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用声学方法监测海洋——海洋声层析技术和大洋气候声学测温

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物理学进展 1996年第3期16卷 504-514页

作者：关定华中国科学院声学研究所北京100080

海洋变化非常大且对世界气候及人类活动有巨大影响。声波是监测海洋内部变化的有效方法。为了监测海洋盆地,用海洋声层析技术测量布设在环绕盆地的站之间声传播时间并运用逆运算来推断温度及流速场。为了测量由于温室效应引起的全球变暖... 详细信息

海洋变化非常大且对世界气候及人类活动有巨大影响。声波是监测海洋内部变化的有效方法。为了监测海洋盆地,用海洋声层析技术测量布设在环绕盆地的站之间声传播时间并运用逆运算来推断温度及流速场。为了测量由于温室效应引起的全球变暖,发展了大洋气候的声学测温技术,在很长的距离以很长的周期监测平均声传播时间。在印度洋的赫德岛进行了可行性实验,在太平洋及大西洋接收到了声信号。在太平洋建立观测网,进行为期十年的观测。文中并介绍了海洋层析技术及大洋气候声学测温的设备。

关键词：海洋监测声层析大洋气候声学测量

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河道流量的高频声层析监测研究

南京大学学报（自然科学版） 2015年第S1期51卷 60-63页

作者：郭宜君张宇赵宗曦厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室厦门361005

海洋声层析作为一种有效的温流监测手段不仅可以用于大洋、近海等大中尺度海域的观测,同样可以应用于对河道、湖泊、航道等小尺度(几百米至上千米)的观测.声层析反演结果的分辨率主要取决于声波的频率以及声波传输时间的测量精度.为了... 详细信息

海洋声层析作为一种有效的温流监测手段不仅可以用于大洋、近海等大中尺度海域的观测,同样可以应用于对河道、湖泊、航道等小尺度(几百米至上千米)的观测.声层析反演结果的分辨率主要取决于声波的频率以及声波传输时间的测量精度.为了研究高频声层析在河道的应用,在福建省漳州市九龙江北溪的江东水库设置了两个可以发射高频声波的声层析观测站点.北溪的平均水深为8m,深度由中间向两岸递减,站点之间距离415m,观测中所采用的声波频率带宽为40~80kHz,中心频率为60kHz,采用声层析互易原理监测水库的温流参数变化.实验证明本文所使用的方法能够较稳定地测量出声波参数随传输环境的变化,所测得的互易声传输时间可以有效地反演出该区域的温流参数,说明海洋声层析技术在提高频率的情况下也适用于对河道这种小尺度水域的流量、温度监测.

关键词：河道流量声层析高频温流反演

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海洋声层析研究的两个热点问题

黄渤海海洋 2002年第2期20卷 133-138页

作者：吕连港袁业立海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室中国科学院海洋研究所山东青岛266071 国家海洋局第一海洋研究所山东青岛266061

综述了目前海洋声层析研究的两个热点问题 ,归纳了用声学方法监测气候变化和反演内波两个领域所取得的研究进展。

关键词：海洋声层析声学测温内波气候变化

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利用声层析的实时流量监测方法和系统的研究

利用声层析的实时流量监测方法和系统的研究

作者：郑黎明浙江海洋大学

学位级别：硕士

流量测验在水文工作中具有极其重要的作用,掌握大量的流量数据资料对预防洪涝等自然灾害、水系统内部环境观测、水资源利用、水情预报等方面有着巨大帮助。长久以来水文测验不断进行技术革新,这使得水文测报手段和技术有了较好发展。以... 详细信息

流量测验在水文工作中具有极其重要的作用,掌握大量的流量数据资料对预防洪涝等自然灾害、水系统内部环境观测、水资源利用、水情预报等方面有着巨大帮助。长久以来水文测验不断进行技术革新,这使得水文测报手段和技术有了较好发展。以往的流量测验方法,如水位流量关系法、浮标法、流速仪法、多普勒频移法等,很少能同时兼顾测验过程的便捷性和测量范围的广阔性以及测验结果的精确性。因此,本文根据以往测流设备的不足之处,提出一种利用声层析技术来监测水系统流量的方法,并结合无线通信技术,设计能够实现流量实时监测的系统。本文首先对系统设计过程中所要使用的相关技术和方法作了讨论,说明各技术的原理和利用手段。然后根据所要使用到的技术制定流量监测系统的方案,阐述了方案中一些主要模块的设计思路和处理办法。对利用声层析技术进行流量测验的方法作了原理说明,并对不同的测流方案作了比较。根据选定的方案进行系统硬件电路设计,采用具有强大运算能力的数字信号处理器(DSP)作为系统的核心处理器,结合模数/数模转换器(ADC/DAC)、混合信号处理器(MSP)以及其他主要器件完成系统中信号的传输过程。对系统测流所得数据的精确性具有决定作用的时间同步要求通过GPS信号和原子钟来满足。最后对系统的软件设计流程作了简要说明。本文设计的流量监测系统较以往测流仪器设备更易于使用,是一种新型的流量测量工具,其使用不会像以往大多数测流方法那样影响捕捞和航运活动,此外测量数据可以实现很高的实时性。

