一种基于多频反向散射回波测量的声学海水温度剖面仪

摘要

本发明公开了一种基于多频反向散射回波测量的声学海水温度剖面仪，包括密闭壳体，安装在密闭壳体上的显控模块、压力传感器、水密接口、多个多频收发合置换能器，以及安装在密闭耐压壳体内的电源模块、信号处理模块、信号收发模块、倾角传感器。本发明通过提取多个换能器接收信号经过路径的传播损失差值，利用传播损失差值计算衰减系数差值，再利用衰减系数差值求出对应温度。本发明利用反向散射回波的幅值能量信息，实现对海水温度剖面的反演。通过对回波能量进行差值运算，解决目标强度与海水物理性质相关且难以标定的问题。本发明能够方便、快速反演浅海温度剖面。

说明书

技术领域

本发明属于水声测量和信号信息处理技术领域，涉及一种海水温度剖面的反演系统，尤其涉及一种基于多频反向散射回波测量的声学海水温度剖面仪。

背景技术

温度对海水中声传播的影响主要体现在声衰减系数。声衰减系数是表征声波在海水中传播时能量衰减的一个物理量，单位一般为dB/m。声衰减系数主要由三部分组成：纯净海水中的吸收衰减α

纯净海水的吸收衰减主要来自：1、纯水导致的吸收衰减；2、海水中硼酸和硫酸镁的弛豫效应导致的衰减。关于计算纯净海水声吸收系数有很多研究，前人已经利用大量实验数据得到了其与温度、频率、盐度、声速和深度的关系式，如Francois-Garrison公式、Liebermann-Shulkin-Marsh公式、Mellen-Browning公式、Fisher-Simmons公式等。

当声波传播时，悬浮泥沙颗粒与水分子产生相对运动，导致泥沙颗粒表面产生具有速度梯度的边界层，因粘滞性的存在，这种速度梯度将使声能转变为热能而引起声吸收，称其为粘滞声吸收。同时，水中悬浮的泥沙颗粒会向各个方向散射声波，这也产生声吸收，称其为散射声吸收。以上两种衰减主要与悬浮泥沙的粒径和浓度相关。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于多频反向散射回波测量的声学海水温度剖面仪。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于多频反向散射回波测量的声学海水温度剖面仪，包括密闭壳体，安装在密闭壳体上的显控模块、压力传感器、水密接口、多个多频收发合置换能器，以及安装在密闭耐压壳体内的电源模块、信号处理模块、信号收发模块、倾角传感器。电源模块为显控模块、压力传感器、信号处理模块、信号收发模块、倾角传感器和多频收发合置换能器供电，显控模块、压力传感器、信号收发模块、倾角传感器均与信号处理模块相连，多频收发合置换能器与信号收发模块相连。所述多频收发合置换能器发射声波信号，信号经过海水的吸收衰减，照射其中的悬浮沉积物，经反射、散射作用后反向返回多频收发合置换能器，信号收发模块记录反向散射声波，信号处理模块提取多个换能器接收信号经过路径的传播损失差值，利用传播损失差值计算衰减系数差值，再利用衰减系数差值求出对应温度并显示在显控模块。

进一步地，所述信号处理模块提取多个换能器接收信号经过路径的传播损失差值包括以下步骤：

步骤(1.1)将被照射水体从换能器表面开始，由近及远按照层厚L进行等深分层，以距离换能器最近的水层为第1层，依次向下编号。根据层厚L计算信号双程传播时间，截取对应时间窗的接收电压信号，计算回波强度：

EI＝20logV-G+M

其中，EI表示回波强度，V表示接收到的电压幅度平均值，G表示系统对不同距离接收回波的增益，M

步骤(1.2)接收回波按照接收时间进行分割，映射到不同的测量层；分别计算处理每一层的测量数据，根据声纳方程EI(m)＝SL

其中，EI(m)为第m层水体的反向散射回波强度，单位dB；SL为多频收发合置换能器的声源级，单位dB re 1μPa，；TL(m)表示换能器和第m层水层的单向路径的传播损失，单位dB；TS(m)为第m层内悬浮颗粒的目标强度，单位dB。

对中心频率分别为f

其中i，j表示多频收发合置换能器的编号，i，j＝1，2…p，i≠j。

进一步地，所述利用传播损失差值计算衰减系数差值包括如下步骤：

步骤(2.1)对多频收发合置换能器的几何扩展衰减进行标定，具体方法是在一片清澈，已知温度、盐度的水体中分别使用不同频率换能器发射声波后采集回波，并按步骤1.1和步骤1.2计算传播损失差值，根据已知的温度、盐度，可以计算出扩展衰减差值为：

TL

其中，TL

步骤(2.2)对于同一组换能器，TL

TL

步骤(2.3)由于TL

α

进一步地，所述利用衰减系数差值求出对应温度并显示在显控模块包括如下步骤：

步骤(3.1)根据信号频率、水文环境等因素，选择衰减系数公式，常用公式包括：Francois-Garrison公式、Liebermann-Shulkin-Marsh公式、Mellen-Browning公式、Fisher-Simmons公式等。上述公式均表示衰减系数与温度、盐度、声速的关系，计算中心频率为f

其中，α表示衰减系数；下标1到p表示频率编号；下标t

步骤(3.2)计算不同温度对应的衰减系数差值，即计算：

并制成温度-衰减系数差值表，即

步骤(3.3)：使用步骤2.3中求出的多个不同频率的衰减系数差值，在步骤3.2制成的表中查出对应温度。对于查出的多个温度，使用平均法、最小二乘法等算法求出与所有衰减系数差值匹配最佳的温度反演值。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出一种基于多频反向散射回波测量的声学海水温度剖面仪，充分利用不同频率信号声衰减系数不同的特点，消除海洋中其他物理因素的影响，实现对海水温度剖面的反演。

