CN111610520B - 一种基于声学信号的气泡释放通量量化方法 - Google Patents

一种基于声学信号的气泡释放通量量化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声学信号的气泡释放通量量化方法，包括以下步骤，步骤一，混响信号去除；步骤二，气泡声学特性获取；步骤三，气泡固有属性计算；步骤四，气泡释放通量计算；其中，步骤四的计算公式为：
Figure DDA0002549698800000011
公式中，ρ(mL/m3)为水中的气泡浓度，v(m/s)为气泡的上升速度，P为采样点实测大气压，P0为标准大气压(1013.25hPa)。所述步骤一包括以下步骤：第一步，观察回波图，确定气泡分布范围，通过设定阈值，将该范围外的噪声排除掉，实现首次去噪；第二步，手动定义无效数据区域，进行二次去噪，去除行船噪声和鱼类信号。本发明采用声学技术对气泡进行信号采集，能够在大水域实现连续监测和全面捕捉气泡排放信息，其效率高、覆盖面积大。

Description

一种基于声学信号的气泡释放通量量化方法
技术领域
本发明涉及声学探测技术领域，具体为一种基于声学信号的气泡释放通量量化方法。
背景技术
水体中的甲烷由有机物厌氧降解产生，并且主要以气泡形式逐渐上升，之后进入大气。我国淡水河流、湖泊、水库众多，植被丰富，大量有机质随水流进入水体；此外，人类活动导致水体富营养化，盛长的藻类不能通过食物链输出，沉积于水底。水底有机质分解，会排放大量的温室气体，导致全球气温不断升高，温室效应越来越显著，因此，对淡水水体气泡排放进行研究并量化，对于研究碳循环和碳管理等具有重要意义。
由于气泡释放过程中在宏观和微观尺度上的高度异质性和间歇性，监测并量化水中的气泡是非常困难的。传统的气泡释放统计一般采用气体收集、光学视频或者图片拍摄，如公开号为CN109598739A公开的一种水体中渗漏气泡数目的统计方法及处理终端就公开了通过光学视频拍摄进行气泡数目统计的方法，该方法将拍摄的光学视频的每一帧进行气泡个数统计，进而得到气泡释放通量，然而上述方法仅限于浅水及小范围水域研究，无法在大水面实现连续监测和全面捕捉气泡排放信息，并且其计算的方式繁琐，效率低下，目前仍无方法可以对大水面气泡释放进行量化。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种基于声学信号的气泡释放通量量化方法。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种基于声学信号的气泡释放通量量化方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：混响信号去除；
S2：气泡声学特性获取；
S3：气泡固有属性计算；
S4：气泡释放通量计算；
其中，步骤S4的计算公式为：
Figure BDA0002549698780000021
公式(5)中，ρ(mL/m3)为水中的气泡浓度，v(m/s)为气泡的上升速度，P为采样点实测大气压，P0为标准大气压(1013.25hPa)。
进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：
B1：观察回波图，确定气泡分布范围，通过设定阈值，将该范围外的噪声排除掉，实现首次去噪；
B2：手动定义无效数据区域，进行二次去噪，去除行船噪声和鱼类信号。
进一步地，所述步骤S2中气泡声学特性包括气泡平均目标强度TS(dB)、体积反向散射强度Sv(dB)以及体积反向散射系数sv(m2/m3)；所述步骤S2包括以下步骤：
C1:通过单体目标信号检测，求得气泡平均目标强度TS(dB)；
C2:通过回波积分获取体积反向散射强度Sv(dB)；
C3:根据体积散射强度Sv(dB)计算体积散射系数sv(m2/m3)；
其中，步骤C3的计算公式为
Figure BDA0002549698780000022
进一步地，所述步骤S3中的气泡固有属性包括单体气泡体积V(mL)、气泡上升速度v(m/s)以及气泡浓度ρ(mL/m3)，所述步骤S3包括以下步骤：
D1：水体中气泡体积范围在0.005-20mL之间，对于该区间的气泡，根据气泡平均目标强度TS(dB)计算单体气泡体积V(mL)；
D2：体积为0.005mL-0.035mL之间的气泡随着半径的增大而上升速度减小，0.035-0.22mL体积的气泡上升速度基本上是恒定的，大于0.5-1mL的气泡上升速度随着半径增大而增大，根据气泡体积计算气泡上升速度v(m/s)；
D3：根据体积散射系数sv(m2/m3)计算气泡浓度ρ(mL/m3)；
其中，D1中的计算公式为：V＝995600e0.3092×TS (1)；
D2中的计算公式为：v＝-(0.00219±0.00093)(log V)4-(0.000737±0.00091)(log V)3+(0.04413±0.005)(log V)2+(0.0662+0.0034)log V+(0.2663+0.005)(2)；
D3中的计算公式为：ρ≈13500×sv (3)。
本发明的有益效果：
本发明提供的基于声学信号的气泡释放通量量化方法采用声学技术对气泡进行信号采集，能够在大水域实现连续监测和全面捕捉气泡排放信息，其效率高、覆盖面积大，可以对气泡的空间异质性进行无干扰评估，该方法可为定量研究水库温室气体排放，为减少水力工程和水电站开发等过程中温室气体的排放提供参考，也可为调查大水面温室气体释放提供技术手段。
附图说明
图1为本发明基于声学信号的气泡释放通量计算方法的流程框图；
图2为本发明混响信号去除前的声学数据图；
图3为本发明混响信号去除后的声学数据图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
以2019年8月1日长洲水利枢纽库区监测数据为例。本次利用声学仪器进行气泡信号采集的时间长度约9分钟，数据量为95M。
请参考图1，一种基于声学信号的气泡释放通量量化方法，包括以下步骤：