关键词：声层析流速流场流量实时 GPS

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基于沿海声层析技术的人工上升流观测

基于沿海声层析技术的人工上升流观测

作者：黄亮浙江大学

学位级别：硕士

我国是一个海洋大国,海洋为我国提供了不竭的渔业资源和开发潜力巨大的油气资源等。随着我国海洋生态资源状况持续的恶化,急需要一种有效的方法改善这一趋势。人工上升流这一地球工程方法可以降低空气的二氧化碳含量,提升海洋初级生产力... 详细信息

我国是一个海洋大国,海洋为我国提供了不竭的渔业资源和开发潜力巨大的油气资源等。随着我国海洋生态资源状况持续的恶化,急需要一种有效的方法改善这一趋势。人工上升流这一地球工程方法可以降低空气的二氧化碳含量,提升海洋初级生产力,是理想的解决方法之一。由于缺乏长时间时序观测数据,目前国内外关于人工上升流的海流和温度分布规律及演化机制等科学问题的研究还比较少,这一情况已经严重制约了人工上升流技术的研究与发展。海洋声层析观测技术能够通过用较少的仪器布放于观测区域的外围,对对象海域的内部进行大范围的长期同步观测和监测,且不受航运及渔业活动的限制,能克服传统海洋观测方式对人工上升流观测的局限性,做到观测的连续性、实时性、立体性以及经济性,是用于观测人工上升流的理想方式。本文对沿海声层析技术应用于观测小范围人工上升流的理论以及可行性进行了分析。介绍了声线在水下传播的基本知识,对人工上升流海域的声线传播途径和信号传播损失进行了模拟,提出了提高信号信噪比的方法。随后从理论计算方面详细介绍了人工上升流海域温度场以及流场反演方法,对人工上升流海域的噪声进行了评估,对人工上升流海域的温度场进行了数值模拟。理论上计算了人工上升流海域的测流测温精度要求,并提出了几种提高定位精度方案。针对沿海声层析技术在观测小范围水体过程中的应用特性进行了研究,在以往的声层析实验与应用过程中,通常都是针对大、中尺度海洋现象观测,很少出现小尺度的研究,为了进一步弄清楚在实际观测小范围水体过程中沿海声层析技术具有哪些特别的性质,在浙江大学大型断面实验水槽进行多次小范围观测实验,通过改变待测水体的流速、温度、区域范围等条件总结出系统的工作特性,同时验证了声层析系统对小范围环境条件观测的可行性与稳定性。为检验沿海声层析系统对人工上升流的观测效果并为下一阶段的海域人工上升流观测做准备,在消声水池完成了人工上升流温度层析实验,实验对消声水池有无人工上升流两种状态进行了持续5个小时的观测。沿海声层析观测结果反演得到的温度随时间变化情况和温度链的采集结果基本一致,表明了利用沿海声层析系统观测人工上升流温度的可行性。

关键词：人工上升流声层析测流小范围观测高分辨率

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基于声层析技术的超声测温系统研究

基于声层析技术的超声测温系统研究

作者：李强中北大学

学位级别：硕士

火箭发动机作为火箭、导弹、航空航天飞行器的重要组成部分,其性能的好坏决定了火箭射程以及有效载荷运载能力的大小。监测火箭发动机尾焰的温度分布特性有助于分析燃料的燃烧性能,动力分布的均匀度等,对火箭动力系统的研发与定型具备... 详细信息

