CN115248030B - 一种基于声层析的海洋涡旋涡量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声层析的海洋涡旋涡量测量方法，包括以下步骤：步骤S1）在待测涡旋区域内布局声学传感器阵列；步骤S2）基于声学传感器阵列，将待测涡旋区域由外到内分为多层，形成多个测量回路；步骤S3）计算测量回路中每段路径的长度及对应的流速分量；步骤S4）根据每段路径的长度及对应的流速分量，计算测量回路的速度环量；步骤S5）根据斯托克斯定律，对速度环量求二阶混合偏导数，获得测量回路对应范围的涡量。本方案基于声学传感器阵列，实现中尺度涡旋涡量的测量，掌握涡旋的强度变化及运动规律，为海洋涡旋研究提供精准和详实的数据资料，功耗小、精准度高、成本低廉，可以在海洋中进行长时间的不间断采样。

Description

一种基于声层析的海洋涡旋涡量测量方法

技术领域

本发明涉及海洋学技术领域，具体涉及一种基于声层析的海洋涡旋涡量测量方法。

背景技术

近年来，为了加深对海洋涡旋的研究，了解海洋涡旋系统中涡量的动态变化情况，需要对海洋涡旋系统进行中小尺度上的持续观测。现有技术中,卫星只能对海面的特征数据进行采样观测,不能对海面以下的物理信息进行观测；海洋浮标、潜标的可控性和精准性较差，有时不能满足研究需要；科考船走航的方式，费用高昂，难以做到高密度站位观测，不适用于长期跟踪观测海洋中尺度涡旋；水下滑翔机的运动速度低于大多数涡旋的旋转速度，不能实现跟踪精准观测。

声学传感器组成的基阵，作为一种性能较强的自主观测平台，已经被用在很多海洋观测任务中，并获取了大量的精细观测数据，其主要的特点是功耗小、精准度高、成本低廉，可以在海洋中进行长时间的不间断采样。因此，将声学传感器应用于海洋涡旋观测研究具有较好的开发前景。

发明内容

本发明主要是为了解决现有的海洋涡旋观测技术可控性差、精准性差、费用高的问题，提供了一种基于声层析的海洋涡旋涡量测量方法，基于声学传感器阵列，根据射线声学理论和声互易传输原理，建立稳定的海洋涡旋流速反演算法，对海洋涡旋的流速分量进行精准快速测量，从而实现中尺度涡旋涡量的测量，掌握涡旋的强度变化及运动规律，为海洋涡旋研究提供精准和详实的数据资料，本方案功耗小、精准度高、成本低廉，可以在海洋中进行长时间的不间断采样。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于声层析的海洋涡旋涡量测量方法，包括以下步骤：步骤S1)在待测涡旋区域内布局声学传感器阵列；步骤S2)基于声学传感器阵列，将待测涡旋区域由外到内分为多层，形成多个测量回路；步骤S3)计算测量回路中每段路径的长度及对应的流速分量；步骤S4)根据每段路径的长度及对应的流速分量，计算测量回路的速度环量；步骤S5)根据斯托克斯定律，对速度环量求二阶混合偏导数，获得测量回路对应范围的涡量。本发明基于声层析技术，实现对中尺度涡旋涡量的测量，具体过程为：首先在待测涡旋区域内布局声学传感器阵列，声学传感器阵列由多个依次排列围成圈的声学传感器组成；基于声学传感器阵列，将待测涡旋区域由外至内分为多层，形成内外的多个测量回路，每个测量回路由多段路径组成；然后根据各个声学传感器的经纬度，计算各段路径的长度；基于声学传感器阵列，根据射线声学理论和声互易传输原理，建立海洋涡旋流速反演算法，计算每段路径对应的流速分量；再根据速度环量的定义和每段路径的长度及流速分量，计算测量回路的速度环量；最后根据斯托克斯定律——穿过一开曲面的涡通量等于绕开曲面周界的速度环量，即上述计算获得的测量回路速度环量等于穿过测量回路所围成曲面的涡通量；由于涡通量是涡量在一个截面上的面积分，对涡通量求二阶混合偏导数，则可获得测量回路所包围范围内的涡量。本方案解决了传统海洋涡旋涡量测量方法所面临的困难，实现快速、精准、可靠测量待测涡旋区域内中尺度涡旋的涡量，掌握涡旋的强度变化及运动规律，为海洋涡旋研究提供精准和详实的数据资料，对海洋中大中尺度物理现象的探索有着重要意义。与现有技术相比，本方案能对海面以下的物理信息进行观测；可控性和精准性较好，满足研究需要；费用合适，适用于长期跟踪观测海洋中尺度涡旋。

