一种浅海非线性内波声学监测方法及系统

摘要

一种浅海非线性内波声学监测方法及系统，包括使距离在2-10公里的声发射、接收监测站的方向与非线性内波传播方向平行或垂直，声发射监测站发射声信号，声接收监测接收该信号并进行滤波、解码和采样，并将采样后的声传播数据存储；最后进行非线性内波移动速度或振幅的反演。该系统包括分别连接有带发射换能器的发射单元、接收单元、时钟同步单元和上位机的单片机，且所述接收单元经该多路复用开关连接一个包含2～16个水听器的水听器阵；发射单元内含信号发生器能够发射伪随机信号、扫频信号和混沌信号。本发明步骤简单、实施方便、测量效率高、监测结果可靠精确；监测系统具有结构简单、成本低廉、便于使用的优势，具有广泛的应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于海洋环境参数监测技术领域，特别是涉及一种浅海非线性内波声学监测方法和系统。

现有技术

海洋内波是发生在具有稳定层化密度的海水内部的一种波动，其在传播过程中引起强烈的海水混 合，对整个海洋中能量的收支和平衡过程、海底地形地貌、海底物质输运、海洋生态环境变化起着十分 重要的作用。监测浅海非线性内波对海上航行、海洋研究、海洋开发和海上战场环境建设有重要意义。

因内波出现在海洋内部，采用测量表面波的方法难以对其进行有效监测。目前对浅海内波进行监测 的方法一般采用浮标观测链或锚系观测链，为了准确地测量内波波长、振幅等参数，须在观测链上放置 多个温度传感器或流速计，通过测量得到的温度或流速剖面获得内波参数。吴旌等人的专利(申请号： 200710187340.X)则采用锚系水中可升降漂浮平台实现内波数据测量。另外也可以采用声学多普勒流速 剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler)，通过测得的流速剖面信息获得内波参数。还有通过分 析高频宽带声学背向散射仪测得的反向声散射强度，也可以获得内波参数信息。

以上测量方法均要求内波必须通过观测仪器所在位置，且只能测量一个地点的内波参数，若测量某 个海区内波参数的时空变化信息，则需在观测海区布设多个观测站位。采用海洋卫星遥感技术或雷达虽 然可以获得较大范围内的内波时空信息，但却是通过内波在海表面表现出来的间接信息获得的，因此难 以对存在于海洋内部的内波参数进行全面、准确地监测。

采用温盐深仪(CTD)、温度链、流速计和声学多普勒流速剖面仪(ADCP)等传统方法对内波进行大 范围的、同步连续监测难度较大，成本较高，而采用星载合成孔径雷达或船载雷达，只能观测到由于内 波引起的表面调制效应，对深处普遍存在的内波观测较困难，观测频率低，无法进行连续观测，且观测 精度受到海面状况的制约。

发明的内容

本发明的目的是提出一种浅海非线性内波声学监测方法和系统，以克服现有技术的上述不足。

本发明的技术构思如下：在内波——尤其是非线性内波频繁活动的浅海海区，采用声学手段，即通 过分析相隔一定水平距离的声学站位接收信号，实时地获得大范围的海洋环境参数，利用跃层中声传播 起伏特征和内波特征间的密切关系，获取内波有关特征参数，如非线性内波移动速度或非线性内波振幅。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种浅海非线性内波声学监测方法，包括根据已有的海洋环境参数观测资料确定观测海区非线性内 波传播方向；其特征在于还包括以下步骤：

(1)选择声发射监测站与声接收监测站位置，使声传播方向与非线性内波传播方向平行，且声发 射监测站与声接收监测站间距离设置为2-10公里；

(2)确定发射信号编码和频率参数；

(3)通过上述声发射监测站发射步骤(2)所确定的信号，通过声接收监测站的多个水听器接收该 信号；

(4)对上述各个水听器接收到的声信号进行滤波、解码和采样，并将采样后的声传播数据存储；

(5)进行非线性内波移动速度反演：

对采样后的声传播数据采用简正波过滤方法进行处理，获得声接收监测站位处各阶简正波的到达时 间和振幅；

然后对所得各阶简正波振幅，利用短时频谱分析方法，获得谱峰频率；再利用该获得的谱峰频率， 反演非线性内波移动速度u。

上述步骤(5)利用了简正波过滤方法和短时频谱分析方法，这是由于当声发射检测站和声接收检 测站之间存在非线性内波时，根据简正波耦合理论，接收声场可表示为各号简正波之和：

$p(r,z)=\underset{m}{\Sigma }{\Psi }_m(z_s,r_N)e^{{\mathrm{ik}}_m(r-r_N)}\underset{n}{\Sigma }{P}_{\mathrm{mn}}{\left(k_{n}r\right)}^{-1/2}{a}_n{\Psi }_n\left(z_s\right)e^{{\mathrm{ik}}_{n}r}---\left(1\right)$

