三门湾沿海声层析潮流观测实验

2009年9月6日至9日在三门湾进行了沿海声层析(Coastal Acoustic Tomography,CAT)潮流观测实验.实验由7台沿海声层析仪组网进行,并分别由渔船定点抛锚于7个站位.实验期间,还进行了定点ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)观测.通过建立逆模式对声传播时间差进行解析,引入权重因子,用L-curve法确定阻尼因子的最佳值,继而根据阻尼最小二乘法得到流速的最佳解.根据逆模式得到的流速分布可知该海区的潮流以半日潮(M2)为主,M2潮流椭圆呈东南-西北走向,潮流基本都是顺着水道,即涨潮为西北流向,退潮为东南流向.西北向与东南向最大流速分别为1.03m·s-1和1.09m·s-1.实验期间该区域的余流是从湾外流入湾内,平均流速约为0.05m·s-1.CAT与定点ADCP流速的东分量和北分量的均方差均小于0.18m·s-1.这样大面积的潮流和余流水平分布的同步观测,用传统观测手段很难实现.通过以上结果可以得出,沿海声层析技术可以作为一种新的测流方法对强潮海区进行大面积潮流观测,可在我国沿海的海洋环境监测等方面发挥重要作用.

沿海声层析仪的设计与实现

为解决在对沿海海流进行大面积连续观测中受到活跃的渔业活动和繁忙的海上交通的限制,设计研制了一对沿海声层析仪样机.该仪器采用了M序列调制信号,利用GPS时钟进行异地时间同步,完成水下信号的发射和接收,实现双向声传播时间的精确测量.仪器设计工作频率为3~7.5 kHz,异地时间同步精度达0.5μs.实验室调试的接收信号峰值明显,信噪比最大达25.7 dB.

沿海流场声层析研究进展

沿海声层析(coastal acoustic tomography,CAT)通过精确测量双向声信号传播时间来实现对近岸流场的观测。它可以不受繁忙的船舶航行和渔业活动等的限制,实现流场大面积、长期、连续的实时监测。CAT已多次成功应用于强潮海区,包括涌潮区等区域。本文介绍CAT的正演、反演问题,相关数据同化处理的最新进展,以及一些代表性实验案例。

基于沿海声层析技术的水下目标探测技术

针对难以对水下目标进行快速有效探测的难题,利用声层析的方法观测域内的水下目标尾流分布及其随时间演变过程,通过流场变化以实现对水下目标的探测。通过沿海声层析(coastal acoustic tomography,CAT)5站声同步传输观测试验,获得双向声传播时间数据,进行流场分布反演;利用3维反演方法观测得到自主式水下潜器(autonomous underwater vehicle,AUV)潜航所在深度的水平流场演变过程,反演结果与直接计算的路径平均流速基本吻合;实验过程中,鱼雷型水下机器人经过后流场产生明显波动,声学多普勒流速剖面仪(acoustic doppler velocity profiler,ADCP)与CAT观测结果分别为1.57, 1.43 m/s。结果表明:利用CAT方法在小尺度区域内观测探测AUV目标取得的成功,为后续的观测实验打下了基础。

扩展经验正交函数沿海声层析的声速反演

为了实现沿岸海域声速的实时连续监测,针对目前单收发换能器沿海声层析系统的剖面反演声线不足和接收信号不稳定的问题,提出了双收发换能器沿海声层析(Double-transcever Coast Acoustical Tomography,DCAT)系统。通过计算机进行仿真模拟,结果表明DCAT系统声速反演精度提高了一个数量级,验证了该系统对存在问题的改善及其有效性。在声速反演过程中,通过使用扩展经验正交函数(Extension Empirical Orthogonal Function,EEOF)表示声速剖面,实现了剖面全水深的声速反演。DCAT系统的提出和EEOF方法的应用,为海上实时连续观测系统的建立及数据处理,提供了理论基础和有效的实施方法。

沿海双向声传播测流研究与实验

2009年3月10-11日,用沿海声层析仪在我国台州大陈岛近海进行了一次双方向声传播测流实验。采用5 kHz的10阶M序列信号,利用GPS时钟进行异地时间同步,完成了水下信号的发射和接收,实现了双向声传播时间的精确测量。2个声传播站位间距为11km,实验历时26h。与此同时,在2个声传播站位间还进行了6次温度、盐度和流速的断面走行观测。2个站接收到的信号的信噪比达到了180以上,由双向声传播时间差得到的测线间的平均流速显示了典型的半日潮的变化。声传播观测所得的平均流速与声学多普勒流速剖面仪(ADCP)断面走行观测结果基本一致,两者之差的平均值为0.04m/s。

钱塘江涌潮观测及其动力学特性研究

为了研究钱塘江涌潮的动力特征,于2013年11月5—6日在钱塘江杭州段采用沿海声层析(Coastal acoustic tomography,CAT)和温盐深仪(Conductivity temperature depth,CTD)进行了涌潮观测试验。两个观测站位分别设置在沿江两岸,站间距为3050 m,试验历时26 h,成功观测到两次涌潮的全过程。结果表明:两次涌潮到来前后,由双向传播时间差计算得到的断面平均流速的变化范围分别为0.39^-1.08、0.31^-0.85 m/s(东向流为正),水位升高的最大幅度分别为1.38、1.14 m;两次涌潮通过观测站位的波速分别为-8.69、-8.43 m/s;观测断面流量的变化范围为-7753.00~3504.49 m3/s,整个试验期间的平均流量为644.14 m3/s;涌潮的弗劳德数介于1.19~1.29之间,表明观测涌潮为波状涌潮;涌潮到达前后能量的损耗率小于0.6%,符合波状涌潮的能量守恒关系。