CN112612027A - 一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，基于海洋内波监测系统实现，该海洋内波监测系统包括一个声源和两个水听器；该方法包括：使用两个水听器分别记录孤立子内波一段时间内声强的变化，并通过快速傅里叶变换分别得到两个水听器声强起伏的频谱；由两个水听器声强起伏的频谱分别计算各自的主导频率；根据内波波阵面和两个水听器所成角度与各自主导频率的关系函数以及声源和两个水听器的角度关系，求解出内波波阵面与其中一条声传播路径的角度；由无内波时静态海洋环境的参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期，由干涉周期、内波波阵面与其中一条声传播路径的角度以及对应的主导频率，得到孤立子内波的移动速度。

Description

一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法

技术领域

本发明涉及水声工程、海洋工程、声呐技术领域，尤其涉及一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法。

背景技术

内波是海洋中普遍存在的一种动力学现象，在世界各大洋以及大陆边缘海区都有分布，存在范围十分广泛。由于内波的存在极大地影响了人类在海洋中的活动，因此对海洋内波的监测具有重要的科学意义和实际价值。水下航行器在大振幅孤立子内波附近活动时，可能会骤然下沉或上浮而出现安全隐患。当实施水下工作时，内波含有的强垂向剪切的往复水平流可能使一些工业构件超过疲劳极限而损毁。内波也会影响水下声呐设备的工作性能，包括对水声通信、目标检测与识别、声源定位的影响等。对声呐设备产生影响的根源在于内波是导致海洋波导中声信号起伏的一个主要因素，关于海洋内波引起的声场起伏规律研究已开展了大量的工作。

海洋中内波的监测方法有基于海表变化的卫星遥感法、基于合成孔径雷达(SAR)的内波参数反演成像法、基于海洋动力模型的数值预报法、基于对声场干涉结构影响反演内波参数反演法、实验观测等方法。卫星遥感法具有视野广阔、获取的信息量多、效率高、适应性强等优点，可以进行大面积、全天时、全天候的监测。其局限性在于对海面以下的环境特征不能准确反映，还需要其他手段相配合来给出内波参数。基于SAR反演内波参数的优点是图像的高分辨率和反演结果的高精确度，参见参考文献[1](“基于EMD算法的海洋内波参数反演”，2018年6月发表在《海洋技术学报》第3期，起始页码为36)，缺点是无法和水下平台实时通讯，在应用时效性方面存在限制。基于海洋动力模型的数值预报法能够通过数值计算给出全球范围的内波活动过程，但如果要获取局部精确的参数，还需要观测数据等先验信息支持。基于对声场干涉结构影响反演内波参数反演法优点是获取的内波参数可以直接提供给声呐设备使用，实时性更好，参见参考文献[2](“利用声场频谱频率漂移监测内波的算法改进和实验验证”，2017年9月发表在《声学学报》第5期，起始页码为524)，缺点是系统复杂度相对较高，尤其算法中在简正波分离时需要覆盖全海深垂直接收阵的数据，而且要准确已知阵型姿态。实验观测对内波参数的获取最为准确，但只能对局部海域进行短时间的观测，在实时分析和回传方面也存在一定的技术难点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，基于海洋内波监测系统实现，所述海洋内波监测系统包括一个声源和两个水听器；所述方法包括：

使用两个水听器分别记录孤立子内波一段时间内声强的变化，并通过快速傅里叶变换分别得到两个水听器声强起伏的频谱；

由两个水听器声强起伏的频谱分别计算各自的主导频率；

根据内波波阵面和两个水听器所成角度与各自主导频率的关系函数以及声源和两个水听器的角度关系，求解出内波波阵面与其中一条声传播路径的角度；

由无内波时静态海洋环境的参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期，由干涉周期、内波波阵面与其中一条声传播路径的角度以及对应的主导频率，得到孤立子内波的移动速度。

