[发明专利]一种多发多收式声学测量海洋内波方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种海洋内波测量方法，特别是关于一种多发多收式声学测量海洋内波方法。

背景技术

海洋内波是海水内部由于垂直方向密度不同而形成的界面波。由于海洋中密度小的海水在上面，密度大的在下面，因此在垂直方向存在明显的密度分层。外部环境的扰动，如潮汐、风等因素的干扰，会导致密度分层的等密面上激发相应的波动，也即内波。观测手段是制约现代内波研究发展的主要因素之一。卫星观测虽然可以给出大范围水平图像，但它不能对海水内部结构进行直接、连续的观测，且其反演技术受云量、降水、海表风等外部环境因素限制较大；而潜标等锚定观测存在造价高、风险大、安装难度大的缺点；此外，走航观测不能获得瞬时大面资料。与上述三种方式相比，声波在海水中具有传播距离远、耗散小、承载信息丰富等优点，因此是现今比较先进有效的观测手段之一。目前，国内外声学测量内波的方法主要包括以下三种：1）声学多普勒流速剖面仪（ADCP）、声学多普勒流速剖面仪（ADV）等利用高频声波的多普勒效应测量内波，以在局部范围内得到高精度的内波流速，但由于高频声波在海水中衰减较快，因此测量范围有限。2)声层析和地震方法，通过测量声波在海水中的传播特性，利用逆方法反演内波，但它通常花费较大，且不适合长期观测。3）用美国罗德岛大学发明的倒置回声测深仪Inverted Echo Sounder观测内波，但它只能定时发射单频声波，在大洋环流等慢变现象的观测中应用较广，却不适合测量快速演变的内波，且其反演技术是基于经验方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种多发多收式声学测量海洋内波方法，该方法通过发射中频声波现场来观测内波，能够有效克服传统内波观测中存在的花费较大、观测范围较小和观测变量单一等缺点。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：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_0j}，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：