CN109738344B - 一种基于声衰减的入海口悬浮泥沙浓度实时测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声衰减的入海口悬浮泥沙浓度实时测量方法，包括在入海口布置水下声信号发送端和接收端，计算声衰减，计算悬浮泥沙造成的声学衰减扰动，迭代计算悬浮泥沙浓度的步骤。本发明覆盖区域广、可扩展性高、获取的参数在空间上更连续、检测实时性好、测量精度高。本发明采用声传播技术进行测量，比光、电磁波等方式性能更优，更具发展和应用潜力。

Description

一种基于声衰减的入海口悬浮泥沙浓度实时测量方法

技术领域

本发明涉及海洋观测技术领域，尤其是海洋悬浮泥沙测量技术领域，更具体地，涉及一种基于声衰减的入海口悬浮泥沙浓度实时测量方法。

背景技术

现在江河入海口中，大量的悬浮泥沙被输送入海，使得附近海域海水浑浊。泥沙输送量的大小和变化对于水质、水底地形等变化发展起到重要作用，也影响着海水中生态系统的变化，同时也会影响人类对沿海的利用和建设。在潮汐、水体流动的作用下，泥沙不断上浮、迁移、沉降，对于港口、水利、河海岸工程影响很大。泥沙的迁移过程一直受到学者的关注，江河入海口处输送的泥沙量，以及泥沙在海中的分布和运动过程等问题，使用现有的海洋观测技术还不能满足需要。

同时，在江河入海口附近水域中，大量的泥沙使得声呐探测性能受到影响。悬浮泥沙使声波产生衰减、散射，同时造成声波在幅度和相位上随机起伏，造成声呐探测范围、探测精度受限。因此，加强对于观测入海口泥沙输送浓度变化技术的研究，对于现有海洋探索、资源利用、海洋建设具有重要意义。

现有的悬浮泥沙测量技术多使用声学多普勒流速剖面仪或光学散射方法。声学多普勒流速剖面仪根据悬浮泥沙对声波的反向散射能量大小来测量海水中悬浮泥沙的浓度，但此种方法在测量时只能获取有限空间内的数据，可以看作是一个采集点。针对这一缺点，通常使用船拖曳的方式获取水平方向大范围的数据，但信息缺失了时间连续性。也有设计出原点采集的方式，即将设备投入水中，设备定时采集浓度数据并存储，几天后再取出，读取数据，这种方式虽具有时间上的连续性，但是采集只是固定空间点上的数据。

另一方面，声波在悬浊液中传播时，颗粒物与流体发生相对运动，发生粘滞吸收和散射等现象，造成声波在传播方向上的能量衰减。依靠声波衰减幅度与悬浮泥沙浓度的关系，可以成为海水中悬浮泥沙浓度检测的一种有效方法。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种覆盖区域广、可扩展性高、在空间上更连续、检测实时性好、测量精度高的入海口悬浮泥沙浓度实时测量方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种基于声衰减的入海口悬浮泥沙浓度实时测量方法，包括以下步骤：

步骤1：在入海口布置水下信号发送端和接收端；具体包括：

在检测区域距离1000m的位置分别布置水下换能器和阵元传感器接收阵列做为发送端和接收端，在发送端发送频率范围在50KHz-500KHz的窄带信号，接收端阵元接收探测信号。

步骤2：发送和接收声探测信号，基于被动时间反转技术，消除水下信道的多径效应，计算声衰减；

这一步骤使用时间反转法，使传播的信号具有聚焦性，对抗信号多径的影响；事实上，在接收阵元表达式下，时间反转信道近似于aδ(t)，即接收信号逼近发送信号，其中a是信道作用下信号幅值衰减系数。经时间反转处理后，最终接收到的信号与原本发送的信号有几乎相同的波形，但存在能量的衰减。计算接收端接收的信号与发送端信号幅值的比值，可得到的声传播衰减系数值。