作为上述方法的一种改进，所述海洋内波监测系统的声源与两个水听器之间的角度α小于45°，声源频率大于等于200Hz。

作为上述方法的一种改进，所述由两个水听器分别记录孤立子内波一段时间内声强的变化，并通过快速傅里叶变换分别得到两个水听器声强起伏的频谱；具体包括：

由两个水听器分别记录孤立子内波在在T₀＜T＜T₀+ΔT的观测时间内各个时刻的声强I(T)；

通过快速傅里叶变换得到第一水听器声强起伏的频谱G₁(Ω,r₁,z₁)为：

其中，I⁰(r₁,z₁)为第一水听器记录的无内波时的声强，

为第一水听器有内波扰动时的平均声强，r₁为第一水听器与声源的距离，z₁为第一水听器的深度；

通过快速傅里叶变换得到第二水听器声强起伏的频谱G₂(Ω,r₂,z₂)为：

其中，I⁰(r₂,z₂)为第二水听器记录的无内波时的声强，

为第二水听器有内波扰动时的平均声强，r₂为第二水听器与声源的距离，z₂为第二水听器的深度；

作为上述方法的一种改进，所述对两个水听器声强起伏频谱分别计算各自的主导频率；具体包括：

将第一水听器声强起伏的频谱中的倍频值除以所对应的倍数，得到若干个第一水听器主导频率，求取平均值，得到第一水听器的声强主导频率F₁；

将第二水听器声强起伏的频谱中的倍频值除以所对应的倍数，得到若干个第二水听器主导频率，求取平均值，得到第二水听器的声强主导频率F₂。

作为上述方法的一种改进，所述根据内波波阵面和两个水听器所成角度与各自主导频率的关系函数以及声源和两个水听器的角度关系，求解出内波波阵面与其中一条声传播路径的角度；具体包括：

根据内波波阵面与两个水听器所成角度与主导频率的关系函数：

其中，β₁为内波波阵面与第一水听器的声传播路径所成角度，β₂为内波阵面与第二水听器的声传播路径所成角度，F₁为第一水听器的声强主导频率，F₂为第二水听器的声强主导频率；

结合监测系统声源和水听器的角度关系：

α+β₁＝β₂

得到β₂为：

作为上述方法的一种改进，所述由无内波时静态海洋环境的参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期，由干涉周期、内波波阵面与其中一条声传播路径的角度以及对应的主导频率，得到孤立子内波的移动速度；具体包括：

由无内波时的静态海洋环境参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期Λ_mn为：

Λ_mn＝2π/|Δq_mn|

其中，Δq_mn＝q_m-q_n，q_m为第m号简正波本征值的实部，q_n为第n号简正波本征值的实部，m＝n+1；

由相邻号简正波在距离上的干涉周期得到对声场起伏影响最大一系列简正波干涉周期集中的固定值Λ^*；

根据第二水听器的主导频率以及内波阵面与第二水听器的声传播路径所成角度，由下式得到孤立子内波的移动速度v为：

v＝3600F₂Λ^*sinβ₂。

作为上述方法的一种改进，所述根据内波波阵面和两个水听器所成角度与各自主导频率的关系函数以及声源和两个水听器的角度关系，求解出内波波阵面与其中一条声传播路径的角度；具体包括：

根据内波波阵面与两个水听器所成角度与主导频率的关系函数：

结合监测系统声源和水听器的角度关系：

α+β₁＝β₂

得到β₂为：

进而得到β₁为：

作为上述方法的一种改进，所述由无内波时静态海洋环境的参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期，由干涉周期、内波波阵面与其中一条声传播路径的角度以及对应的主导频率，得到孤立子内波的移动速度；具体包括：

由无内波时的静态海洋环境参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期Λ_mn为：

Λ_mn＝2π/|Δq_mn|；

由相邻号简正波在距离上的干涉周期得到对声场起伏影响最大一系列简正波干涉周期集中的固定值Λ^*；

根据第一水听器的主导频率以及内波阵面与第一水听器的声传播路径所成角度，由下式得到孤立子内波的移动速度v为：

v＝3600F₁Λ^*sinβ₁。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明的方法利用一个声源和两个水听器便可对浅海环境中孤立子内波的移动速度和传播方向进行监测，系统复杂度低，降低了对垂直阵的要求，易于实现；通过简单的数据分析和计算即可得到海洋内波参数，与基于垂直线列阵的声学方法相比，计算量及系统配置要求得到大幅度降低，监测结果可直接传输给水下平台，具有较好的时效性；可将声学系统与岸站进行连接，能够对海洋内波进行长期监测，不需要对整个水体的环境参数频繁测量，对先验数据依赖程度低，方法实用性更好。

