一种多发多收式声学测量海洋内波方法

摘要

本发明涉及一种多发多收式声学测量海洋内波方法，该方法通过内波测量装置发射不同频段的声波信号，测量各个频段声波在海水中的垂向传播时间，在去除背景环境因素影响后得到回声时间扰动，并结合内波动力学性质，建立回声时间扰动与内波振幅的关系，从而获取内波引起的全水深温度、盐度、流速等关键水文参数的变化，进而达到海洋内波观测的目的。本发明可以广泛用于海洋内波观测，特别是深海内波观测。

主权项

一种多发多收式声学测量海洋内波方法，其包括以下步骤：1）将安装有内波测量装置的浮力舱放于海底，换能器垂直向上朝向海面；2）同步发射预设的m个频段的声学信号；3）接收返回的声学信号，并分别记录各频段声学信号的回声时间{t_i′}，i=1,2,…,m；4)确定去除背景环境影响的回声时间：4.1）将步骤3）的回声时间去除因潮汐海平面起伏所造成的回声时间变化的硬性，获得去除潮汐影响后的回声时间{t_i}，i=1,2,…,m；4.2）去除潮汐影响后的回声时间{t_i}，i=1,2,…,m满足下式Rayleigh概率分布：$y=\frac{x-t_0}{b^2}\exp [-\frac{{(x-t_0)}^2}{2b^2}]$上式中，b为Rayleigh分布曲线的宽度，t₀为不存在粗糙海平面和海洋噪声影响的回声时间，其大小通过对去除潮汐影响后的回声时间{t_i}，i=1,2,…,m做非线性拟合确定；5）建立回声时间扰动时间序列：5.1）重复执行步骤2）～4）连续观测n次后，获得n个去除潮汐、粗糙海平面和海洋噪声影响的回声时间，构成去除背景环境影响回声时间的时间序列{t_0j}，j=1,2,…,n；5.2）将{t_j0}，j=1,2,…,n去除其平均值，获得相应的回声时间扰动时间序列{τ_j}，j=1,2,…,n；6）通过现场测量或分析历史数据获取当地海区背景温度T、背景盐度S随海水深度z的变化情况，根据海水状态方程求解背景密度场将其代入下式计算浮力频率N：$N^2=-\frac{g}{{\rho }_0}\frac{d\stackrel{-}{\rho }\left(z\right)}{\mathrm{dz}}$上式中，g为重力加速度，ρ₀为定常的密度参数；7）将步骤6）获得的浮力频率N代入以下正交模态方程，通过求解方程特征值确定内波垂直结构模态Φ：$\frac{\mathrm{d\Phi }}{\mathrm{dz}}+\frac{N^2-{\omega }^2}{c^2}\Phi =0$上式中，ω为内波频率，c为内波波速；8）建立内波振幅与回声时间扰动的关系：8.1）基于步骤6）中的提供的背景温度T、背景盐度S条件，假设一内波振幅为A，其引起的温度剖面T_iw和盐度剖面S_iw由下式确定：$T_{\mathrm{iw}}=T+\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dz}}\times \Phi \times A$$S_{\mathrm{iw}}=S+\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dz}}\times \Phi \times A$8.2）基于步骤8.1）所获得的温度剖面T_iw、盐度剖面S_iw，利用海水声速方程确定声速随海水深度z的分布c_iw(z)，将其代入下式计算相应的回声时间t″：$t^{\prime \prime }={\int }_{-H}^0\frac{2}{c_{\mathrm{iw}}\left(z\right)}\mathrm{dz}$上式中，H是浮力舱到海表的距离；8.3）基于步骤6）中的背景温度T和背景盐度S，利用海水声速方程确定声速随海水深度z的分布c_iw0(z)，将其代入下式计算无内波状态下的回声时间t₀″：$t_0^{\prime \prime }={\int }_{-H}^0\frac{2}{c_{\mathrm{iw}0}\left(z\right)}\mathrm{dz}$上式中，H是浮力舱到海表的距离；8.4）将步骤8.2）～8.3）确定的两回声时间t″和t₀″代入回声时间扰动的定义式τ=t″‑t₀″，从而获得当地海区回声时间扰动τ和内波振幅A的关系：A=A(τ)8.5)已知步骤5）测量的回声时间扰动为时间序列{τ_j}，j=1,2,…,n，根据步骤8.4）确立的回声时间扰动τ和内波振幅A的映射关系，获得对应的内波振幅时间序列为{A_j}，j=1,2,…,n；9）根据步骤8.5）获得的内波振幅时间序列为{A_j}，j=1,2,…,n，通过下式得出相应的温度{T_j}、盐度{S_j}、流速(u_j,w_j)剖面的变化：$T_j=T+\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dz}}\times \Phi \times A_j$$S_j=S+\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dz}}\times \Phi \times A_j$$u_j=c\times A_j\times \frac{\mathrm{d\Phi }}{\mathrm{dz}}$$w_j=\Phi \times \frac{{\mathrm{dA}}_j}{\mathrm{dt}}$上式中，u_j为水平流速，w_j为垂直流速。