專利名稱：一種海洋內(nèi)波聲學(xué)探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海洋技術(shù)領(lǐng)域，主要是一種海洋內(nèi)波聲學(xué)探測方法。
背景技術(shù)：
海洋內(nèi)波探測(監(jiān)測)和研究是海洋動力環(huán)境研究的重要內(nèi)容，如何長期定點連續(xù)探測(監(jiān)測)海洋內(nèi)波是海洋內(nèi)波研究的關(guān)鍵，目前，國際上監(jiān)測海洋內(nèi)波的非聲學(xué)手段主要有以下幾類錨系儀器陣列觀測、走航拖曳儀器觀測、垂向下放儀器觀測、中性浮子觀測以及衛(wèi)星遙感觀測等。海洋內(nèi)波與聲場的相互關(guān)系是一個十分重要的研究課題。內(nèi)波是影響聲學(xué)信道特征的重要因素，反之，受內(nèi)波影響的聲場也包含著海洋內(nèi)波動力過程的信息。因此，使用聲學(xué)方法將成為探測海洋內(nèi)波的一種重要手段，越來越受到海洋科學(xué)家的重視。海洋內(nèi)波描述不僅需要內(nèi)波的振幅，也需要有內(nèi)波的波長、頻率、內(nèi)波的運動方向及波內(nèi)海水質(zhì)點的運動狀態(tài)，發(fā)展能夠比較全面檢測內(nèi)波各種參數(shù)的聲學(xué)內(nèi)波監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備是目前國際、國內(nèi)內(nèi)波探測技術(shù)的發(fā)展方向。目前國內(nèi)外海洋科學(xué)家用聲學(xué)方法探測內(nèi)波的設(shè)備主要方法有兩種，一種是用現(xiàn)有的ADCP等設(shè)備，從ADCP測量的流速、回波信號強度等數(shù)據(jù)獲取內(nèi)波信息，另一種是研制專門的聲學(xué)內(nèi)波測量技術(shù)和設(shè)備，對海洋內(nèi)波進行長期連續(xù)觀察，據(jù)報道美國曾研制了一種工作頻率為12kHz的聲學(xué)潛標(biāo)用于監(jiān)測海洋內(nèi)波的振幅。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是用聲學(xué)方法實現(xiàn)海洋內(nèi)波參數(shù)的提取，即同時獲取海洋中內(nèi)波的振幅、周期、傳播方向和傳播速度等，而提供一種海洋內(nèi)波聲學(xué)探測方法。本發(fā)明的機理海水密度和流速可看成按深度分層分布的。在正常情況下，海水密度和流速在深度方向的分布不會發(fā)生明顯變化，當(dāng)海洋內(nèi)波到來時，海水密度和流速在深度方向的分層結(jié)構(gòu)隨內(nèi)波強烈起伏發(fā)生明顯改變，海洋內(nèi)波聲學(xué)探測就是通過測量海水反射強度和流速在深度方向的變化，再利用內(nèi)波信息提取技術(shù)，獲得內(nèi)波的振幅、周期、傳播方向和傳播速度。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案本發(fā)明采用的耐高壓換能器基陣，海水微弱反射信號提取以及內(nèi)波參數(shù)提取技術(shù)等，構(gòu)成滿足大深度海水剖面測量要求的海洋內(nèi)波聲學(xué)探測技術(shù)方案，這在所檢索到的國內(nèi)外相關(guān)專利中尚未見述及。本發(fā)明所述的這種海洋內(nèi)波聲學(xué)探測方法，步驟如下(1)、利用定點布放于深海的相控換能器陣，形成JANUS結(jié)構(gòu)的4個波束，用于測量各個分層水體的流速Vij和回波強度Iij ；其中i = 1:4，j = 1:M，M為層數(shù)，Vij和Iij由信號處理板通過電纜傳給輔助潛標(biāo)上的內(nèi)波信息提取板，并分別記錄在信號處理板和內(nèi)波信息提取板上；(2)、輔助潛標(biāo)上的內(nèi)波信息提取板開始接收到采集數(shù)據(jù)后，由四個波束的流速通過下式計算出東向和北向流速；Vnj = V13jCos θ -V34jSin θ(1)Vej = V13jSin θ +V34jCos θ(2)其中，V13j= Vlj-V3j, V24j = V2j-V4j θ 為航向角；從第7個時刻起，動態(tài)預(yù)測與修正法開始平滑濾波，從第M時刻起組成M個數(shù)據(jù)的一個動態(tài)數(shù)據(jù)包，啟動內(nèi)波識別判斷條件；當(dāng)Ij隨時間和深度的變化率分別大于某一域值時，認為有內(nèi)波出現(xiàn)；(3)、若動態(tài)數(shù)據(jù)包內(nèi)檢測到有內(nèi)波，則以后每一時刻一直增加該動態(tài)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)數(shù)，直到檢測到內(nèi)波結(jié)束時刻或者超過90分鐘硬性終止該內(nèi)波的檢測；(4)、檢測到內(nèi)波結(jié)束時刻后，由kdv方程計算內(nèi)波的振幅、周期、傳播速度和方向ut+ α uux+ β Uxxx = O(3)計算出內(nèi)波周期、振幅、速度和方向角后，保存在數(shù)組中，并傳輸給衛(wèi)星通信浮標(biāo)， 由衛(wèi)星通信浮標(biāo)發(fā)送至衛(wèi)星，再通過岸基地衛(wèi)星接收機接收衛(wèi)星信號，解釋出內(nèi)波參數(shù)信肩、ο作為優(yōu)選，水層厚度選擇4一8米。