水状态方程求解背景密度场将其代入下式计算浮力频率N：N2=-gρ0dρ-(z)dz上式中，g为重力加速度，ρ0为定常的密度参数；7）将步骤6）获得的浮力频率N代入以下正交模态方程，通过求解方程特征值确定内波垂直结构模态Φ：dΦdz+N2-ω2c2Φ=0上式中，ω为内波频率，c为内波波速；8）建立内波振幅与回声时间扰动的关系：8.1）基于步骤6）中的提供的背景温度T、背景盐度S条件，假设一内波振幅为A，其引起的温度剖面Tiw和盐度剖面Siw由下式确定：Tiw=T+dTdz×Φ×ASiw=S+dSdz×Φ×A8.2）基于步骤8.1）所获得的温度剖面Tiw、盐度剖面Siw，利用海水声速方程确定声速随海水深度z的分布ciw(z)，将其代入下式计算相应的回声时间t″：t′′=∫-H02ciw(z)dz上式中，H是浮力舱到海表的距离；8.3）基于步骤6）中的背景温度T和背景盐度S，利用海水声速方程确定声速随海水深度z的分布ciw0(z)，将其代入下式计算无内波状态下的回声时间t0″：t0′′=∫-H02ciw0(z)dz上式中，H是浮力舱到海表的距离；8.4）将步骤8.2）～8.3）确定的两回声时间t″和t0″代入回声时间扰动的定义式τ=t″?t0″，从而获得当地海区回声时间扰动τ和内波振幅A的关系：A=A(τ)8.5)已知步骤5）测量的回声时间扰动为时间序列{τj}，j=1,2,…,n，根据步骤8.4）确立的回声时间扰动τ和内波振幅A的映射关系，获得对应的内波振幅时间序列为{Aj}，j=1,2,…,n；9）根据步骤8.5）获得的内波振幅时间序列为{Aj}，j=1,2,…,n，通过下式得出相应的温度{Tj}、盐度{Sj}、流速(uj,wj)剖面的变化：Tj=T+dTdz×Φ×AjSj=S+dSdz×Φ×Ajuj=c×Aj×dΦdzwj=Φ×dAjdt上式中，uj为水平流速，wj为垂直流速。FDA00002662442400012.jpg...

【技术特征摘要】
1.一种多发多收式声学测量海洋内波方法，其包括以下步骤 1)将安装有内波测量装置的浮力舱放于海底，换能器垂直向上朝向海面； 2)同步发射预设的m个频段的声学信号；3)接收返回的声学信号，并分别记录各频段声学信号的回声时间Iti'}，i=l，2^-,m ； 4)确定去除背景环境影响的回声时间 . 4.1)将步骤3)的回声时间去除因潮汐海平面起伏所造成的回声时间变化的硬性，获得去除潮汐影响后的回声时间ItJ，i=l, 2，-,m；.4.2)去除潮汝影响后的回声时间{tj , i=l, 2，…，m满足下式Rayleigh概率分布2.如权利要求1所述的一种多发多收式声学测量海洋内波方法，其特征在于所述步骤4.1)中，利用高精度压力传感器检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：