[发明专利]一种多发多收式声学测量海洋内波方法

权利要求书

1.一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=x-t0b2exp[-(x-t0)22b2]]]>

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：

N2=-gρ0dρ-(z)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：

dΦdz+N2-ω2c2Φ=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：

Tiw=T+dTdz×Φ×A]]>

Siw=S+dSdz×Φ×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′′=∫-H02ciw(z)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″：

t0′′=∫-H02ciw0(z)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：

Tj=T+dTdz×Φ×Aj]]>

Sj=S+dSdz×Φ×Aj]]>

uj=c×Aj×dΦdz]]>

wj=Φ×dAjdt]]>

上式中，u_j为水平流速，w_j为垂直流速。