專利名稱：一種淺海非線性內(nèi)波聲學(xué)監(jiān)測方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種淺海非線性內(nèi)波聲學(xué)監(jiān)測方法和系統(tǒng)。
現(xiàn)有技術(shù)海洋內(nèi)波是發(fā)生在具有穩(wěn)定層化密度的海水內(nèi)部的一種波動，其在傳播過程中引起強烈的海水混合，對整個海洋中能量的收支和平衡過程、海底地形地貌、海底物質(zhì)輸運、 海洋生態(tài)環(huán)境變化起著十分重要的作用。監(jiān)測淺海非線性內(nèi)波對海上航行、海洋研究、海洋開發(fā)和海上戰(zhàn)場環(huán)境建設(shè)有重要意義。因內(nèi)波出現(xiàn)在海洋內(nèi)部，采用測量表面波的方法難以對其進行有效監(jiān)測。目前對淺海內(nèi)波進行監(jiān)測的方法一般采用浮標(biāo)觀測鏈或錨系觀測鏈，為了準(zhǔn)確地測量內(nèi)波波長、 振幅等參數(shù)，須在觀測鏈上放置多個溫度傳感器或流速計，通過測量得到的溫度或流速剖面獲得內(nèi)波參數(shù)。吳旌等人的專利(申請?zhí)?00710187340.X)則采用錨系水中可升降漂浮平臺實現(xiàn)內(nèi)波數(shù)據(jù)測量。另外也可以采用聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current ftx)filer)，通過測得的流速剖面信息獲得內(nèi)波參數(shù)。還有通過分析高頻寬帶聲學(xué)背向散射儀測得的反向聲散射強度，也可以獲得內(nèi)波參數(shù)信息。以上測量方法均要求內(nèi)波必須通過觀測儀器所在位置，且只能測量一個地點的內(nèi)波參數(shù)，若測量某個海區(qū)內(nèi)波參數(shù)的時空變化信息，則需在觀測海區(qū)布設(shè)多個觀測站位。采用海洋衛(wèi)星遙感技術(shù)或雷達雖然可以獲得較大范圍內(nèi)的內(nèi)波時空信息，但卻是通過內(nèi)波在海表面表現(xiàn)出來的間接信息獲得的，因此難以對存在于海洋內(nèi)部的內(nèi)波參數(shù)進行全面、準(zhǔn)確地監(jiān)測。采用溫鹽深儀(CTD)、溫度鏈、流速計和聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)等傳統(tǒng)方法對內(nèi)波進行大范圍的、同步連續(xù)監(jiān)測難度較大，成本較高，而采用星載合成孔徑雷達或船載雷達，只能觀測到由于內(nèi)波引起的表面調(diào)制效應(yīng)，對深處普遍存在的內(nèi)波觀測較困難，觀測頻率低，無法進行連續(xù)觀測，且觀測精度受到海面狀況的制約。發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種淺海非線性內(nèi)波聲學(xué)監(jiān)測方法和系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思如下在內(nèi)波——尤其是非線性內(nèi)波頻繁活動的淺海海區(qū)，采用聲學(xué)手段，即通過分析相隔一定水平距離的聲學(xué)站位接收信號，實時地獲得大范圍的海洋環(huán)境參數(shù)，利用躍層中聲傳播起伏特征和內(nèi)波特征間的密切關(guān)系，獲取內(nèi)波有關(guān)特征參數(shù)，如非線性內(nèi)波移動速度或非線性內(nèi)波振幅。