一种基于声学反演悬浮颗粒物浓度的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于声学反演悬浮颗粒物浓度的方法，包括：利用声学多普勒海流剖面仪接收水中散射体的后散射信号得到回声强度；根据声呐方程，考虑声波的几何衰减和吸收衰减对回声强度进行校正，得到体积后向散射强度；根据校正后得到的体积后向散射强度，依据瑞利散射原理,最终反演出高时空分辨率的悬浮物颗粒物浓度。本发明专利技术可以得到较为精确的悬浮颗粒物浓度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及海洋悬浮颗粒物测量领域，具体涉及一种悬浮颗粒物浓度测量方法。
技术介绍
悬浮颗粒物浓度是海洋观测研究的重点之一，现场观测悬浮颗粒物动力过程最基本的就是要明确悬浮物浓度的时空变化规律。当前对悬浮物浓度的观测主要基于四种方法，分别是现场直接采样抽滤、光学后向散射技术、激光小角度前向散射技术，以及声学后向散射技术。利用光学方法经过精确校正尽管能得到高频的悬浮物浓度序列或剖面，但也仅为点或线的测量，而且光学仪器易受生物附着干扰，且测量为侵入式，干扰水体。利用声学仪器回声信号反演悬浮物浓度的测量技术不干扰流场，无生物附着，且具有较高的时空分辨率。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于声学反演悬浮颗粒物浓度的方法及其操作方法，目的在于避免在测量悬浮颗粒物过程中对水体的干扰以及生物附着对测量的影响，实现高时空分辨率悬浮颗粒物浓度的测量，详见下文描述。一种基于声学反演悬浮颗粒物浓度的方法，包括以下步骤：1)利用声学多普勒海流剖面仪接收水中散射体的后散射信号得到回声强度；2)根据声呐方程，考虑声波的几何衰减和吸收衰减对回声强度进行校正，得到体积后向散射强度；校正包括：状态校正和声速校正；球状扩散和近场声学校正；海水吸收衰减校正；悬浮颗粒物吸收散射校正和粒径校正；3)根据校正后得到的体积后向散射强度，依据瑞利散射原理,最终反演出高时空分辨率的悬浮物颗粒物浓度，所述体积后向散射强度计算方法为：SV＝C+10lg(Tx+273.16)+20lg(ψR)-LDBW-PDBW+2αR+Kc(E-Er)其中，SV为体积后向散射强度；C代表与声学多普勒海流剖面仪性能相关的常数；Tx为换能器温度；R为悬浮物沿声波波束方向离换能器的距离,与换能器的倾角θ有关；ψ为近场校正函数；LDBW和PDBW分别为换能器发射声波的脉冲长度L和发射功率P的对数,LDBW＝10lgL，PDBW＝10lgP；α为海水及悬浮物对声波的吸收衰减系数；E为声学多普勒海流剖面仪接收到的回声强度；Er为噪声本底值；Kc为比例因子,用来将声学多普勒海流剖面仪接收到的回声强度换算为法定计量单位分贝。优选地，所述近场声学校正函数：Ψ＝[1+1.35Z+(2.5Z)3.2]/[1.35Z+(25Z)3.2]其中，Z＝R/Rc，为无量纲化的声波传播距离，定义临界距离Rc＝πat2/λ,式中at为声学多普勒海流剖面仪换能器半径；λ为声波波长,c为声波波速。所述悬浮颗粒物吸收散射校正和粒径校正方法为：利用现场激光粒度仪测得总体积浓度剖面估算悬浮颗粒物对声波的衰减。本专利技术的基于声学反演悬浮颗粒物浓度的方法，在声学后向散射技术的基础上，综合考虑声波球状扩散、声速、噪音本底、悬浮物及海水对声波的衰减等过程，得到较为精确的悬浮颗粒物浓度。同时，此方法对流体无干扰性，具有较强的抗附着能力。并且可以连续同时测量整个水体垂直断面的流速及回波强度，实现高时空分辨率悬浮颗粒物浓度的测量。附图说明图1为本专利技术的基于声学反演悬浮颗粒物浓度的方法示意图；具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。本专利技术实施例介绍了一种基于声学反演悬浮颗粒物浓度的方法，目的在于实现高时空分辨率悬浮颗粒物浓度的测量，尤其是较大颗粒物浓度的测量。具体实施步骤如下：1、将声学多普勒海流剖面仪放入海水中进行定点或者走航观测，通过接收水中散射体的后散射信号得到回声强度。2、体积后向散射强度的计算。SV＝C+10lg(Tx+273.16)+20lg(ψR)-LDBW-PDBW+2αR+Kc(E-Er)其中，SV为体积后向散射强度；C代表与声学多普勒海流剖面仪性能相关的常数；Tx为换能器温度(℃)；R为悬浮物沿声波波束方向离换能器的距离(m),与换能器的倾角θ有关；ψ为近场校正函数；LDBW和PDBW分别为换能器发射声波的脉冲长度L(m)和发射功率P(W)的对数,其中LDBW＝10lgL，PDBW＝10lgP；α为海水及悬浮物对声波的吸收衰减系数(dB/m)；E为声学多普勒海流剖面仪接收到的回声强度(count)；Er为噪声本底值(count)；Kc为比例因子(dB/count),用来将声学多普勒海流剖面仪自记单位count换算为法定计量单位分贝。式中综合考虑了声波球状扩散、声速、噪音本底、悬浮物及海水对声波衰减等的校正过程。3、进行近场声学校正，由于声波在声源近场的非球状扩散会使声波能量损失，为此有必要进行声波近场校正。