时刻t时第m阶简正波的振幅为：

$A_m\left(t\right)=\exp ({\mathrm{ik}}_m^1(r-r_N)\underset{n}{\Sigma }{P}_{\mathrm{mn}}{\left(k_n^{0}r\right)}^{-1/2}{a}_n{\Psi }_n\left(z_s\right)\exp \left(i(k_n^0{r}_1+{\omega }_{\mathrm{mn}}t)\right)---\left(2\right)$

${\omega }_{\mathrm{mn}}=(k_m^1-k_n^0)u---\left(3\right)$

其中和分别是接收处和发射处的简正波波数，P_mn为整个声场波导的简正波耦合系数矩 阵，a_nΨ_n(z_s)为发射声源处第n阶简正波的激发强度，u为非线性内波的移动速度，ω_mn为谱峰频率。

因此可以通过对已得的各简正波振幅A_m(t)，利用短时频谱分析方法获得谱峰频率；再利用该获得 的谱峰频率根据上述公式(3)计算出非线性内波移动速度u。

一种浅海非线性内波声学监测方法，包括根据已有的海洋环境参数观测资料确定观测海区非线性内 波传播方向；其特征在于还包括以下步骤：

(1)选择声发射监测站与声接收监测站位置，使声传播方向与非线性内波传播方向垂直，且声发 射监测站与声接收监测站间距离设置为2-10公里；

(2)根据声发射监测站与声接收监测站间距和海水水深，确定发射信号编码和频率参数；

(3)通过上述声发射监测站发射步骤(2)所确定的信号，通过声接收监测站的多个水听器接收该 信号；

(4)对上述各个水听器接收到的声信号进行滤波、解码和采样，并将采样后的声传播数据存储；

(5)进行非线性内波振幅反演：

对采样后的声传播数据采用简正波过滤方法进行处理，获得声接收监测站位处各阶简正波的到达时 间和振幅；

然后采用经验正交方法，获得观测海区声速扰动对应的本征模态，再利用所得各阶简正波到达时间， 计算上述本征模态的时间参数，进而获得声速扰动，最后得到非线性内波振幅。

上述步骤(5)利用了简正波过滤方法和经验正交方法，这是由于非线性内波的存在会引起声速的 扰动，此时声速表示为

c(z)＝c₀(z)+Δc(z)    (4)

其中c₀(z)是观测区域声速平均剖面，为时间平均值。

根据历史观测数据，利用经验正交函数获得观测海区声速扰动对应的本征模态φ_l(z)，则内波引起 的声速扰动：

$\mathrm{\Delta c}(z,t)=\underset{l=1}{\overset{N}{\Sigma }}{b}_l\left(t\right){\phi }_l\left(z\right)---\left(5\right)$

根据微扰理论，简正波波数的变化可表示为：

${\mathrm{\Delta k}}_m\left(t\right)=-\frac{{\omega }^2}{k_m}\underset{l=1}{\overset{N}{\Sigma }}{b}_l\left(t\right)\underset{0}{\overset{\infty }{\int }}\frac{{\phi }_l\left(z\right){\Psi }_m^2\left(z\right)\mathrm{dz}}{\rho \left(z\right)c^3\left(z\right)}---\left(6\right)$

而$\frac{1}{V_n^g\left(t\right)}-\frac{1}{V_n^g\left(t_0\right)}\approx {\mathrm{\Delta k}}_m\left(t\right)\{\frac{2}{\omega }-\frac{1}{k_n^0}\frac{1}{V_n^g\left(t_0\right)}\}---\left(7\right)$

通过已获得的各号简正波到达时间，由式(7)获得简正波的波数变化Δk_m(t)，由式(6)计算获 得参数b_l(t)，进一步可由式(5)获得由内波所引起的声速扰动Δc(z)，从而由式(4)得到非线性内 波存在时的声速剖面信息，最后得到非线性内波振幅(从最后得到的c(z)中直接得到)。

上述声发射监测站与声接收监测站是船载、浮标或锚系的方式固定于海水中。

上述确定发射信号编码和频率参数，是选择发射伪随机信号、扫频信号或混沌信号及其阶次或频率。

一种浅海非线性内波声学监测系统，包括连接有上位机和时钟同步单元的带有时钟基准模块的单片 机，与单片机和时钟同步单元相连的接收单元，与单片机相和发射换能器相连的内含信号发生器的发射 单元；以及为单片机和发射单元供电的电源单元，其特征在于上述接收单元还设有多路复用开关，且经 该多路复用开关连接一个包含2～16个水听器的水听器阵；上述信号发生器发射三种信号，分别是伪随 机信号、扫频信号和混沌信号。