步骤2的具体过程如下：

依次发送探测信号P(t)和S(t)，利用阵元传感器接收声探测信号，信号经过水下信道之后，第j号接收阵元接收到的信号分别为：

所述的h_j(t)代表第j号接收阵元与发送机之间的通信信道；

将接收阵元接收到的信号P_rj(t)作为预处理器与S_rj(t)卷积运算，则第j号阵元接收到的信号为：

接收阵元总的接收信号为：

计算接收信号R(t)与发送信号S(t)的幅值之比，做为信号衰减系数α_R，公式为：

其中r是发送端到接收端距离。

步骤3：根据传播衰减扰动模型和经验公式计算悬浮泥沙造成的声学衰减扰动；事实上，这一步处理的依据是：声信号在水中传播时，会受到水体各种衰减因素的影响，造成声强度随距离大幅降低。造成衰减的原因主要分成三个部分：(1)扩展损失。由于声波在传播过程中，波面不断扩展，引起声强的衰减，也叫做几何衰减。(2)吸收损失。在不均匀介质中，由于介质粘滞吸收、热传导、弛豫过程引起的声强衰减，也叫做物理衰减。(3)散射损失。溶液中存在泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子，以及溶液本身的密度不均匀，都会使声波散射造成声强衰减。在海水中，声吸收衰减主要是海水的吸收和泥沙的粘滞吸收。

于是，声信号在海水中的传播衰减模型为：

α＝α_g+α_w+α_s

其中α_g、α_w、α_s分别代表扩展损失、海水吸收、悬浮泥沙造成的吸收和散射衰减。

步骤3具体包括：利用经验公式计算海水吸收作用下声强衰减的系数：

所述f是信号频率，由发送端控制并提供具体值；p是水压强，与声传播路径的深度h、海水密度ρ_w有关，计算式为p＝hgρ_w，其中g是重力常数；f_T是弛豫频率，与海水温度T，以及盐度S有关，

其中海水盐度S和温度T需要通过测量手段获得；

利用经典公式计算柱面波传播情况下传播扩散造成的衰减值：α_g＝20log₁₀r，所述的r是发送端到接收端的距离，通过声波在发送和接收端之间的走时时间获得；

计算海水中大量泥沙造成的声传播衰减扰动A＝α_R-α_g-α_w。

步骤4：构建悬浮泥沙浓度与声衰减扰动的关系式，通过迭代计算悬浮泥沙浓度。这一步的处理依据在于：自然界中，海水中漂浮的泥沙颗粒半径大小不是固定的，且颗粒半径的大小对于衰减有十分重要的影响。故本发明使用统计学理论，假设泥沙颗粒粒径分布服从指数高斯分布，从而逼近现实环境中颗粒半径与数量关系的分布规律：

其中

是等效径值，和a的关系是

Q²是粒径分布方差。

悬浮泥沙对声波在海水中传播衰减的扰动，是因为粘滞吸收、声散射吸收和热传导吸收等物理现象的作用，造成声能量的衰减。声波的震动引起粒子与背景液体的相对运动，产生的牛顿剪切力使粘滞液体发生内摩擦，部分声能被转换为热能，造成粘滞吸收现象。同时。悬浮泥沙经声波照射后，会产生次级声源，发生散射现象。研究悬浮粒子对声波的衰减时，通常只考虑粘滞吸收和散射，而忽略热传导吸收，这是因为热传导吸收远小于粘滞吸收和散射吸收作用，可以忽略不计。所以，分析粘滞吸收和散射造成的衰减，声传播过程中衰减扰动与泥沙浓度关系式为：