作为优选，步骤S1中所述声学传感器阵列包括多个声学传感器，所述多个声学传感器在待测涡旋区域内依次排列围成圈。本方案在待测涡旋区域内布置八个声学传感器，作为声音收发站点，八个声学传感器按圆圈分布式站位，组成声学传感器阵列。

作为优选，步骤S2中所述测量回路为三个，包括外层测量回路、中间层测量回路和内层测量回路；所述测量回路由若干段路径组成。本方案基于声学传感器阵列，将待测涡旋区域由外到内分为三层，形成三个测量回路，包括外层测量回路、中间层测量回路和内层测量回路。具体的，将八个声学传感器依次连线组成外层测量回路；从八个声学传感器中通过间隔一个声学传感器选点的方式选取四个声学传感器，将这四个声学传感器依次连线组成一个四边形，同时将剩下的四个声学传感器也依次连线组成一个四边形，将两个四边形的交点依次连线组成中间层测量回路；从八个声学传感器中通过间隔两个声学传感器选点的方式选取三个声学传感器，将这三个声学传感器依次连线组成一个三角形，同时将剩下的六个声学传感器按照同样原则分成两组，将每组的声学传感器依次连线组成三角形，最后将三个三角形的交点依次连线组成内层测量回路。

作为优选，步骤S4中计算测量回路速度环量的公式为：

其中，Γ为速度环量、ΔL_i为第i段路径的长度、V_ti为第i段路径上的流速分量。

由于速度环量的定义公式为：

本方案测量回路的速度环量用若干段路径对应长度与流速分量乘积的和近似表示：

沿某一声传播路线上将流速在连线上进行投影，获得流速分量V_t，表达式为：

V_t＝V cosθ

式中θ为流速V与两个声学传感器站位连线(近似为声线)之间的夹角。

结合上述两个公式，获得测量回路速度环量的计算公式：

其中，Γ为速度环量、ΔL_i为第i段路径的长度、V_ti为第i段路径上的流速分量。

作为优选，所述外层测量回路流速分量的计算公式为：

其中，t_i→i+1为从第i个声学传感器到第i+1个声学传感器的声信号传输时间、t_i+1→i为从第i+1个声学传感器到第i个声学传感器的声信号传输时间。

外层测量回路流速分量计算公式推导过程为：

根据：

获得：

其中，C为声速，在海洋中其值根据CTD测得的温度、盐度和深度数据计算得到，具体计算公式为：

C＝1448.96+4.591T-5.304×10^-2T²+2.374×10^-4T³

+1.340(S-35)+1.630×10^-2z+1.675×10^-7z²

-1.025×10^-2T(S-35)-7.139×Tz³

式中T为温度(摄氏度)，S为盐度(千分度)，z为深度(米)。

作为优选，所述中间层测量回路流速分量的计算公式为：

其中，t_i→i+2为从第i个声学传感器到第i+2个声学传感器的声信号传输时间、t_i+2→i为从第i+2个声学传感器到第i个声学传感器的声信号传输时间。

中间层测量回路流速分量计算公式推导过程为：

根据：

获得：

其中，C为声速，在海洋中其值根据CTD测得的温度、盐度和深度数据计算得到，具体计算公式为：

式中T为温度(摄氏度)，S为盐度(千分度)，z为深度(米)。

作为优选，所述内层测量回路流速分量的计算公式为：

其中，t_i→i+3为从第i个声学传感器到第i+3个声学传感器的声信号传输时间、t_i+3→i为从第i+3个声学传感器到第i个声学传感器的声信号传输时间。

内层测量回路流速分量计算公式推导过程为：

根据：

获得：

其中，C为声速，在海洋中其值根据CTD测得的温度、盐度和深度数据计算得到，具体计算公式为：

C＝1448.96+4.591T-5.304×10^-2T²+2.374×10^-4T³

+1.340(S-35)+1.630×10^-2z+1.675×10^-7z²

-1.025×10^-2T(S-35)-7.139×Tz³

式中T为温度(摄氏度)，S为盐度(千分度)，z为深度(米)。

作为优选，所述外层测量回路每段路径长度的计算过程为：

ΔL_i＝L_i～i+1

其中，(x_i,y_i)为第i个声学传感器的经纬度、(x_i+1,y_i+1)为第i+1个声学传感器的经纬度、L_i～i+1为第i个声学传感器到第i+1个声学传感器的距离。外层测量回路每段路径的长度为对应的相邻两个声学传感器之间的距离。