附图说明

图1是浅海环境中内波监测系统的声源和水听器与孤立子内波相对位置示意图；

图2(a)是本发明实施例中第一水听器记录的声强随时间的变化；

图2(b)是本发明实施例中第二水听器记录的声强随时间的变化；

图3(a)是本发明实施例中由第一水听器记录的声强计算得到的起伏频谱；

图3(b)是本发明实施例中由第二水听器记录的声强计算得到的起伏频谱；

图4是本发明实施例中无内波时静态海洋环境下简正波本征值的实部；

图5是本发明实施例中无内波时静态海洋环境下相邻号简正波在距离上的干涉周期。

具体实施方式

本发明在浅海孤立子内波频发海域，利用接收声信号的能量起伏规律监测内波移动速度和传播方向的方法，能够解决现有内波监测方法代价过大或实时性不能满足应用需求等问题。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

本发明的实施例1提出了一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，首先搭建或利用现有平台形成由一个声源和两个水听器组成的海洋内波简易监测系统，根据相对位置确定三者之间的角度关系；监测系统记录内波通过时一段时间内声强的变化，并利用快速傅里叶变换求解声强起伏的频谱；从两个水听器获取的频谱曲线分别计算声强起伏的主导频率，并由此建立内波波阵面与两个声传播路径所成角度的关系函数；根据两个角度的关系和监测系统本身的相对位置关系，求解出内波波阵面与每条声传播路径的角度；由无内波时的静态海洋环境参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期，根据干涉周期、主导频率、内波移动速度三者之间的关系估计出孤立子内波的移动速度。本发明只需利用一个声源和两个水听器便可对浅海环境中孤立子内波的移动速度和传播方向进行监测，系统复杂度很低，降低了对垂直阵的要求，计算系统配置要求低，易于实现；监测结果可直接传输给水下平台，具有较好的时效性，并可将声学系统与岸站进行连接，能够对海洋内波进行长期监测，实用性好。

本发明实现过程分为以下步骤：

步骤1：海洋内波监测系统中的一个声源和两个水听器均布设于海底，参照图1。声源与水听器形成两个声传播路径，在本示例中，两个路径所成的角度α＝30°。声源与两个水听器的距离分别为10km和11.5km，其实声源与水听器之间的距离并不是关键参数，只要能保证记录到声能量起伏即可。声源发射信号的中心频率为400Hz，带宽50Hz。

步骤2：已知一个内波以0.8m/s的速度通过监测系统，传播方向见图1。内波波阵面与声传播路径1所成的角度β₁＝75°，那么由几何关系，与声传播路径2所成的角度β₂＝45°。两个水听器分别记录声源发射的信号，然后计算各个时刻的声强I(T)，计算结果如图2所示。在T₀＜T＜T₀+ΔT两个小时的观测时间内，声强的频谱由快速傅里叶变换求得：

其中，I⁰(r,z)为无内波时的声强，

为有内波扰动时的平均声强，

由此分别得到声强起伏的频谱，如图3所示。

步骤3：从图3的频谱曲线中能够看到在某些频率上存在明显的峰值，代表这些频率分量在声场起伏中起主要作用，称之为主导频率及其倍频，在图3用虚线标出。利用这些倍频可以更加准确地确定主导频率的值：将倍频的值除以所对应的倍数，分别得到一个主导频率，然后将这些频率值取平均，得到最终的主导频率。声强起伏主导频率和其倍频的值在下表中给出，由此确定两个水听器测得最终的主导频率为别为3.47和4.63cph(cyclesper hour)。