2、本发明利用了不同频率信号声衰减系数不同的特点，对两个不同频率的回波信号能量相减，求出声衰减系数差值，使用算法求出对应海水温度，同时求出声衰减系数。

附图说明

图1是本发明温度剖面仪系统框图；

图2是本发明换能器发射波束模型示意图；

图3是本发明提取出的信号回波强度示意图；

图4是本发明提取出的温度剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明基于多频反向散射回波测量的声学海水温度剖面仪包括密闭壳体，安装在密闭壳体上的显控模块、压力传感器、水密接口、多个多频收发合置换能器，以及安装在密闭耐压壳体内的电源模块、信号处理模块、信号收发模块、倾角传感器。电源模块为显控模块、压力传感器、信号处理模块、信号收发模块、倾角传感器和多频收发合置换能器供电，显控模块、压力传感器、信号收发模块、倾角传感器均与信号处理模块相连，多频收发合置换能器与信号收发模块相连。

多频收发合置换能器发射声波信号，信号经过海水的吸收衰减，照射其中的悬浮沉积物(泥沙、浮游生物等)，经反射、散射作用后反向返回多频收发合置换能器，信号收发模块记录反向散射声波，信号处理模块提取多个换能器接收信号经过路径的传播损失差值，利用传播损失差值计算衰减系数差值，再利用衰减系数差值求出对应温度并显示在显控模块。

步骤1：多频收发合置换能器发射声波信号，信号经过海水的吸收衰减，照射其中的悬浮沉积物(泥沙、浮游生物等)，经反射、散射作用后反向返回换能器，信号收发模块记录反向散射声波，信号处理模块提取多个换能器接收信号经过路径的传播损失差值，具体步骤如下：

步骤1.1：将被照射水体从换能器表面开始，由近及远按照层厚L进行等深分层，如图2所示，以距离换能器最近的水层为第1层，依次向下编号。根据层厚L计算信号双程传播时间，截取对应时间窗的接收电压信号，计算回波强度：

EI＝20logy-G+M

其中，EI表示回波强度，V表示接收到的电压幅度平均值，G表示系统对不同距离接收回波的增益，M

步骤1.2：接收回波按照接收时间进行分割，映射到不同的测量层；分别计算处理每一层的测量数据，以换能器接收的第m层水体悬浮颗粒反向散射回波为例，根据声纳方程EI(m)＝SL

其中，EI(m)为第m层水体的反向散射回波强度，单位dB；SL为多频收发合置换能器的声源级，单位dB re 1μPa，多频收发合置换能器一般会给定其标定声源级；TL(m)表示换能器和第m层水层的单向路径的传播损失，单位dB；TS(m)为第m层内悬浮颗粒的目标强度，单位dB。

对中心频率分别为f

其中i，j表示多频收发合置换能器的编号，i，j＝1，2...p，i≠j；声源级差值为系统设定；回波强度差值为测量的回波强度取差值得到；目标强度与悬浮物浓度相关，由于换能器照射的悬浮物物理特性一致，则对目标强度做差值运算可以消除与悬浮物相关的项。

步骤2：利用传播损失差值计算衰减系数差值，步骤如下：

步骤2.1：对多频收发合置换能器的几何扩展衰减进行标定，具体方法是在一片清澈，已知温度、盐度的水体中分别使用不同频率换能器发射声波后采集回波，并按步骤1计算传播损失差值，根据已知的温度、盐度，可以计算出扩展衰减差值为：

TL

其中，TL

步骤2.2：由于扩展衰减只与换能器物理参数相关，与海洋环境无关，因此对于同一组换能器，TL

TL

步骤2.3：由于TL

α

步骤3：利用衰减系数差值求出对应温度并显示在显控模块，步骤如下：

步骤3.1：根据信号频率、水文环境等因素，选择衰减系数公式，常用公式包括：Francois-Garrison公式、Liebermann-Shulkin-Marsh公式、Mellen-Browning公式、Fisher-Simmons公式等。上述公式均表示衰减系数与温度、盐度、声速的关系，选择合适盐度、声速(典型值为盐度35ppt，声速1500m/s，也可实地测量则准确性更高)计算中心频率为f

其中，α表示衰减系数；下标1到p表示频率编号；下标t

步骤3.2：计算不同温度对应的衰减系数差值，即计算：

并制成温度-衰减系数差值表，即

步骤3.3：使用步骤2中求出的多个不同频率的衰减系数差值，在步骤3.2制成的表中查出对应温度。对于查出的多个温度，使用平均法、最小二乘法等算法求出与所有衰减系数差值匹配最佳的温度反演值。如图4。根据温度反演值，求出对应衰减系数，并将温度与衰减系数显示在显控模块。

水密接口设置在密闭壳体上，以水密O圈进行密封。倾角传感器获取测量多频收发合置换能器的波束的倾角数据并传入信号处理模块。当仪器由于布放位置、海水波浪等原因发生倾斜时，波束也随之倾斜，由声波信号计算得到的温度剖面为温度-相对换能器距离关系，可使用该倾角获取温度-相对换能器深度关系，具体计算方式为：

其中，H为相对仪器深度；L为相对换能器距离；θ为换能器波束与竖直方向夹角。

压力传感器用于直接测量仪器布放位置的压力，并转换为仪器深度，转换方式为1dbar＝1m，仪器深度作为参考深度传入信号处理模块。相对仪器深度加仪器深度即为真实深度。