因此，步骤4具体包括：

采用指数高斯分布作为海水中泥沙颗粒半径与存在数量的近似，即分布函数

设参数向量

C是悬浮泥沙浓度，声传播过程中衰减扰动与泥沙浓度的关系式记作G(m)，则

所述的N是粒径为a的悬浮泥沙颗粒的数量；k是波数，由信号频率求得；s、σ、τ均通过扰动与泥沙原关系式得到；

令

所述的[f₁，f₂，...，f_i]是发射的一组信号频率，发送信号的个数i≥3；为方便计算过程快速收敛，令

Z＝||G(m)-A||²；

并且定义损失函数如下：

求解最优参数向量m的解，使损失函数值最小；设置合适的初始变量值m₀＝[20，-19，0.707]，设置参数迭代的更新过程为：

迭代后可获得估计的参数向量解，即获得悬浮泥沙参数C。

本发明具有如下有益效果：本发明采用声传播进行测量，比光、电磁波等方式性能更优，更具发展和应用潜力；本发明覆盖区域广，可以在海洋中小尺度上检测；本发明可扩展性高，通过增加接收阵列和发送节点的方式，在入海口处构成网状的空间分布，可以提高检测精度和检测范围；本发明获取的参数在空间上更连续，通过扩展换能器节点的方法，可以提升获取信息的精确度和信息的量；本发明检测实时性好，换能器也可以作为通信信号连接的终端，与陆地服务器相连，实时传输检测的数据。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明接收端信号被动式时间反转实现框图；

图3为本发明假设的颗粒半径与数量的统计曲线图；

图4为本发明悬浮泥沙浓度计算流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例

本实施例提供了一种基于声衰减的入海口悬浮泥沙浓度实时观测方法，如图1所示，具体步骤如下：

步骤1：在入海口布置水下信号发送端和接收端；

在检测区域距离1000m的位置分别布置水下换能器和接收阵列分别为发送端和接收端。在发送端发送多个频率的窄带信号，接收端阵元接收探测信号。发送的探测信号是不同频率的窄带信号，频率范围从50KHz-500KHz。

步骤2：发送和接收声探测信号，基于被动时间反转技术，消除水下信道的多径效应，计算声衰减；

接收端信号被动式时间反转实现如图2所示，依次发送探测信号P(t)和S(t)，利用阵元传感器接收声探测信号，信号经过水下信道之后，第j号接收阵元接收到的信号分别为：

所述的h_j(t)代表第j号接收阵元与发送机之间的通信信道；

将接收阵元接收到的信号P_rj(t)作为预处理器与S_rj(t)卷积运算，则第j号阵元接收到的信号为：

接收阵元总的接收信号为：

计算接收信号R(t)与发送信号S(t)的幅值之比，做为信号衰减系数α_R，公式为：

其中r是发送端到接收端距离。

步骤3：根据传播衰减扰动模型和经验公式计算悬浮泥沙造成的声学衰减扰动；

利用经验公式计算海水吸收作用下声强衰减的系数：

所述f是信号频率，由发送端控制并提供具体值；p是水压强，与声传播路径的深度h、海水密度ρ_w有关，计算式为p＝hgρ_w，其中g是重力常数；f_T是弛豫频率，与海水温度T，以及盐度S有关，