S1：混响信号去除；
S2：气泡声学特性获取；
S3：气泡固有属性计算；
S4：气泡释放通量计算。
其中，步骤S1包括以下步骤：
A1：设置去噪阈值进行首次去噪，去噪阈值为为(-72，-36)dB；
A2：手动定义无效数据区域，进行二次去噪，去除行船噪声和鱼类信号。
请参考图2和图3，首先将.raw的声学原始数据导入Echoview软件中，通过观察回波图，发现气泡目标强度分布范围在-72～-36dB之间，因此设定输出阈值为(-72，-36)dB，将大于-36dB和小于-72dB的信号排除在外；另外通过手动定义无效数据区域，将行船噪声、鱼类信号排除掉。
其中，步骤S2中气泡声学特性包括气泡平均目标强度TS(dB)、体积反向散射强度Sv(dB)以及体积反向散射系数sv(m2/m3)，步骤S2包括以下步骤：
C1:通过单体目标信号检测，求得气泡平均目标强度TS(dB)，气泡的平均目标强度为-54.59dB。
C2:通过回波积分获取体积反向散射强度Sv(dB)，气泡体积反向散射强度的大小为-57.05dB。
C3:根据体积散射强度Sv(dB)计算体积散射系数sv(m2/m3)，步骤C3的计算公式为：
Figure BDA0002549698780000051
计算出的体积散射系数大小为1.97×10-6。
其中，步骤S3中的气泡固有属性包括单体气泡体积V(mL)、气泡上升速度v(m/s)以及气泡浓度ρ(mL/m3)。
步骤S3包括以下步骤：
D1：根据气泡平均目标强度TS(dB)计算单体气泡体积V(mL)，文献资料表明，水体中甲烷气泡单体体积大多数位于0.005-20mL之间。甲烷气泡单体体积的计算公式为：V＝995600e0.3092×TS (1)，
通过公式(1)计算得出气泡单体体积为0.057ml。
D2：根据气泡单体体积计算气泡上升速度v(m/s)，气泡在上升过程中，速度并非恒定的，而是根据体积不同上升速度也有差异。体积为0.005mL-0.035mL之间的气泡随着半径的增大而上升速度减小，体积为0.035-0.22mL体积的气泡上升速度基本上是恒定的，体积大于0.5-1mL的气泡上升速度随着半径增大而增大，气泡上升速度v(m/s)的计算公式为：
v＝-(0.00219±0.00093)(log V)4-(0.000737±0.00091)(log V)3+(0.04413±0.005)(log V)2+(0.0662+0.0034)log V+(0.2663+0.005) (2)
通过公式(2)计算可得，气泡平均上升速度为：0.240-0.256m/s。
D3：根据体积散射系数sv(dB)计算气泡浓度，计算公式为：
ρ≈13500×sv (3)
通过公式(3)计算可得，气泡浓度为：0.027mL/m3。
其中，步骤S4中气泡释放通量计算公式为：
Figure BDA0002549698780000061
公式(5)中P为采样点实测大气压，P0为标准大气压(1013.25hPa)，根据气象网可以查得，调查期间采样点大气压为1012hPa，根据公式(5)计算得出，长洲水利枢纽库区示例数据每天释放甲烷气泡，即气泡释放通量大小为24.96-26.63mmol/m2。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于声学信号的气泡释放通量量化方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：混响信号去除；
S2：气泡声学特性获取；
S3：气泡固有属性计算；
S4：气泡释放通量计算；
其中，步骤S4的计算公式为：
Figure FDA0003084453800000011
公式(5)中，ρ(mL/m3)为水中的气泡浓度，v(m/s)为气泡的上升速度，P为采样点实测大气压，P0为标准大气压(1013.25hPa)；
所述步骤S2中气泡声学特性包括气泡平均目标强度TS(dB)、体积反向散射强度Sv(dB)以及体积反向散射系数sv(m2/m3)；所述步骤S2包括以下步骤：
C1：通过单体目标信号检测，求得气泡平均目标强度TS(dB)；
C2：通过回波积分获取体积反向散射强度Sv(dB)；
C3：根据体积散射强度Sv(dB)计算体积散射系数sv(m2/m3)；
其中，步骤C3的计算公式为
Figure FDA0003084453800000012
所述步骤S3中的气泡固有属性包括单体气泡体积V(mL)、气泡上升速度v(m/s)以及气泡浓度ρ(mL/m3)，所述步骤S3包括以下步骤：
D1：水体中气泡体积范围在0.005-20mL之间，对于该区间的气泡，根据气泡平均目标强度TS(dB)计算单体气泡体积V(mL)；
D2：体积为0.005mL-0.035mL之间的气泡随着半径的增大而上升速度减小，0.035-0.22mL体积的气泡上升速度基本上是恒定的，大于0.5-1mL的气泡上升速度随着半径增大而增大，根据气泡体积计算气泡上升速度v(m/s)；
D3：根据体积散射系数sv(m2/m3)计算气泡浓度ρ(mL/m3)；其中，D1中的计算公式为：V＝995600e0.3092×TS (1)；
D2中的计算公式为：
v＝-(0.00219±0.00093)(log V)4-(0.000737±0.00091)(log V)3+(0.04413±0.005)(log V)2+(0.0662+0.0034)log V+(0.2663+0.005) (2)；
D3中的计算公式为：ρ≈13500×sv (3)。
2.根据权利要求1所述的基于声学信号的气泡释放通量量化方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下步骤：
B1：观察回波图，确定气泡分布范围，通过设定阈值，将该范围外的噪声排除掉，实现首次去噪；
B2：手动定义无效数据区域，进行二次去噪，去除行船噪声和鱼类信号。
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