一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法技术

本发明专利技术公开了一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，基于海洋内波监测系统实现，该海洋内波监测系统包括一个声源和两个水听器；该方法包括：使用两个水听器分别记录孤立子内波一段时间内声强的变化，并通过快速傅里叶变换分别得到两个水听器声强起伏的频谱；由两个水听器声强起伏的频谱分别计算各自的主导频率；根据内波波阵面和两个水听器所成角度与各自主导频率的关系函数以及声源和两个水听器的角度关系，求解出内波波阵面与其中一条声传播路径的角度；由无内波时静态海洋环境的参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期，由干涉周期、内波波阵面与其中一条声传播路径的角度以及对应的主导频率，得到孤立子内波的移动速度。

【技术实现步骤摘要】
一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法
本专利技术涉及水声工程、海洋工程、声呐
，尤其涉及一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法。
技术介绍
内波是海洋中普遍存在的一种动力学现象，在世界各大洋以及大陆边缘海区都有分布，存在范围十分广泛。由于内波的存在极大地影响了人类在海洋中的活动，因此对海洋内波的监测具有重要的科学意义和实际价值。水下航行器在大振幅孤立子内波附近活动时，可能会骤然下沉或上浮而出现安全隐患。当实施水下工作时，内波含有的强垂向剪切的往复水平流可能使一些工业构件超过疲劳极限而损毁。内波也会影响水下声呐设备的工作性能，包括对水声通信、目标检测与识别、声源定位的影响等。对声呐设备产生影响的根源在于内波是导致海洋波导中声信号起伏的一个主要因素，关于海洋内波引起的声场起伏规律研究已开展了大量的工作。海洋中内波的监测方法有基于海表变化的卫星遥感法、基于合成孔径雷达(SAR)的内波参数反演成像法、基于海洋动力模型的数值预报法、基于对声场干涉结构影响反演内波参数反演法、实验观测等方法。卫星遥感法具有视野广阔、获取的信息量多、效率高、适应性强等优点，可以进行大面积、全天时、全天候的监测。其局限性在于对海面以下的环境特征不能准确反映，还需要其他手段相配合来给出内波参数。基于SAR反演内波参数的优点是图像的高分辨率和反演结果的高精确度，参见参考文献[1](“基于EMD算法的海洋内波参数反演”，2018年6月发表在《海洋技术学报》第3期，起始页码为36)，缺点是无法和水下平台实时通讯，在应用时效性方面存在限制。基于海洋动力模型的数值预报法能够通过数值计算给出全球范围的内波活动过程，但如果要获取局部精确的参数，还需要观测数据等先验信息支持。基于对声场干涉结构影响反演内波参数反演法优点是获取的内波参数可以直接提供给声呐设备使用，实时性更好，参见参考文献[2](“利用声场频谱频率漂移监测内波的算法改进和实验验证”，2017年9月发表在《声学学报》第5期，起始页码为524)，缺点是系统复杂度相对较高，尤其算法中在简正波分离时需要覆盖全海深垂直接收阵的数据，而且要准确已知阵型姿态。实验观测对内波参数的获取最为准确，但只能对局部海域进行短时间的观测，在实时分析和回传方面也存在一定的技术难点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法。为了实现上述目的，本专利技术提出了一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，基于海洋内波监测系统实现，所述海洋内波监测系统包括一个声源和两个水听器；所述方法包括：使用两个水听器分别记录孤立子内波一段时间内声强的变化，并通过快速傅里叶变换分别得到两个水听器声强起伏的频谱；由两个水听器声强起伏的频谱分别计算各自的主导频率；根据内波波阵面和两个水听器所成角度与各自主导频率的关系函数以及声源和两个水听器的角度关系，求解出内波波阵面与其中一条声传播路径的角度；由无内波时静态海洋环境的参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期，由干涉周期、内波波阵面与其中一条声传播路径的角度以及对应的主导频率，得到孤立子内波的移动速度。作为上述方法的一种改进，所述海洋内波监测系统的声源与两个水听器之间的角度α小于45°，声源频率大于等于200Hz。作为上述方法的一种改进，所述由两个水听器分别记录孤立子内波一段时间内声强的变化，并通过快速傅里叶变换分别得到两个水听器声强起伏的频谱；具体包括：由两个水听器分别记录孤立子内波在在T0＜T＜T0+ΔT的观测时间内各个时刻的声强I(T)；通过快速傅里叶变换得到第一水听器声强起伏的频谱G1(Ω,r1,z1)为：其中，I0(r1,z1)为第一水听器记录的无内波时的声强，为第一水听器有内波扰动时的平均声强，r1为第一水听器与声源的距离，z1为第一水听器的深度；通过快速傅里叶变换得到第二水听器声强起伏的频谱G2(Ω,r2,z2)为：其中，I0(r2,z2)为第二水听器记录的无内波时的声强，为第二水听器有内波扰动时的平均声强，r2为第二水听器与声源的距离，z2为第二水听器的深度；作为上述方法的一种改进，所述对两个水听器声强起伏频谱分别计算各自的主导频率；具体包括：将第一水听器声强起伏的频谱中的倍频值除以所对应的倍数，得到若干个第一水听器主导频率，求取平均值，得到第一水听器的声强主导频率F1；将第二水听器声强起伏的频谱中的倍频值除以所对应的倍数，得到若干个第二水听器主导频率，求取平均值，得到第二水听器的声强主导频率F2。作为上述方法的一种改进，所述根据内波波阵面和两个水听器所成角度与各自主导频率的关系函数以及声源和两个水听器的角度关系，求解出内波波阵面与其中一条声传播路径的角度；具体包括：根据内波波阵面与两个水听器所成角度与主导频率的关系函数：其中，β1为内波波阵面与第一水听器的声传播路径所成角度，β2为内波阵面与第二水听器的声传播路径所成角度，F1为第一水听器的声强主导频率，F2为第二水听器的声强主导频率；结合监测系统声源和水听器的角度关系：α+β1＝β2得到β2为：作为上述方法的一种改进，所述由无内波时静态海洋环境的参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期，由干涉周期、内波波阵面与其中一条声传播路径的角度以及对应的主导频率，得到孤立子内波的移动速度；具体包括：由无内波时的静态海洋环境参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期Λmn为：Λmn＝2π/|Δqmn|其中，Δqmn＝qm-qn，qm为第m号简正波本征值的实部，qn为第n号简正波本征值的实部，m＝n+1；由相邻号简正波在距离上的干涉周期得到对声场起伏影响最大一系列简正波干涉周期集中的固定值Λ*；根据第二水听器的主导频率以及内波阵面与第二水听器的声传播路径所成角度，由下式得到孤立子内波的移动速度v为：v＝3600F2Λ*sinβ2。作为上述方法的一种改进，所述根据内波波阵面和两个水听器所成角度与各自主导频率的关系函数以及声源和两个水听器的角度关系，求解出内波波阵面与其中一条声传播路径的角度；具体包括：根据内波波阵面与两个水听器所成角度与主导频率的关系函数：结合监测系统声源和水听器的角度关系：α+β1＝β2得到β2为：进而得到β1为：作为上述方法的一种改进，所述由无内波时静态海洋环境的参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期，由干涉周期、内波波阵面与其中一条声传播路径的角度以及对应的主导频率，得到孤立子内波的移动速度；具体包括：由无内波时的静态海洋环境参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期Λmn为：Λmn＝2π/|Δqmn|；由相邻号简正波在距离上的干涉周期得到对声场起伏影响最大一系列简正波干涉周期集中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，基于海洋内波监测系统实现，所述海洋内波监测系统包括一个声源和两个水听器；所述方法包括：/n使用两个水听器分别记录孤立子内波一段时间内声强的变化，并通过快速傅里叶变换分别得到两个水听器声强起伏的频谱；/n由两个水听器声强起伏的频谱分别计算各自的主导频率；/n根据内波波阵面和两个水听器所成角度与各自主导频率的关系函数以及声源和两个水听器的角度关系，求解出内波波阵面与其中一条声传播路径的角度；/n由无内波时静态海洋环境的参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期，由干涉周期、内波波阵面与其中一条声传播路径的角度以及对应的主导频率，得到孤立子内波的移动速度。/n