其中海水盐度S和温度T需要通过测量手段获得；

利用经典公式计算柱面波传播情况下传播扩散造成的衰减值：α_g＝20log₁₀r，所述的r是发送端到接收端的距离，通过声波在发送和接收端之间的走时时间获得；

计算海水中大量泥沙造成的声传播衰减扰动A＝α_R-α_g-α_w。

步骤4：构建悬浮泥沙浓度与声衰减扰动的关系式，通过迭代计算悬浮泥沙浓度；

采用指数高斯分布作为海水中泥沙颗粒半径与存在数量的近似，统计曲线图如图3所示，即分布函数

所述的

是平均粒径的等效值，Q²是粒径分布方差；

悬浮泥沙浓度的迭代计算流程如图4所示，设参数向量

C是悬浮泥沙浓度，声传播过程中衰减扰动与泥沙浓度的关系式记作G(m)，则

所述的N是粒径为a的悬浮泥沙颗粒的数量；k是波数，由信号频率求得；s、σ、τ均通过扰动与泥沙原关系式得到；

令

所述的[f₁，f₂，...，f_i]是发射的一组信号频率，发送信号的个数i≥3；为方便计算过程快速收敛，令

Z＝||G(m)-A||²；

并且定义损失函数如下：

求解最优参数向量m的解，使损失函数值最小；设置合适的初始变量值m₀＝[20，-19，0.707]，设置参数迭代的更新过程为：

迭代后可获得估计的参数向量解，即获得悬浮泥沙参数C。

本发明覆盖区域广、可扩展性高、获取的参数在空间上更连续、检测实时性好、测量精度高。本发明采用声传播技术进行测量，比光、电磁波等方式性能更优，更具发展和应用潜力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种基于声衰减的入海口悬浮泥沙浓度实时测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在入海口布置水下信号发送端和接收端；

步骤2：发送和接收声探测信号，基于被动时间反转技术，消除水下信道的多径效应，计算声衰减；

步骤3：根据传播衰减扰动模型和经验公式计算悬浮泥沙造成的声学衰减扰动；

步骤4：构建悬浮泥沙浓度与声衰减扰动的关系式，通过迭代计算悬浮泥沙浓度；

其中，所述的步骤1包括：

在检测区域距离1000m的位置分别布置水下换能器和阵元传感器接收阵列做为发送端和接收端，在发送端发送频率范围在50KHz-500KHz的窄带信号，接收端阵元接收探测信号；

所述的步骤2包括：

依次发送探测信号P(t)和S(t)，利用阵元传感器接收声探测信号，信号经过水下信道之后，第j号接收阵元接收到的信号分别为：

所述的h_j(t)代表第j号接收阵元与发送机之间的通信信道；

将接收阵元接收到的信号P_rj(t)作为预处理器与S_rj(t)卷积运算，则第j号阵元接收到的信号为：

接收阵元总的接收信号为：

计算接收信号R(t)与发送信号S(t)的幅值之比，做为信号衰减系数α_R，公式为：

其中r是发送端到接收端距离；

所述的步骤3包括：

利用经验公式计算海水吸收作用下声强衰减的系数：

所述f是信号频率，由发送端控制并提供具体值；p是水压强，与声传播路径的深度h、海水密度ρ_w有关，计算式为p＝hgρ_w，其中g是重力常数；f_T是弛豫频率，与海水温度T，以及盐度S有关，

其中海水盐度S和温度T需要通过测量手段获得；

利用经典公式计算柱面波传播情况下传播扩散造成的衰减值：α_g＝20log₁₀r，所述的r是发送端到接收端的距离，通过声波在发送和接收端之间的走时时间获得；

计算海水中大量泥沙造成的声传播衰减扰动A＝α_R-α_g-α_w；

所述步骤4包括：

采用指数高斯分布作为海水中泥沙颗粒半径与存在数量的近似，即分布函数

设参数向量

C是悬浮泥沙浓度，

是平均粒径的等效值，Q是粒径分布，声传播过程中衰减扰动与泥沙浓度的关系式记作G(m)，则

表示第i组泥沙颗粒的粒径等效值，所述的N是粒径为a的悬浮泥沙颗粒的数量；k是波数，由信号频率求得；s、σ、τ均通过扰动与泥沙原关系式得到，s和τ表示泥沙粘滞吸收对于衰减扰动的影响函数，σ表示泥沙颗粒密度与水密度的比值；

令

所述的[f₁，f₂，...，f_i]是发射的一组信号频率，发送信号的个数i≥3；为方便计算过程快速收敛，令

Z＝||G(m)-A||²；

并且定义损失函数如下：

其中，

表示嵌入激活函数中的Z式子，

表示信号频率为f_i时的

求解最优参数向量m的解，使损失函数值最小；设置合适的初始变量值m₀＝[20，-19，0.707]，设置参数迭代的更新过程为：

迭代后可获得估计的参数向量解，即获得悬浮泥沙参数C。

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