火箭发动机作为火箭、导弹、航空航天飞行器的重要组成部分,其性能的好坏决定了火箭射程以及有效载荷运载能力的大小。监测火箭发动机尾焰的温度分布特性有助于分析燃料的燃烧性能,动力分布的均匀度等,对火箭动力系统的研发与定型具备十分重要的意义。然而,火箭发动机的尾焰具有温度上限高、变化过程快、且内部温度分布特性难以获取的特点。针对测量尾焰温度过程中所面临的这些难题,本文提出了一种基于声层析技术的温度场测量方案,主要完成了以下工作:首先,本文对声层析成像技术的基本理论展开研究,论证了测温系统的关键设计方案,描述了系统的总体实现方法。其次,为了在干扰环境下实现对高温尾焰的精确测量,本文优化设计了硬件收发电路,并在FPGA+ARM异构系统上进行驱动与控制功能的设计。然后,为了适应高温尾焰温度场的瞬态温度变化,本文研究了非阻塞方式的收发时序,提升系统的测温响应速率。并设计了多通道的数据采集单元,在ZYNQ中集成了Linux操作系统,设计DMA内核驱动程序,采集传输控制程序,通过高速传输接口将大容量回波数据上传至上位机。最后,本文采用了精度高,抑制噪声能力强的互相关算法提取超声驱动信号与回波信号的飞渡时间,并利用最小二乘法对二维温度场的重建效果进行了仿真测试,采用对比实验分析了测温系统的采集精度及误差。测试结果表明,本文研究设计的声层析测温系统具有测温范围广,响应速率快,抗干扰性能强的特征,且能够通过二维场重建算法反演燃烧尾焰的切面温度特性。为火箭尾焰温度场的测量提供了一种可行的解决方案。

关键词：超声测温声层析多通道采集温度场重建

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南海北部特定涡旋的多源表征数据比较研究

南海北部特定涡旋的多源表征数据比较研究

作者：杨霄宏自然资源部第三海洋研究所

学位级别：硕士

由于黑潮通过吕宋海峡入侵南海,台湾西南海域(South West Taiwan sea,SWT)是中尺度涡高发区,这类脱落涡旋的研究在分析和理解海洋中物质和能量输送以及海—气相互作用等方面起着重要的作用。本文采用2020年12月至2021年11月绝对动力地形... 详细信息

由于黑潮通过吕宋海峡入侵南海,台湾西南海域(South West Taiwan sea,SWT)是中尺度涡高发区,这类脱落涡旋的研究在分析和理解海洋中物质和能量输送以及海—气相互作用等方面起着重要的作用。本文采用2020年12月至2021年11月绝对动力地形(Absolute Dynamic Topography,ADT)和海面高度异常(Sea Level Anomaly,SLA)网格化数据、Hybrid Coordinate Ocean Model(HYCOM)模式数据和World Ocean Atlas(WOA)13 v2月平均温盐气候态数据,以及2021南海Ocean Acoustic Tomography(OAT)实验数据,对一个从黑潮中脱落的中尺度暖涡进行了比较研究。首先利用融合的卫星高度计资料,使用修改后的绕角算法,对一个黑潮入侵南海后形成并脱落的中尺度涡及其整个生命周期进行分析,讨论了它的生存时长、迁移距离、轨迹、速度、涡动动能、形变和涡度等物理量及其原因。然后利用HYCOM模式资料和WOA13的气候态温盐资料对该脱落涡的表面流场和温盐场进行了分析。通过表面流场对比可以看出,模式表征的涡范围要比高度计观测到的小,而且形状也更接近椭圆。通过温盐异常剖面可以发现,从黑潮中脱落下来的该涡在其整个生命周期内都携带着具有黑潮性质的水体并随之运动。此外,脱落暖涡的垂直尺度可达1000 m以上,但现有HYCOM模式资料只能对海洋中上层(800 m以浅)的现象有较好的表征,对800 m以深的海洋现象刻画得并不理想。由于卫星高度计和模式资料各有其缺陷,对深层中尺度涡的刻画存在缺失,因此本文还利用了声层析实验数据对此涡旋在2021年7-8月份的深层温度变化进行研究。通过温度变化的比较研究,由TD/CTD和声速反演的温度变化显示的涡的移动与高度计捕获的相一致,说明利用声层析来量化深海中尺度涡流的温度变化的运动是可行的。然而,HYCOM数据得到的收发路径上平均温度的变化与声层析声速得出的温度变化不一致,在声道轴深度,声层析反演得到的温度变化可达HYCOM模式数据在收发路径上平均温度变化的5倍。这些结果表明HYCOM数据对涡旋在深海的表征不够精确,反过来证明利用OAT来研究中尺度涡深层特性的优越性,另一方面也意味着可以利用OAT实验结果通过数据同化来改进高分辨率海洋模式,论文最后给出了按照深度比例粗略修正后的涡。本文的创新点在于利用声层析数据和HYCOM数据,对该中尺度涡的深层特性进行分析比较,并证明了OAT实验结果可以作为同化数据源来改进高分辨率海洋模式。