【技术特征摘要】
1.一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，基于海洋内波监测系统实现，所述海洋内波监测系统包括一个声源和两个水听器；所述方法包括：
使用两个水听器分别记录孤立子内波一段时间内声强的变化，并通过快速傅里叶变换分别得到两个水听器声强起伏的频谱；
由两个水听器声强起伏的频谱分别计算各自的主导频率；
根据内波波阵面和两个水听器所成角度与各自主导频率的关系函数以及声源和两个水听器的角度关系，求解出内波波阵面与其中一条声传播路径的角度；
由无内波时静态海洋环境的参数计算得到相邻号简正波在距离上的干涉周期，由干涉周期、内波波阵面与其中一条声传播路径的角度以及对应的主导频率，得到孤立子内波的移动速度。


2.根据权利要求1所述的浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，其特征在于，所述海洋内波监测系统的声源与两个水听器之间的角度α小于45°，声源频率大于等于200Hz。


3.根据权利要求2所述的浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，其特征在于，所述由两个水听器分别记录孤立子内波一段时间内声强的变化，并通过快速傅里叶变换分别得到两个水听器声强起伏的频谱；具体包括：
由两个水听器分别记录孤立子内波在在T0＜T＜T0+ΔT的观测时间内各个时刻的声强I(T)；
通过快速傅里叶变换得到第一水听器声强起伏的频谱G1(Ω,r1,z1)为：



其中，I0(r1,z1)为第一水听器记录的无内波时的声强，为第一水听器有内波扰动时的平均声强，r1为第一水听器与声源的距离，z1为第一水听器的深度；



通过快速傅里叶变换得到第二水听器声强起伏的频谱G2(Ω,r2,z2)为：



其中，I0(r2,z2)为第二水听器记录的无内波时的声强，为第二水听器有内波扰动时的平均声强，r2为第二水听器与声源的距离，z2为第二水听器的深度；





4.根据权利要求3所述的浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，其特征在于，所述对两个水听器声强起伏频谱分别计算各自的主导频率；具体包括：
将第一水听器声强起伏的频谱中的倍频值除以所对应的倍数，得到若干个第一水听器主导频率，求取平均值，得到第一水听器的声强主导频率F1；
将第二水听器声强起伏的频谱中的倍频值除以所对应的倍数，得到若干个第二水听器主导频率，求取平均值，得到第二水听器的声强主导频率F2。


5.根据权利要求4所述的浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法，其特征在于，所述根据内波波阵面和两个水听器所成角度与各自主导频率的关系函数以及声源和两个水听器的角度关系...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦继兴，李整林，王煦莹，王海斌，吴双林，李文，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11