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下一種淺海非線性內(nèi)波聲學(xué)監(jiān)測方法，包括根據(jù)已有的海洋環(huán)境參數(shù)觀測資料確定觀測海區(qū)非線性內(nèi)波傳播方向；其特征在于還包括以下步驟(1)選擇聲發(fā)射監(jiān)測站與聲接收監(jiān)測站位置，使聲傳播方向與非線性內(nèi)波傳播方向平行，且聲發(fā)射監(jiān)測站與聲接收監(jiān)測站間距離設(shè)置為2-10公里；(2)確定發(fā)射信號編碼和頻率參數(shù)；(3)通過上述聲發(fā)射監(jiān)測站發(fā)射步驟( 所確定的信號，通過聲接收監(jiān)測站的多個水聽器接收該信號；(4)對上述各個水聽器接收到的聲信號進行濾波、解碼和采樣，并將采樣后的聲傳播數(shù)據(jù)存儲；(5)進行非線性內(nèi)波移動速度反演對采樣后的聲傳播數(shù)據(jù)采用簡正波過濾方法進行處理，獲得聲接收監(jiān)測站位處各階簡正波的到達時間和振幅；然后對所得各階簡正波振幅，利用短時頻譜分析方法，獲得譜峰頻率；再利用該獲得的譜峰頻率，反演非線性內(nèi)波移動速度U。上述步驟( 利用了簡正波過濾方法和短時頻譜分析方法，這是由于當(dāng)聲發(fā)射檢測站和聲接收檢測站之間存在非線性內(nèi)波時，根據(jù)簡正波耦合理論，接收聲場可表示為各號簡正波之和
權(quán)利要求
1.一種淺海非線性內(nèi)波聲學(xué)監(jiān)測方法，包括根據(jù)已有的海洋環(huán)境參數(shù)觀測資料確定觀測海區(qū)非線性內(nèi)波傳播方向；其特征在于還包括以下步驟(1)選擇聲發(fā)射監(jiān)測站與聲接收監(jiān)測站位置，使聲傳播方向與非線性內(nèi)波傳播方向平行，且聲發(fā)射監(jiān)測站與聲接收監(jiān)測站間距離設(shè)置為2-10公里；(2)確定發(fā)射信號編碼和頻率參數(shù)；(3)通過上述聲發(fā)射監(jiān)測站發(fā)射步驟( 所確定的信號，通過聲接收監(jiān)測站的多個水聽器接收該信號；(4)對上述各個水聽器接收到的聲信號進行濾波、解碼和采樣，并將采樣后的聲傳播數(shù)據(jù)存儲；(5)進行非線性內(nèi)波移動速度反演對采樣后的聲傳播數(shù)據(jù)采用簡正波過濾方法進行處理，獲得聲接收監(jiān)測站位處各階簡正波的到達時間和振幅；然后對所得各階簡正波振幅，利用短時頻譜分析方法，獲得譜峰頻率；再利用該獲得的譜峰頻率，反演非線性內(nèi)波移動速度U。
2.一種淺海非線性內(nèi)波聲學(xué)監(jiān)測方法，包括根據(jù)已有的海洋環(huán)境參數(shù)觀測資料確定觀測海區(qū)非線性內(nèi)波傳播方向；其特征在于還包括以下步驟(1)選擇聲發(fā)射監(jiān)測站與聲接收監(jiān)測站位置，使聲傳播方向與非線性內(nèi)波傳播方向垂直，且聲發(fā)射監(jiān)測站與聲接收監(jiān)測站間距離設(shè)置為2-10公里；(2)根據(jù)聲發(fā)射監(jiān)測站與聲接收監(jiān)測站間距和海水水深，確定發(fā)射信號編碼和頻率參數(shù)；(3)通過上述聲發(fā)射監(jiān)測站發(fā)射步驟( 所確定的信號，通過聲接收監(jiān)測站的多個水聽器接收該信號；(4)對上述各個水聽器接收到的聲信號進行濾波、解碼和采樣，并將采樣后的聲傳播數(shù)據(jù)存儲；(5)進行非線性內(nèi)波振幅反演對采樣后的聲傳播數(shù)據(jù)采用簡正波過濾方法進行處理，獲得聲接收監(jiān)測站位處各階簡正波的到達時間和振幅；然后采用經(jīng)驗正交方法，獲得觀測海區(qū)聲速擾動對應(yīng)的本征模態(tài)，再利用所得各階簡正波到達時間，計算上述本征模態(tài)的時間參數(shù)，進而獲得聲速擾動，最后得到非線性內(nèi)波振幅。
3.如權(quán)利要求1或2所述的監(jiān)測方法，其特征在于上述聲發(fā)射監(jiān)測站與聲接收監(jiān)測站是船載、浮標(biāo)或錨系的方式固定于海水中。
4.如權(quán)利要求1或2所述的監(jiān)測方法，其特征在于上述確定發(fā)射信號編碼和頻率參數(shù)， 是選擇發(fā)射偽隨機信號、掃頻信號或混沌信號及其階次或頻率。