作為優(yōu)選，所述的相控換能器陣是耐高壓、大尺寸換能器基陣。本發(fā)明有益的效果是內(nèi)波誘發(fā)出海水的強烈運動，是海上軍事活動和海洋工程設(shè)施的重大安全隱患，并對海洋環(huán)境具有重要影響。內(nèi)波探測技術(shù)對開發(fā)海洋資源、維護國家海洋安全和推動海洋科技進步具有重大意義。


圖1為系統(tǒng)的連接圖；其中1為重塊，2為繩子，3潛標(biāo)，4為長電纜，5為輔助潛標(biāo)，6為短電纜，7為浮標(biāo)。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明本發(fā)明所述的一種海洋內(nèi)波聲學(xué)探測方法，采用耐高壓、大尺寸換能器基陣設(shè)計， 大深度海水剖面水層流速測量，大深度海水剖面水層回波強度測量，以及利用測量的海水水層剖面進行內(nèi)波參數(shù)提取技術(shù)。該發(fā)明用聲學(xué)方法實現(xiàn)海洋內(nèi)波參數(shù)的提取，即同時獲取海洋中內(nèi)波的振幅、周期、傳播方向和傳播速度等。用相控陣聲納測量海洋分層剖面中每個接收波束的海水反射信號強度和流速，對每個接收波束的不同深度海水反射信號強度和流速的分析，判別內(nèi)波是否存在，一旦內(nèi)波存在，啟動內(nèi)波信息提取處理，計算內(nèi)波的振幅、 周期、傳播方向和傳播速度。這種海洋內(nèi)波聲學(xué)探測方法，具體步驟如下(1)、利用定點布放于深海的相控換能器陣(耐高壓、大尺寸換能器基陣)，形成 JANUS結(jié)構(gòu)的4個波束，用于測量各個分層水體(水層厚度選擇4-8米)的流速Vu和回波強度Iij ；其中i = 1:4，j = 1:M, M為層數(shù)，Vij和Iij由信號處理板通過電纜傳給輔助潛標(biāo)上的內(nèi)波信息提取板，并分別記錄在信號處理板和內(nèi)波信息提取板上；
(2)、輔助潛標(biāo)上的內(nèi)波信息提取板開始接收到采集數(shù)據(jù)后，由四個波束的流速通過下式計算出東向和北向流速；Vnj = V13jCos θ -V34jSin θ (1)Vej = V13jSin θ +V34jCos θ (2)其中，V13j= Vlj-V3j, V24j = V2j-V4j θ 為航向角；從第7個時刻起，動態(tài)預(yù)測與修正法開始平滑濾波，從第M時刻起組成M個數(shù)據(jù)的一個動態(tài)數(shù)據(jù)包，啟動內(nèi)波識別判斷條件；當(dāng)Ij隨時間和深度的變化率分別大于某一域值時，認為有內(nèi)波出現(xiàn)；(3)、若動態(tài)數(shù)據(jù)包內(nèi)檢測到有內(nèi)波，則以后每一時刻一直增加該動態(tài)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)數(shù)，直到檢測到內(nèi)波結(jié)束時刻或者超過90分鐘硬性終止該內(nèi)波的檢測；(4)、檢測到內(nèi)波結(jié)束時刻后，由kdv方程計算內(nèi)波的振幅、周期、傳播速度和方向ut+ α uux+ β Uxxx = O (3)計算出內(nèi)波周期、振幅、速度和方向角后，保存在數(shù)組中，并傳輸給衛(wèi)星通信浮標(biāo)， 由衛(wèi)星通信浮標(biāo)發(fā)送至衛(wèi)星，再通過岸基地衛(wèi)星接收機接收衛(wèi)星信號，解釋出內(nèi)波參數(shù)信肩、ο如附圖1所示，布放前根據(jù)水深，確定繩子2的長度，先將重塊吊入水中，之后吊入潛標(biāo)，依次吊入輔助潛標(biāo)和浮標(biāo)。當(dāng)深度大于等于400米時，潛標(biāo)啟動，其系統(tǒng)工作過程如下1，潛標(biāo)通過讀取深度傳感器的數(shù)據(jù)來控制系統(tǒng)的工作與否，當(dāng)深度超過400米時，系統(tǒng)啟動，發(fā)射M序列信號，同時接收水層回波，解算4個波束的速度，將速度、回波信號強度記錄存儲。2，潛標(biāo)解算出的四個波束的速度信息傳輸給輔助潛標(biāo)，由輔助潛標(biāo)進行東向、北向流速的計算，以及內(nèi)波參數(shù)的估算。 