作为优选，所述中间层测量回路每段路径长度的计算过程为：

其中，(x_i,y_i)为第i个声学传感器的经纬度、(x_i+2,y_i+2)为第i+2个声学传感器的经纬度、L_i～i+2为第i个声学传感器到第i+2个声学传感器的距离。

作为优选，所述内层测量回路每段路径长度的计算过程为：

其中，(x_i,y_i)为第i个声学传感器的经纬度、(x_i+3,y_i+3)为第i+3个声学传感器的经纬度、L_i～i+3为第i个声学传感器到第i+3个声学传感器的距离。

因此，本发明的优点是：基于声层析技术，实现快速、精准、可靠测量待测涡旋区域内中尺度涡旋的涡量，掌握涡旋的强度变化及运动规律，为海洋涡旋研究提供精准和详实的数据资料，对海洋中大中尺度物理现象的探索有着重要意义。与现有技术相比，本方案能对海面以下的物理信息进行观测；可控性和精准性较好，满足研究需要；费用合适，适用于长期跟踪观测海洋中尺度涡旋。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于声层析的海洋涡旋涡量测量方法的流程图。

图2是本发明实施例中声学传感器阵列的结构示意图。

图3是本发明实施例中外层测量回路的结构示意图。

图4是本发明实施例中中间层测量回路的结构示意图。

图5是本发明实施例中内层测量回路的结构示意图。

图6是本发明实施例中一种声层析系统收发基站的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例一：

如图1所示，一种基于声层析的海洋涡旋涡量测量方法，包括以下步骤：步骤S1)在待测涡旋区域内布局声学传感器阵列；步骤S2)基于声学传感器阵列，将待测涡旋区域由外到内分为多层，形成多个测量回路；步骤S3)计算测量回路中每段路径的长度及对应的流速分量；步骤S4)根据每段路径的长度及对应的流速分量，计算测量回路的速度环量；步骤S5)根据斯托克斯定律，对速度环量求二阶混合偏导数，获得测量回路对应范围的涡量。

本实施例基于声层析技术，实现对中尺度涡旋涡量的测量，具体过程为：

1)在待测涡旋区域内布局声学传感器阵列；本实施例在待测涡旋区域内布置八个声学传感器，作为声音收发站点，八个声学传感器按圆圈分布式站位，组成声学传感器阵列，如图2所示。2)基于声学传感器阵列，将待测涡旋区域由外至内分为多层，形成内外的多个测量回路，每个测量回路由多段路径组成；本实施例将待测涡旋区域由外至内分为三层，形成内外的三个测量回路，包括外层测量回路、中间层测量回路和内层测量回路，具体的，将八个声学传感器依次连线组成外层测量回路，如图3所示；从八个声学传感器中通过间隔一个声学传感器选点的方式选取四个声学传感器，将这四个声学传感器依次连线组成一个四边形，同时将剩下的四个声学传感器也依次连线组成一个四边形，将两个四边形的交点依次连线组成中间层测量回路，如图4所示；从八个声学传感器中通过间隔两个声学传感器选点的方式选取三个声学传感器，将这三个声学传感器依次连线组成一个三角形，同时将剩下的六个声学传感器按照同样原则分成两组，将每组的声学传感器依次连线组成三角形，最后将三个三角形的交点依次连线组成内层测量回路，如图5所示。

3)根据各个声学传感器的经纬度，计算各段路径的长度；

31)计算外层测量回路每段路径的长度：

ΔL_i＝L_i～i+1

其中，(x_i,y_i)为第i个声学传感器的经纬度、(x_i+1,y_i+1)为第i+1个声学传感器的经纬度、L_i～i+1为第i个声学传感器到第i+1个声学传感器的距离。即，(x_i,y_i)、(x_i+1,y_i+1)为相邻两个声学传感器的经纬度，L_i～i+1为相邻两个声学传感器的距离。外层测量回路每段路径的长度为对应的相邻两个声学传感器之间的距离。

