CN102393196A - 一种海洋内波声学探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海洋内波声学探测方法，该发明用声学方法实现海洋内波参数的提取，即同时获取海洋中内波的振幅、周期、传播方向和传播速度等。用相控阵声纳测量海洋分层剖面中每个接收波束的海水反射信号强度和流速，对每个接收波束的不同深度海水反射信号强度和流速的分析，判别内波是否存在，一旦内波存在，启动内波信息提取处理，计算内波的振幅、周期、传播方向和传播速度。本发明有益的效果是：内波诱发出海水的强烈运动，是海上军事活动和海洋工程设施的重大安全隐患，并对海洋环境具有重要影响。海洋内波声学探测技术对开发海洋资源、维护国家海洋安全和推动海洋科技进步具有重大意义。
Description
技术领域
本发明属于海洋技术领域，主要是一种海洋内波声学探测方法。
背景技术
海洋内波探测(监测)和研究是海洋动力环境研究的重要内容，如何长期定点连续探测(监测)海洋内波是海洋内波研究的关键，目前，国际上监测海洋内波的非声学手段主要有以下几类：锚系仪器阵列观测、走航拖曳仪器观测、垂向下放仪器观测、中性浮子观测以及卫星遥感观测等。
海洋内波与声场的相互关系是一个十分重要的研究课题。内波是影响声学信道特征的重要因素，反之，受内波影响的声场也包含着海洋内波动力过程的信息。因此，使用声学方法将成为探测海洋内波的一种重要手段，越来越受到海洋科学家的重视。
海洋内波描述不仅需要内波的振幅，也需要有内波的波长、频率、内波的运动方向及波内海水质点的运动状态，发展能够比较全面检测内波各种参数的声学内波监测技术和设备是目前国际、国内内波探测技术的发展方向。
目前国内外海洋科学家用声学方法探测内波的设备主要方法有两种，一种是用现有的ADCP等设备，从ADCP测量的流速、回波信号强度等数据获取内波信息，另一种是研制专门的声学内波测量技术和设备，对海洋内波进行长期连续观察，据报道美国曾研制了一种工作频率为12kHz的声学潜标用于监测海洋内波的振幅。
发明内容
本发明的目的是用声学方法实现海洋内波参数的提取，即同时获取海洋中内波的振幅、周期、传播方向和传播速度等，而提供一种海洋内波声学探测方法。
本发明的机理：海水密度和流速可看成按深度分层分布的。在正常情况下，海水密度和流速在深度方向的分布不会发生明显变化，当海洋内波到来时，海水密度和流速在深度方向的分层结构随内波强烈起伏发生明显改变，海洋内波声学探测就是通过测量海水反射强度和流速在深度方向的变化，再利用内波信息提取技术，获得内波的振幅、周期、传播方向和传播速度。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：本发明采用的耐高压换能器基阵，海水微弱反射信号提取以及內波参数提取技术等，构成满足大深度海水剖面测量要求的海洋內波声学探测技术方案，这在所检索到的国内外相关专利中尚未见述及。
本发明所述的这种海洋内波声学探测方法，步骤如下：
(1)、利用定点布放于深海的相控换能器阵，形成JANUS结构的4个波束，用于测量各个分层水体的流速Vij和回波强度Iij；其中i＝1:4，j＝1:M，M为层数，Vij和Iij由信号处理板通过电缆传给辅助潜标上的内波信息提取板，并分别记录在信号处理板和内波信息提取板上；
(2)、辅助潜标上的内波信息提取板开始接收到采集数据后，由四个波束的流速通过下式计算出东向和北向流速；
Vnj＝V13jcosθ-V34jsinθ (1)
Vej＝V13jsinθ+V34jcosθ (2)
其中，V13j＝V1j-V3j，V24j＝V2j-V4j θ为航向角；
从第7个时刻起，动态预测与修正法开始平滑滤波，从第24时刻起组成24个数据的一个动态数据包，启动内波识别判断条件；当Vej随时间和深度的变化率分别大于某一域值时，认为有内波出现；
(3)、若动态数据包内检测到有内波，则以后每一时刻一直增加该动态数据包的数据数，直到检测到内波结束时刻或者超过90分钟硬性终止该内波的检测；
(4)、检测到内波结束时刻后，由kdv方程计算内波的振幅、周期、传播速度和方向角。
ut+αuux+βuxxx＝0 (3)
计算出内波周期、振幅、速度和方向角后，保存在数组中，并传输给卫星通信浮标，由卫星通信浮标发送至卫星，再通过岸基地卫星接收机接收卫星信号，解释出内波参数信息。
作为优选，水层厚度选择4--8米。
作为优选，所述的相控换能器阵是耐高压、大尺寸换能器基阵。
本发明有益的效果是：内波诱发出海水的强烈运动，是海上军事活动和海洋工程设施的重大安全隐患，并对海洋环境具有重要影响。内波探测技术对开发海洋资源、维护国家海洋安全和推动海洋科技进步具有重大意义。
附图说明
图1为系统的连接图；
其中1为重块，2为绳子，3潜标，4为长电缆，5为辅助潜标，6为短电缆，7为浮标。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