5.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)測方法，其特征在于上述利用獲得的譜峰頻率反演非線性內(nèi)波移動速度u，是根據(jù)以下公式計算其中ω·為譜峰頻率，<和<分別是聲接收監(jiān)測站和聲發(fā)射監(jiān)測站的簡正波波數(shù)，U為內(nèi)波的移動速度。
6.一種淺海非線性內(nèi)波聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)，包括連接有上位機(7)和時鐘同步單元(5)的帶有時鐘基準(zhǔn)模塊(6 的單片機(6)，與單片機(6)和時鐘同步單元( 相連的接收單元 G)，與單片機(6)和發(fā)射換能器(1)相連的內(nèi)含信號發(fā)生器的發(fā)射單元O)；以及為單片機(6)和發(fā)射單元( 供電的電源單元(8)，其特征在于上述接收單元(4)還設(shè)有多路復(fù)用開關(guān)(41)，且經(jīng)該多路復(fù)用開關(guān)Gl)連接一個包含2 16個水聽器的水聽器陣(3)； 上述信號發(fā)生器發(fā)射三種信號，分別是偽隨機信號、掃頻信號和混沌信號。
7.如權(quán)利要求6所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于上述接收單元(4)包括依次與水聽器陣 (3)連接的多路復(fù)用開關(guān)(41)、帶通濾波器(42)、放大器(43)、信號相關(guān)解調(diào)器04)和A/ D轉(zhuǎn)換器(45)，并經(jīng)由該A/D轉(zhuǎn)換器0 與單片機(6)連接。
8.如權(quán)利要求6所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于上述發(fā)射單元(2)包括內(nèi)由單片機(6) 控制的信號發(fā)生器，以及將信號發(fā)生器的信號放大后再通過發(fā)射換能器(1)發(fā)射的寬帶功率放大器02)與阻抗匹配器03)。
9.如權(quán)利要求6所述的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于上述時鐘同步單元(5)包括與單片機 (6)及其時鐘基準(zhǔn)模塊(62)相連的定時回路(53)，與單片機(6)和定時回路(53)相連的帶有GPS天線(51)的GPS接收器(52)。
全文摘要
一種淺海非線性內(nèi)波聲學(xué)監(jiān)測方法及系統(tǒng)，包括使距離在2-10公里的聲發(fā)射、接收監(jiān)測站的方向與非線性內(nèi)波傳播方向平行或垂直，聲發(fā)射監(jiān)測站發(fā)射聲信號，聲接收監(jiān)測接收該信號并進行濾波、解碼和采樣，并將采樣后的聲傳播數(shù)據(jù)存儲；最后進行非線性內(nèi)波移動速度或振幅的反演。該系統(tǒng)包括分別連接有帶發(fā)射換能器的發(fā)射單元、接收單元、時鐘同步單元和上位機的單片機，且所述接收單元經(jīng)該多路復(fù)用開關(guān)連接一個包含2～16個水聽器的水聽器陣；發(fā)射單元內(nèi)含信號發(fā)生器能夠發(fā)射偽隨機信號、掃頻信號和混沌信號。本發(fā)明步驟簡單、實施方便、測量效率高、監(jiān)測結(jié)果可靠精確；監(jiān)測系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、便于使用的優(yōu)勢，具有廣泛的應(yīng)用價值。
文檔編號G01H3/10GK102353515SQ201110168519
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月22日
發(fā)明者劉進忠, 林巨, 王寧, 金子新 申請人:中國海洋大學(xué)