3，輔助潛標(biāo)計算出的內(nèi)波參數(shù)傳送給浮標(biāo)。4，浮標(biāo)把參數(shù)信息發(fā)給衛(wèi)星。5，通過衛(wèi)星接收機接收衛(wèi)星信號，并解算出內(nèi)波參數(shù)及潛標(biāo)的所處的深度。最后應(yīng)說明，以上實例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案并且不限與此，而是在應(yīng)用上可以延伸到其它的修改，變化，應(yīng)用，并且認為所有這樣的修改，變化，應(yīng)用，實施實例都在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種海洋內(nèi)波聲學(xué)探測方法，其特征是該方法步驟如下(1)、利用定點布放于深海的相控換能器陣，形成JANUS結(jié)構(gòu)的4個波束，用于測量各個分層水體的流速Vij和回波強度Iij ；其中i = 1:4，j = 1:M，M為層數(shù)，Vij和Iij由信號處理板通過電纜傳給輔助潛標(biāo)上的內(nèi)波信息提取板，并分別記錄在信號處理板和內(nèi)波信息提取板上；(2)、輔助潛標(biāo)上的內(nèi)波信息提取板開始接收到采集數(shù)據(jù)后，由四個波束的流速通過下式計算出東向和北向流速；Vnj = V13jCos θ -V34jSin θ(1)Vej = V13jSin θ +V34jCos θ(2)其中，V13j = Vlj-V3j, V24j = V2j-V4j θ 為航向角；從第7個時刻起，動態(tài)預(yù)測與修正法開始平滑濾波，從第M時刻起組成M個數(shù)據(jù)的一個動態(tài)數(shù)據(jù)包，啟動內(nèi)波識別判斷條件；當(dāng)Ij隨時間和深度的變化率分別大于某一域值時，認為有內(nèi)波出現(xiàn)；(3)、若動態(tài)數(shù)據(jù)包內(nèi)檢測到有內(nèi)波，則以后每一時刻一直增加該動態(tài)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)數(shù)，直到檢測到內(nèi)波結(jié)束時刻或者超過90分鐘硬性終止該內(nèi)波的檢測；G)、檢測到內(nèi)波結(jié)束時刻后，設(shè)開始時刻為tb，結(jié)束時刻為、，則內(nèi)波周期T = te-tb, 內(nèi)波結(jié)束后檢測內(nèi)波的上邊緣Iitl和下邊緣h1;則內(nèi)波的振幅H = IllA;同時，由(3)式的 kdv方程計算內(nèi)波的傳播速度和方向角ut+α uux+β uxxx = O(3)其中α，β為常數(shù)，u是波速；計算出內(nèi)波速度和方向角后，和周期、振幅保存在數(shù)組中，并傳輸給衛(wèi)星通信浮標(biāo)，由衛(wèi)星通信浮標(biāo)發(fā)送至衛(wèi)星，再通過岸基地衛(wèi)星接收機接收衛(wèi)星信號，解釋出內(nèi)波周期、振幅、速度和方向角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋內(nèi)波聲學(xué)探測方法，其特征是水層厚度選擇4一8米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋內(nèi)波聲學(xué)探測方法，其特征是所述的相控換能器陣是耐高壓、大尺寸換能器基陣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種海洋內(nèi)波聲學(xué)探測方法，該發(fā)明用聲學(xué)方法實現(xiàn)海洋內(nèi)波參數(shù)的提取，即同時獲取海洋中內(nèi)波的振幅、周期、傳播方向和傳播速度等。用相控陣聲納測量海洋分層剖面中每個接收波束的海水反射信號強度和流速，對每個接收波束的不同深度海水反射信號強度和流速的分析，判別內(nèi)波是否存在，一旦內(nèi)波存在，啟動內(nèi)波信息提取處理，計算內(nèi)波的振幅、周期、傳播方向和傳播速度。本發(fā)明有益的效果是內(nèi)波誘發(fā)出海水的強烈運動，是海上軍事活動和海洋工程設(shè)施的重大安全隱患，并對海洋環(huán)境具有重要影響。海洋內(nèi)波聲學(xué)探測技術(shù)對開發(fā)海洋資源、維護國家海洋安全和推動海洋科技進步具有重大意義。
文檔編號G01C13/00GK102393196SQ20111031212
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月14日
發(fā)明者唐義政, 施國全, 曹海林, 沈斌堅, 王科明, 陳文淵, 韋俊霞 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所, 杭州瑞聲海洋儀器有限公司