32)计算中间层测量回路每段路径的长度：

其中，(x_i,y_i)为第i个声学传感器的经纬度、(x_i+2,y_i+2)为第i+2个声学传感器的经纬度、L_i～i+2为第i个声学传感器到第i+2个声学传感器的距离。即，(x_i,y_i)、(x_i+2,y_i+2)为间隔一个声学传感器的两个声学传感器的经纬度，L_i～i+2为间隔一个声学传感器的两个声学传感器的距离。

33)计算内层测量回路每段路径的长度：

其中，(x_i,y_i)为第i个声学传感器的经纬度、(x_i+3,y_i+3)为第i+3个声学传感器的经纬度、L_i～i+3为第i个声学传感器到第i+3个声学传感器的距离。即，(x_i,y_i)、(x_i+3,y_i+3)为间隔两个声学传感器的两个声学传感器的经纬度，L_i～i+3为间隔两个声学传感器的两个声学传感器的距离。

4)基于声学传感器阵列，结合射线声学理论和声互易传输原理，建立海洋涡旋流速反演算法，计算每段路径对应的流速分量；

根据每两站点(声学传感器)之间的双向声传播时间差来计算两点(声学传感器)之间的海水流速分量，构建多站点之间的双向海水流速模型，将各个方向的流速分量合并运算可得到观测海域涡旋的涡量大小。声信号传输时间通过互相关检测算法计算：

其中，N为发生声信号x(n)的数据长度，由T1→T2，两者声信号的互相关函数在某个时间时取得最大值，表明此时声信号到达T2接收端，T1到T2的声信号传播时间为同理，由T2到T1的声信号传播时间为/>f_s为采样频率。

为了区别各基站的接收数据中来自其他每一个声基站的信号，对每个基站的发送信号采用M序列伪随机码进行编码，测量时各声学传感器同步发送信号，发送一段时间后进行信号的采集和存储。通过测量两站点之间的双向声信号传播时间来实现海洋涡旋流速分量V_ti的计算。

41)计算外层测量回路流速分量：

由：

推导出外层测量回路流速分量的计算公式：

其中，t_i→i+1为从第i个声学传感器到第i+1个声学传感器的声信号传输时间；t_i+1→i为从第i+1个声学传感器到第i个声学传感器的声信号传输时间。

42)计算中间层测量回路流速分量：

由：

推导出中间层测量回路流速分量的计算公式：

其中，t_i→i+2为从第i个声学传感器到第i+2个声学传感器的声信号传输时间；t_i+2→i为从第i+2个声学传感器到第i个声学传感器的声信号传输时间。

43)计算内层测量回路流速分量：

由：

推导出内层测量回路流速分量的计算公式：

其中，t_i→i+3为从第i个声学传感器到第i+3个声学传感器的声信号传输时间；t_i+3→i为从第i+3个声学传感器到第i个声学传感器的声信号传输时间。

其中，C为声速，在海洋中其值根据CTD测得的温度、盐度和深度数据计算得到，具体计算公式为：

C＝1448.96+4.591T-5.304×10^-2T²+2.374×10^-4T³

+1.340(S-35)+1.630×10^-2z+1.675×10^-7z²

-1.025×10^-2T(S-35)-7.139×Tz³

式中T为温度(摄氏度)，S为盐度(千分度)，z为深度(米)。

5)根据速度环量定义和每段路径的长度及流速分量，计算获得测量回路的速度环量；

由于速度环量的定义公式为：

本实施例测量回路的速度环量用若干段路径对应长度与流速分量乘积的和近似表示：

沿某一声传播路线上将流速在连线上进行投影，获得流速分量V_t，表达式为：

V_t＝V cosθ

式中θ为流速与两个声学传感器站位连线(近似为声线)之间的夹角。

结合上述两个公式，获得测量回路速度环量的计算公式：

其中，Γ代表速度环量、ΔL_i代表第i段路径长度、V_ti代表第i段路径上的流速分量。

将步骤3)计算获得的各段路径长度和步骤4)计算获得的各段路径对应流速分量代入上述公式，计算获得测量回路的速度环量。

6)根据斯托克斯定律，对速度环量求二阶混合偏导数，获得待测涡旋区域内对应范围的涡量；根据斯托克斯定律——穿过一开曲面的涡通量等于绕开曲面周界的速度环量，即步骤5)计算获得的测量回路速度环量等于穿过测量回路所围成曲面的涡通量；由于涡通量是涡量在一个截面上的面积分，对涡通量求二阶混合偏导数，则可获得测量回路所包围范围内的涡量，完成对待测涡旋区域涡旋涡量的测量。