关键词：南海北部中尺度涡海面高度异常(MSLA) HYCOM 声层析

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深海环境下水平非均匀声速场反演研究

深海环境下水平非均匀声速场反演研究

作者：管杨哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

声速是研究水声问题的重要环境参数。通过直接测量的方式获取海水声速,不但成本高,耗时多,且一次性获取大范围非均匀环境下的声速场具有一定的难度。而反演技术将声传播模型与历史数据相结合,为获取海洋声速提供了一种高效、便捷和环保... 详细信息

声速是研究水声问题的重要环境参数。通过直接测量的方式获取海水声速,不但成本高,耗时多,且一次性获取大范围非均匀环境下的声速场具有一定的难度。而反演技术将声传播模型与历史数据相结合,为获取海洋声速提供了一种高效、便捷和环保的方法。但传统的等效声速剖面反演方法往往将研究海域等效为水平均匀的,这已经不能满足水声领域对声速场测量精度的要求。论文研究了深海环境下水平非均匀声速场的反演问题,以经验正交函数表征水平非均匀声速场,改进了传统等效声速场的反演模型。首先,论文对海洋声层析的国内外研究现状进行了分析,总结了现有的海洋声速剖面反演技术。重点对海洋典型的水动力现象引起的水平非均匀声速场进行了介绍,并对非均匀声速场对声场计算的影响进行仿真分析。接着,论文建立了水平非均匀声速场反演模型,在水平非均匀声速场建模的基础上,利用射线声学的方法,建立了以声线到达时间为变量的反演代价函数。此外,论文选取了综合学习策略的粒子群算法(CLPSO算法),解决多变量的反演问题。并利用高斯涡声速场模型数据,讨论了应划分样本区域来构建多组经验正交基函数,并验证了CLPSO算法可以求解27变量的多元反演问题。然后,利用HYCOM数据模拟真实海洋环境,验证了反演方法的精度。并利用反距离加权插值方法,获取了研究海域的部分水平非均匀声速场,并分析了其误差。还分析了传统反演方法与本文反演方法的结果对声传播特性的影响。最后,利用2021年某次南海声层析实验数据,通过实测声场数据反演了海水中的水平非均匀声速场,验证了反演方法的反演精度。研究表明,建立的水平非均匀声速场反演模型,可以通过划分样本区域构建的多组经验正交基函数,并结合CLPSO算法求解多维度问题的优势,来提高水平非均匀声速场的反演精度。

关键词：声速场反演经验正交函数综合学习粒子群算法声层析

一种基于内潮动力特征的浅海声速剖面构建新方法

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物理学报 2019年第12期68卷 136-146页

作者：屈科朴胜春朱凤芹哈尔滨工程大学水声技术重点实验室哈尔滨150001 海洋信息获取与安全工信部重点实验室(哈尔滨工程大学) 工业和信息化部哈尔滨150001 哈尔滨工程大学水声工程学院哈尔滨150001 广东海洋大学广东省近海海洋变化与灾害预警重点实验室湛江524088

为了降低反演参数空间的维数,常利用正交经验函数(EOF)来构建声速剖面.然而,EOF方法的样本依赖性使之难以用于缺乏现场实测数据的海域.本文提出一种全新的利用历史数据而不依靠现场实时数据即可获得的声速剖面展开基函数.基于水质子流... 详细信息

为了降低反演参数空间的维数,常利用正交经验函数(EOF)来构建声速剖面.然而,EOF方法的样本依赖性使之难以用于缺乏现场实测数据的海域.本文提出一种全新的利用历史数据而不依靠现场实时数据即可获得的声速剖面展开基函数.基于水质子流体静力方程和物态方程,推导了在缺乏实时测量的情况下从历史数据获得水动力模式基函数(HMB)的办法.利用WOA13季节平均温盐数据获得代表内潮动力特征的HMB进行分析.较之EOF, HMB及其对应的投影系数与海洋动力特征直接相关并具有明确的物理含义.基于东中国海实验获得的CTD (conductance-temperature-depth)及宽带爆炸声源声信号数据,利用声速剖面重构以及匹配场声层析对HMB进行了分析,并与EOF进行对比研究.结果表明:HMB可以以较好的精度构建浅海声速剖面.在对现场实时测量依赖更小的情况下,基于HMB方法的声场预报及声层析结果与EOF方法一样好.HMB的获取更简单且直接关联海水的物理特性,该方法可在实时测量样本不足的海域有效替代EOF进行海洋动力现象的声学监测.

关键词：声速剖面声层析水动力模式基函数反演