上述接收单元包括依次与水听器阵连接的多路复用开关、带通滤波器、放大器、信号相关解调器和 A/D转换器，并经由该A/D转换器与单片机连接。

上述发射单元包括内由单片机控制的信号发生器，以及将信号发生器的信号放大后再通过发射换能 器发射的宽带功率放大器与阻抗匹配器。

上述时钟同步单元包括与单片机及其时钟基准模块相连的定时回路，与单片机和定时回路相连的带 有GPS天线的GPS接收器。

本发明步骤简单、实施方便、测量效率高、监测结果可靠精确；本发明的监测系统具有结构简单、 成本低廉、便于使用的优势。

本发明的浅海非线性内波声学监测系统，通过在两个监测站位间发射和接收声波，采用宽带声源， 发射编码序列调制信号，获得精确的声传播数据，并基于浅海简正波理论，通过接收声信号特征反演运 动于两站位间的非线性内波参数而获取沿着声传播路径的海洋环境信息，能够反演非线性内波的移动速 度、幅度信息，并可通过实时监控，随时根据需要调节系统控制参数。与现有内波测量方法相比，可以 对不经过监测站位的非线性内波进行长时间遥测，而不需要在两站位间增加观测系统，从而采用较少站 位即可对海洋内部存在的内波参数进行监测。系统信号编码、发射频率、采样间隔均可根据实际观测海 区情况进行调整。观测数据可以是自容式的，也可以通过电缆传送。与传统方法相比，测量效率高，实 施方便，在浅海海域受航运和捕捞活动影响较小，在海洋研究、海洋开发和海上战场建设等方面具有广 泛而显著的应用价值。

附图说明

图1是本发明的监测系统的总体结构示意图。

图2是本发明的监测方法的流程示意流程。

图3是反演非线性内波移动速度的示意图(声传播方向与非线性内波传播方向平行)。

图4是反演非线性内波振幅的示意图(声传播方向与非线性内波传播方向垂直)。

其中，1、发射换能器，2、发射单元，3、水听器阵，4、接收单元，5、时钟同步单元，6、单片机， 21、信号发生器，22、宽带功率放大器，23、阻抗匹配器，41、多路复用开关，42、带通滤波器，43、 放大器，44、信号相关解调器，45、A/D转换器，51、GPS天线，52、GPS接收器，53、定时回路， 61、存储器，62、时钟基准模块。

具体实施方式

一种浅海非线性内波声学监测方法，包括根据已有的海洋环境参数观测资料确定观测海区非线性内 波传播方向；其特征在于还包括以下步骤：

(1)选择声发射监测站与声接收监测站位置，如图3所示，使声传播方向与非线性内波传播方向 平行，且声发射监测站与声接收监测站间距离设置为2-10公里；

(2)确定发射信号编码和频率参数；

(3)通过上述声发射监测站发射步骤(2)所确定的信号，通过声接收监测站的多个水听器接收该 信号；

(4)对上述各个水听器接收到的声信号进行滤波、解码和采样，并将采样后的声传播数据存储；

(5)进行非线性内波移动速度反演：

对采样后的声传播数据采用简正波过滤方法进行处理，获得声接收监测站位处各阶简正波的到达时 间和振幅；

然后对所得各阶简正波振幅，利用短时频谱分析方法，获得谱峰频率；再利用该获得的谱峰频率， 反演非线性内波移动速度u。

一种浅海非线性内波声学监测方法，包括根据已有的海洋环境参数观测资料确定观测海区非线性内 波传播方向；其特征在于还包括以下步骤：

(1)选择声发射监测站与声接收监测站位置，使声传播方向与非线性内波传播方向垂直，且声发 射监测站与声接收监测站间距离设置为2-10公里；

(2)根据声发射监测站与声接收监测站间距和海水水深，确定发射信号编码和频率参数；

(3)通过上述声发射监测站发射步骤(2)所确定的信号，通过声接收监测站的多个水听器接收该 信号；

(4)对上述各个水听器接收到的声信号进行滤波、解码和采样，并将采样后的声传播数据存储；

(5)进行非线性内波振幅反演：

对采样后的声传播数据采用简正波过滤方法进行处理，获得声接收监测站位处各阶简正波的到达时 间和振幅；

然后采用经验正交方法，获得观测海区声速扰动对应的本征模态，再利用所得各阶简正波到达时间， 计算上述本征模态的时间参数，进而获得声速扰动，最后得到非线性内波振幅。

如图1所示，本发明的浅海非线性内波声学监测系统，包括连接有上位机7和时钟同步单元5的带 有时钟基准模块62的单片机6，与单片机6和时钟同步单元5相连的接收单元4，与单片机6相连且带 有发射换能器1的内含信号发生器21的发射单元2；以及为单片机6和发射单元2供电的电源单元8， 其特征在于上述接收单元4还设有多路复用开关41，且经该多路复用开关41连接一个包含2～16个水 听器的水听器阵3；上述信号发生器21发射三种信号，分别是伪随机信号、扫频信号和混沌信号。