定义临界距离Rc＝πat2/λ,式中at为声学多普勒海流剖面仪换能器半径(m)；λ＝c/f,为声波波长(m),其中c为声波波速,与观测现场的温度、盐度、深度有关；f为声学多普勒海流剖面仪发射声波的频率。对于小于临界距离的水层,应考虑声波的近场校正：Ψ＝[1+1.35Z+(2.5Z)3.2]/[1.35Z+(25Z)3.2]式中，Z＝R/Rc，为无量纲化的声波传播距离。4、确定声波脉冲长度和发射功率。声波脉冲长度可从声学多普勒海流剖面仪的二进制数据中读出。声波发射功率为8(0.38066Vxmit/32)2，其中Vxmit为发射电压,从声学多普勒海流剖面仪的二进制数据中读出。5、进行噪声本底校正。比例因子与回声强度跟噪声本底值之差的乘积[Kc(E-Er)]用于校正实时噪声对声波信号接收的影响。实时噪声本底值为没有声波信号返回换能器时声学多普勒海流剖面仪所记录的回声强度,可以用三种方法获得，具体为：(1)在实验室将声学多普勒海流剖面仪置于清水中通过指令测定。(2)现场测定,把声学多普勒海流剖面仪放在甲板上,让其在空气中工作一段时间,在这段时间声学多普勒海流剖面仪所记录的回声强度也可认为是噪声本底值。(3)实时测定,对声学多普勒海流剖面仪进行工作设置,将它测量的水层数设为128层,取第128层的回声强度作为实时噪声本底值。比例因子是仪器本身特性以及换能器温度的函数值,具体为Kc＝127.13/(Tx+273)。6、海水及悬浮物衰减校正。2αR用于海水及悬浮物吸收衰减的校正,α＝αw+αs,式中αw代表纯净海水对声波的衰减；αs表示悬浮物对声波的吸收散射。纯净海水对声波的衰减主要取决于海水的温度、压强、盐度、pH值以及声波发射频率。悬浮物对声波的衰减分为两部分,一部分为“黏性吸收”,另一部分为散射。海水和悬浮颗粒在声波的驱动下一起振动,由于悬浮颗粒的惯性要大于海水的,两者之间的速度差在颗粒表面形成“黏性边界层”，导致机械能被消耗，转化为热能。这部分就是悬浮颗粒对声波能量的“黏性吸收”。另一方面,悬浮颗粒将入射声波散射到各个方向上也导致了声波能量的损失。在每一水层悬浮颗粒物导致的声波衰减系数αs,i表达为：其中，δ,τ,β,Kα,γk,γρ分别为：式中,cvi表示第i个水层悬浮物的体积浓度,本方法利用现场激光粒度仪测得的总体积浓度作为第i水层悬浮物的体积浓度来估算悬浮颗粒物对声波的衰减；ρ,k分别为密度和弹性系数，k＝1/ρ；σ为悬浮物与海水的密度比ρs/ρw；γk,γρ分别为悬浮物和海水的弹性系数和密度比率；ν为海水运动学黏性系数,一般取10-6m2/s；ω为声波角频率；k为声波波数；αs取现场激光粒度仪测得观测得到的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于声学反演悬浮颗粒物浓度的方法，包括以下步骤：1)利用声学多普勒海流剖面仪接收水中散射体的后散射信号得到回声强度；2)根据声呐方程，考虑声波的几何衰减和吸收衰减对回声强度进行校正，得到体积后向散射强度；校正包括：状态校正和声速校正；球状扩散和近场声学校正；海水吸收衰减校正；悬浮颗粒物吸收散射校正和粒径校正；3)根据校正后得到的体积后向散射强度，依据瑞利散射原理,最终反演出高时空分辨率的悬浮物颗粒物浓度。所述体积后向散射强度计算方法为：SV＝C+10lg(Tx+273.16)+20lg(ψR)‑LDBW‑PDBW+2αR+Kc(E‑Er)其中，SV为体积后向散射强度；C代表与声学多普勒海流剖面仪性能相关的常数；Tx为换能器温度；R为悬浮物沿声波波束方向离换能器的距离,与换能器的倾角θ有关；ψ为近场校正函数；LDBW和PDBW分别为换能器发射声波的脉冲长度L和发射功率P的对数,LDBW＝10lgL，PDBW＝10lgP；α为海水及悬浮物对声波的吸收衰减系数；E为声学多普勒海流剖面仪接收到的回声强度；Er为噪声本底值；Kc为比例因子,用来将声学多普勒海流剖面仪接收到的回声强度换算为法定计量单位分贝。...

【技术特征摘要】
1.一种基于声学反演悬浮颗粒物浓度的方法，包括以下步骤：1)利用声学多普勒海流剖面仪接收水中散射体的后散射信号得到回声强度；2)根据声呐方程，考虑声波的几何衰减和吸收衰减对回声强度进行校正，得到体积后向散射强度；校正包括：状态校正和声速校正；球状扩散和近场声学校正；海水吸收衰减校正；悬浮颗粒物吸收散射校正和粒径校正；3)根据校正后得到的体积后向散射强度，依据瑞利散射原理,最终反演出高时空分辨率的悬浮物颗粒物浓度。所述体积后向散射强度计算方法为：SV＝C+10lg(Tx+273.16)+20lg(ψR)-LDBW-PDBW+2αR+Kc(E-Er)其中，SV为体积后向散射强度；C代表与声学多普勒海流剖面仪性能相关的常数；Tx为换能器温度；R为悬浮物沿声波波束方向离换能器的距离,与换能器的倾角θ有关；ψ为近场校正函数；LDBW和PDBW分别为换能器发射...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵伟，凡仁福，原野，聂红涛，赵亮，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12