本发明所述的一种海洋内波声学探测方法，采用耐高压、大尺寸换能器基阵设计，大深度海水剖面水层流速测量，大深度海水剖面水层回波强度测量，以及利用测量的海水水层剖面进行內波参数提取技术。该发明用声学方法实现海洋内波参数的提取，即同时获取海洋中内波的振幅、周期、传播方向和传播速度等。用相控阵声纳测量海洋分层剖面中每个接收波束的海水反射信号强度和流速，对每个接收波束的不同深度海水反射信号强度和流速的分析，判别内波是否存在，一旦内波存在，启动内波信息提取处理，计算内波的振幅、周期、传播方向和传播速度。
这种海洋内波声学探测方法，具体步骤如下：
(1)、利用定点布放于深海的相控换能器阵(耐高压、大尺寸换能器基阵)，形成JANUS结构的4个波束，用于测量各个分层水体(水层厚度选择4--8米)的流速Vij和回波强度Iij；其中i＝1:4，j＝1:M，M为层数，Vij和Iij由信号处理板通过电缆传给辅助潜标上的内波信息提取板，并分别记录在信号处理板和内波信息提取板上；
(2)、辅助潜标上的内波信息提取板开始接收到采集数据后，由四个波束的流速通过下式计算出东向和北向流速；
Vnj＝V13jcosθ-V34jsinθ (1)
Vej＝V13jsinθ+V34jcosθ (2)
其中，V13j＝V1j-V3j，V24j＝V2j-V4j θ为航向角；
从第7个时刻起，动态预测与修正法开始平滑滤波，从第24时刻起组成24个数据的一个动态数据包，启动内波识别判断条件；当Vej随时间和深度的变化率分别大于某一域值时，认为有内波出现；
(3)、若动态数据包内检测到有内波，则以后每一时刻一直增加该动态数据包的数据数，直到检测到内波结束时刻或者超过90分钟硬性终止该内波的检测；
(4)、检测到内波结束时刻后，由kdv方程计算内波的振幅、周期、传播速度和方向角。
ut+αuux+βuxxx＝0 (3)
计算出内波周期、振幅、速度和方向角后，保存在数组中，并传输给卫星通信浮标，由卫星通信浮标发送至卫星，再通过岸基地卫星接收机接收卫星信号，解释出内波参数信息。
如附图1所示，布放前根据水深，确定绳子2的长度，先将重块吊入水中，之后吊入潜标，依次吊入辅助潜标和浮标。当深度大于等于400米时，潜标启动，其系统工作过程如下：
1，潜标通过读取深度传感器的数据来控制系统的工作与否，当深度超过400米时，系统启动，发射M序列信号，同时接收水层回波，解算4个波束的速度，将速度、回波信号强度记录存储。
2，潜标解算出的四个波束的速度信息传输给辅助潜标，由辅助潜标进行东向、北向流速的计算，以及内波参数的估算。
3，辅助潜标计算出的内波参数传送给浮标。
4，浮标把参数信息发给卫星。
5，通过卫星接收机接收卫星信号，并解算出内波参数及潜标的所处的深度。
最后应说明，以上实例仅用以说明本发明的技术方案并且不限与此，而是在应用上可以延伸到其它的修改，变化，应用，并且认为所有这样的修改，变化，应用，实施实例都在本发明的精神和范围内。
Claims (3)
1.一种海洋内波声学探测方法，其特征是：该方法步骤如下：
(1)、利用定点布放于深海的相控换能器阵，形成JANUS结构的4个波束，用于测量各个分层水体的流速Vij和回波强度Iij；其中i＝1:4，j＝1:M，M为层数，Vij和Iij由信号处理板通过电缆传给辅助潜标上的内波信息提取板，并分别记录在信号处理板和内波信息提取板上；
(2)、辅助潜标上的内波信息提取板开始接收到采集数据后，由四个波束的流速通过下式计算出东向和北向流速；
Vnj＝V13jcosθ-V34jsinθ (1)
Vej＝V13jsinθ+V34jcosθ (2)
其中，V13j＝V1j-V3j，V24j＝V2j-V4j θ为航向角；
从第7个时刻起，动态预测与修正法开始平滑滤波，从第24时刻起组成24个数据的一个动态数据包，启动内波识别判断条件；当Vej随时间和深度的变化率分别大于某一域值时，认为有内波出现；
(3)、若动态数据包内检测到有内波，则以后每一时刻一直增加该动态数据包的数据数，直到检测到内波结束时刻或者超过90分钟硬性终止该内波的检测；
(4)、检测到内波结束时刻后，设开始时刻为tb，结束时刻为te，则内波周期T＝te-tb，内波结束后检测内波的上边缘h0和下边缘h1，则内波的振幅H＝h1-h0；同时，由(3)式的kdv方程计算内波的传播速度和方向角：
ut+αuux+βuxxx＝0 (3)
其中α，β为常数，u是波速；
计算出内波速度和方向角后，和周期、振幅保存在数组中，并传输给卫星通信浮标，由卫星通信浮标发送至卫星，再通过岸基地卫星接收机接收卫星信号，解释出内波周期、振幅、速度和方向角。
2.根据权利要求1所述的海洋内波声学探测方法，其特征是：水层厚度选择4--8米。
3.根据权利要求1所述的海洋内波声学探测方法，其特征是：所述的相控换能器阵是耐高压、大尺寸换能器基阵。
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