如图1所示，上述接收单元4包括依次与水听器阵3连接的多路复用开关41、带通滤波器42、放 大器43、信号相关解调器44和A/D转换器45，并经由该A/D转换器45与单片机6连接。接收单元 4的多路复用开关41将接收水听器阵3中的各个水听器顺序通过带通滤波器42、放大器43和信号相关 解调器44，对信号进行滤波、放大、解调处理，再与A/D转换器45相连，最后输入单片机6。

如图1所示，上述发射单元2包括内由单片机6控制的信号发生器21，以及将信号发生器21的信 号放大后再通过发射换能器1发射的宽带功率放大器22与阻抗匹配器23。发射单元2的信号发生器 21可根据需要选取不同编码的信号，如伪随机编码信号、扫频信号或混沌信号，信号的阶次或频率可 选择本领域常用的阶次或频率，该信号经过宽带功率放大器22、阻抗匹配器23后，通过发射换能器1 发射。

如图1所示，上述时钟同步单元5包括与单片机6及其时钟基准模块62相连的定时回路53，与单 片机6和定时回路53相连的带有GPS天线51的GPS接收器52。时钟同步单元5为系统提供精确的 时间信号，并对单片机6的时钟基准模块62进行时钟校准，再通过定时回路53为A/D转换器45和信 号相关解调器44提供时钟信号。

如图1所示，单片机6通过GPS接收器52获得为整个系统提供的时钟信号，在系统运行中进行实 时控制，并可完成系统参数修改、数据存储和数据传输；为了便于存储自接收单元4接收的信号，该单 片机6还可自带存储器61。

如图1所示，上位机7通过电缆与内单片机6连接，可进行实时监控、参数修改和数据传输；电源 单元8分别为单片机6和发射单元2提供能源。

为了便于生产、维护和使用，本发明的浅海非线性内波声学监测系统为能够充分利用现有技术的设 计，因此其各个部件均可采用现有的设备。

本发明的浅海非线性内波声学监测系统工作过程如下：

根据已有的海洋环境参数观测资料，确定观测海区非线性内波传播方向，选择声发射监测站与接收 监测站位置，使声传播方向与非线性内波传播方向平行或垂直，发射与接收站位间距离可设置为2-10 公里；利用本发明的方法对非线性内波移动速度或振幅进行监测，执行步骤如图2所示，

步骤901是开始步骤，通过上位机7和单片机6，检查系统工作状态是否正常；

步骤902中，选择发射编码信号参数，可以选择发射伪随机信号、扫频信号或混沌信号及其阶次或 频率，以及存储格式；

步骤903中，系统初始化；判断是否能接收到GPS信号，时钟同步单元是否工作正常；

步骤904和905中，一台浅海非线性内波声学监测系统发射预定编码信号，另一台浅海非线性内波 声学监测系统接收信号；

步骤906中，负责接收信号的监测系统的接收单元4对各个水听器接收到的声信号进行滤波、解码 和采样；

步骤907中，存储步骤906中获得的声传播数据，以利于后续反演处理；

步骤908中，判断观测过程是否结束，若已结束，进入步骤910，通过与单片机6相连的上位机7 获取步骤907中已存储的声传播数据进行非线性内部移动速度或振幅反演；若观测未结束，在步骤909 判断是否进行反演处理，若是，通过与单片机6相连的上位机7获取步骤907中已存储的声传播数据， 进行非线性内部移动速度或振幅反演，若不是，则返回步骤904；

步骤910中，对提取的声传播数据采用简正波过滤方法进行处理，获得接收站位处各号简正波的到 达时间和振幅；

步骤911是非线性内波移动速度监测与反演步骤，对步骤910所得各号简正波振幅A_m(t)，利用短时 频谱分析方法，获得的谱峰频率，再利用该获得的谱峰频率，采用式(3)反演非线性内波移动速度u；

最后在步骤912中对该反演结果进行图形表示或存储。

步骤913是非线性内波振幅监测与反演步骤，采用经验正交方法，获得观测海区声速扰动对应的本 征模态φ_l(z)，再利用步骤910所得各号简正波振幅到达时间，根据式(6)计算参数b_l(t)，进而根据 式(3)获得声速扰动，进而得到非线性内波振幅。

最后在步骤914中对反演结果进行图形表示或存储。