实施例二：

如图6所示，一种声层析系统收发基站，包括声层析水下收发换能器阵列1、声层析水上信号控制与处理模块2、GPS天线定位装置3、基站组网收发装置4、螺旋桨推进装置5、动力控制装置6、浮台7和锚系8，其中，

声层析水下收发换能器阵列1：用于水下声信号的发射和接收，与浮台7上的声层析水上信号控制与处理模块2连接；

声层析水上信号控制与处理模块2：用于生成、调制、放大、接收、存储信号；

GPS天线定位装置3：用于定位当前基站的经纬度并存储于声层析水上信号控制与处理模块2；

螺旋桨推进装置5：当需要改变测量海区时，利用此装置推动浮台7移动，到达指定位置；

动力控制装置6：控制浮台7的移动路线与进度；

锚系8：当进行长时间测量时，对整个浮台7进行固定。

Claims (1)

1.一种基于声层析的海洋涡旋涡量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：在待测涡旋区域内布局声学传感器阵列；

步骤S2：基于声学传感器阵列，将待测涡旋区域由外到内分为多层，形成多个测量回路；

步骤S3：计算测量回路中每段路径的长度及对应的流速分量；

步骤S4：根据每段路径的长度及对应的流速分量，计算测量回路的速度环量；

步骤S5：根据斯托克斯定律，对速度环量求二阶混合偏导数，获得测量回路对应范围的涡量；

步骤S1中，在待测涡旋区域内布置八个声学传感器，作为声音收发站点，八个声学传感器按圆圈分布式站位，组成声学传感器阵列；

步骤S2中所述测量回路为三个，包括外层测量回路、中间层测量回路和内层测量回路；所述测量回路由若干段路径组成；将八个声学传感器依次连线组成外层测量回路；从八个声学传感器中通过间隔一个声学传感器选点的方式选取四个声学传感器，将这四个声学传感器依次连线组成一个四边形，同时将剩下的四个声学传感器也依次连线组成一个四边形，将两个四边形的交点依次连线组成中间层测量回路；从八个声学传感器中通过间隔两个声学传感器选点的方式进行连线得到八条线，将这八条线围成的八边形作为内层测量回路；

步骤S3中，所述外层测量回路每段路径长度的计算过程为：

ΔL_i＝L_i～i+1

其中，(x_i,y_i)为第i个声学传感器的经纬度、(x_i+1,y_i+1)为第i+1个声学传感器的经纬度、L_i～i+1为第i个声学传感器到第i+1个声学传感器的距离；

所述中间层测量回路每段路径长度的计算过程为：

其中，(x_i,y_i)为第i个声学传感器的经纬度、(x_i+2,y_i+2)为第i+2个声学传感器的经纬度、L_i～i+2为第i个声学传感器到第i+2个声学传感器的距离；

所述内层测量回路每段路径长度的计算过程为：

其中，(x_i,y_i)为第i个声学传感器的经纬度、(x_i+1,y_i+1)为第i+1个声学传感器的经纬度、L_i～i+1为第i个声学传感器到第i+1个声学传感器的距离；

所述外层测量回路流速分量的计算公式为：

其中，L_i～i+1为第i个声学传感器到第i+1个声学传感器的距离、t_i→i+1为从第i个声学传感器到第i+1个声学传感器的声信号传输时间、t_i+1→i为从第i+1个声学传感器到第i个声学传感器的声信号传输时间；

所述中间层测量回路流速分量的计算公式为：

其中，L_i～i+2为第i个声学传感器到第i+2个声学传感器的距离、t_i→i+2为从第i个声学传感器到第i+2个声学传感器的声信号传输时间、t_i+2→i为从第i+2个声学传感器到第i个声学传感器的声信号传输时间；

所述内层测量回路流速分量的计算公式为：

其中，L_i～i+3为第i个声学传感器到第i+3个声学传感器的距离、t_i→i+3为从第i个声学传感器到第i+3个声学传感器的声信号传输时间、t_i+3→i为从第i+3个声学传感器到第i个声学传感器的声信号传输时间；

步骤S4中计算测量回路速度环量的公式为：

其中，Γ为速度环量、ΔL_i为第i段路径的长度、V_ti为第i段路径上的流速分量。