接收站位	F	2F	3F	4F	平均F(cph)
						水听器1	3.52	6.62	10.61	14.06	3.47
水听器2	4.57	9.38	13.89	18.52	4.63

主导频率与内波传播速度v以及波阵面和声传播路径所成角度β的关系为：

其中，D为无内波时静态海洋环境中临界声线的跨度。上面已经由两个水听器求得声强主导频率分别为F₁和F₂，那么由此建立内波波阵面与两个声传播路径所成角度β₁和β₂的关系函数：

步骤4：由图1可见，监测系统中声源、水听器以及内波波阵面之间的相对位置(角度)关系为：

α+β₁＝β₂

结合步骤3，求解出内波波阵面与每条声传播路径的角度关系：

最终求得，β₂＝46.88°，相对误差为4.18％。

步骤5：由无内波时的静态海洋环境参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期，

Λ_mn＝2π/|Δq_mn|

其中，Δq_mn＝q_m-q_n，q_m为第m号简正波本征值的实部，m＝n+1计算结果如图4所示。如图5所示，可见某些号简正波所对应的干涉周期会集中在一个固定值Λ^*附近，这些号简正波对声场起伏的影响最大，本示例中Λ^*的值为835m。根据干涉周期的集中固定值、主导频率、内波移动速度三者之间的关系可以估计出孤立子内波的移动速度。

v＝3600F_iΛ^*sinβ_i i＝1,2

需要说明的是，因为

所以采用F₁和β₁或者F₂和β₂均可计算得到v。本实施例采用第二水听器的主导频率和角度，由：

v＝3600F₂Λ^*sinβ₂

由此求得内波的传播速度v＝0.78，相对误差为2.5％。

实施例2

本发明的实施例2提出了一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，搭建或利用现有平台形成由一个声源和两个水听器组成的海洋内波简易监测系统，步骤1-3均同实施例1，

步骤4：由图1可见，监测系统中声源、水听器以及内波波阵面之间的相对位置(角度)关系为：

α+β₁＝β₂

结合步骤3，求解出内波波阵面与每条声传播路径的角度关系：

最终求得，β₂＝46.88°，相对误差为4.18％。那么β₁＝76.88°，相对误差为2.45％。

步骤5：由无内波时的静态海洋环境参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期，

Λ_mn＝2π/|Δq_mn|

其中，Δq_mn＝q_m-q_n，q_m为第m号简正波本征值的实部，m＝n+1计算结果如图4所示。如图5所示，可见某些号简正波所对应的干涉周期会集中在一个固定值Λ^*附近，这些号简正波对声场起伏的影响最大，本示例中Λ^*的值为835m。根据干涉周期的集中固定值、主导频率、内波移动速度三者之间的关系可以估计出孤立子内波的移动速度。本实施例采用第一水听器的主导频率和角度，根据：

v＝3600F₁Λ^*sinβ₁

由此求得内波的传播速度v＝0.78，相对误差为2.5％。通过实际例子得到的验证结果表明，本发明的方法可以有效监测浅海中内波的传播方向和移动速度。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，基于海洋内波监测系统实现，所述海洋内波监测系统包括一个声源和两个水听器；所述方法包括：

使用两个水听器分别记录孤立子内波一段时间内声强的变化，并通过快速傅里叶变换分别得到两个水听器声强起伏的频谱；

由两个水听器声强起伏的频谱分别计算各自的主导频率；

根据内波波阵面和两个水听器所成角度与各自主导频率的关系函数以及声源和两个水听器的角度关系，求解出内波波阵面与其中一条声传播路径的角度；

由无内波时静态海洋环境的参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期，由干涉周期、内波波阵面与其中一条声传播路径的角度以及对应的主导频率，得到孤立子内波的移动速度。

2.根据权利要求1所述的浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，其特征在于，所述海洋内波监测系统的声源与两个水听器之间的角度α小于45°，声源频率大于等于200Hz。

3.根据权利要求2所述的浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，其特征在于，所述由两个水听器分别记录孤立子内波一段时间内声强的变化，并通过快速傅里叶变换分别得到两个水听器声强起伏的频谱；具体包括：

由两个水听器分别记录孤立子内波在在T₀＜T＜T₀+ΔT的观测时间内各个时刻的声强I(T)；

通过快速傅里叶变换得到第一水听器声强起伏的频谱G₁(Ω,r₁,z₁)为：

其中，I⁰(r₁,z₁)为第一水听器记录的无内波时的声强，

为第一水听器有内波扰动时的平均声强，r₁为第一水听器与声源的距离，z₁为第一水听器的深度；

通过快速傅里叶变换得到第二水听器声强起伏的频谱G₂(Ω,r₂,z₂)为：

其中，I⁰(r₂,z₂)为第二水听器记录的无内波时的声强，

为第二水听器有内波扰动时的平均声强，r₂为第二水听器与声源的距离，z₂为第二水听器的深度；

4.根据权利要求3所述的浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，其特征在于，所述对两个水听器声强起伏频谱分别计算各自的主导频率；具体包括：

将第一水听器声强起伏的频谱中的倍频值除以所对应的倍数，得到若干个第一水听器主导频率，求取平均值，得到第一水听器的声强主导频率F₁；

将第二水听器声强起伏的频谱中的倍频值除以所对应的倍数，得到若干个第二水听器主导频率，求取平均值，得到第二水听器的声强主导频率F₂。

5.根据权利要求4所述的浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，其特征在于，所述根据内波波阵面和两个水听器所成角度与各自主导频率的关系函数以及声源和两个水听器的角度关系，求解出内波波阵面与其中一条声传播路径的角度；具体包括：

根据内波波阵面与两个水听器所成角度与主导频率的关系函数：

其中，β₁为内波波阵面与第一水听器的声传播路径所成角度，β₂为内波阵面与第二水听器的声传播路径所成角度，F₁为第一水听器的声强主导频率，F₂为第二水听器的声强主导频率；

结合监测系统声源和水听器的角度关系：

α+β₁＝β₂

得到β₂为：

6.根据权利要求5所述的浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，其特征在于，所述由无内波时静态海洋环境的参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期，由干涉周期、内波波阵面与其中一条声传播路径的角度以及对应的主导频率，得到孤立子内波的移动速度；具体包括：

由无内波时的静态海洋环境参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期Λ_mn为：

Λ_mn＝2π/|Δq_mn|

其中，Δq_mn＝q_m-q_n，q_m为第m号简正波本征值的实部，q_n为第n号简正波本征值的实部，m＝n+1；

由相邻号简正波在距离上的干涉周期得到对声场起伏影响最大一系列简正波干涉周期集中的固定值Λ^*；

根据第二水听器的主导频率以及内波阵面与第二水听器的声传播路径所成角度，由下式得到孤立子内波的移动速度v为：

v＝3600F₂Λ^*sinβ₂。

7.根据权利要求4所述的浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，其特征在于，所述根据内波波阵面和两个水听器所成角度与各自主导频率的关系函数以及声源和两个水听器的角度关系，求解出内波波阵面与其中一条声传播路径的角度；具体包括：

根据内波波阵面与两个水听器所成角度与主导频率的关系函数：

结合监测系统声源和水听器的角度关系：

α+β₁＝β₂

得到β₂为：

进而得到β₁为：

8.根据权利要求7所述的浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，其特征在于，所述由无内波时静态海洋环境的参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期，由干涉周期、内波波阵面与其中一条声传播路径的角度以及对应的主导频率，得到孤立子内波的移动速度；具体包括：

由无内波时的静态海洋环境参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期Λ_mn为：

Λ_mn＝2π/|Δq_mn|；

由相邻号简正波在距离上的干涉周期得到对声场起伏影响最大一系列简正波干涉周期集中的固定值Λ^*；

根据第一水听器的主导频率以及内波阵面与第一水听器的声传播路径所成角度，由下式得到孤立子内波的移动速度v为：

v＝3600F₁Λ^*sinβ₁。

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