海水声速测量方法及其应用

在水声研究和海洋工程中,广泛地需要测量海水声速。纵观水声技术的发展历史,声速及其测量方法和手段一直是水声研究的基本问题。从水下声传播速度的物理特性出发,介绍了典型海洋声速剖面的特征,以声速剖面对声传播的影响为关注对象,示例说明了其对声纳最佳探测深度及声纳探测距离的影响,以及声速测量在大洋测温中的应用。在声速剖面测量方法方面,介绍总结了国内外的声速测量设备的原理、技术发展趋势以及主要产品。最后给出了海洋声速剖面测量的发展展望。

基于ARGO浮标数据的全球海水声速场研究

基于ARGO浮标的剖面数据,提出了八阶的Chebyshev多项式拟合方法,分别拟合温度、盐度和声速的深度梯度变化,并通过拟合多项式计算各个深度层的海水声速,实现观测数据的标准化。为了分析全球的三维声速场,提出了基于面球谐函数展开表示全球海水声速场的模型,并通过最小二乘拟合方法直接估计面球谐函数展开系数,计算结果显示面球谐函数表示的海水声速场模型的准确、直观。

珠江口外海水声速经验正交函数分析

利用珠江口外海多年的水文观测资料,采用经验正交函数（EOF）法分别对该海域表层及21°N垂向断面的声速及其距平值进行了分析.结果表明该海域表层声速自西北向东南增大,21°N垂向断面声速随水深的增加而减小.EOF法分析声速及其距平值得出的第一个特征分量在该区域表层和21°N垂向断面上都是最重要的.声速季节变化显著：自上一年的10月开始减小,2或3月减到最小值后开始增大,7～9月增至最大值,有显著的年变化周期.声速也似有年际变化：1981年冬季声速开始减小,一直持续到1982年秋季,1982年冬季开始呈增大的趋势.声速的年际变化强度随着水深的增加而减弱.

基于群延时分析的海水声速测量

在海水声速测量过程中,测量系统存在群延时,影响测量精度.建立声速直接测量系统信号传输模型,分析系统群延时及换能器群延时.建立声速直接测量系统并在恒温水槽中完成测量实验,所测量的声速值与某高精度声速仪测量声速值相差小于0.3 m/s,与经验公式计算声速值相差小于0.1 m/s.实验结果表明,系统群延时分析方法可用于声速测量.

表层海水中声纳定位的声速问题

海水温盐跃层和深度方向上的梯度变化,导致海水声速的跃层和梯度变化,这种变化既有系统性,又有随机性,声速的不确定性导致水下定位系统的不稳定性问题。本文针对浅水水下定位系统中声速大小和声线弯曲问题进行研究,提出了用于几何法定位的平均海水声速线估计定位法。另外,基于射线声线理论构成的距离观测方程和时间观测方程都是不可导的非线性方程,该方程组的最小二乘问题是一类特殊的非线性最小二乘问题。本文提出了先分组迭代、后统计分析的"两步法"实现对这类特殊非线性最小二乘问题的求解。

基于声光效应的海水声速测量

基于光学频率梳与超声脉冲之间的声光效应,提出了一种海水声速直接测量的方法。根据光学频率梳模间拍频的相位测量了超声脉冲的飞行距离,根据脉冲声光效应引起的零级光的强度变化测量了超声脉冲的飞行时间。搭建了基于马赫-曾德尔干涉仪的测量装置。实验结果表明,该方法可以在实验室条件下实现高精度的海水声速测量,测量不确定度优于5 cm/s。

利用海水平均声速进行海洋分布式垂直缆姿态校正

垂直缆地震采集方法能够获得高信噪比、宽频带、宽方位角的地下结构的反射资料,进而实现目标区域的高精度成像。垂直缆姿态的准确获得是高质量地震资料解编的必要前提。利用初至采样点差值与震源激发采样点差值的相关匹配方法,得到共检波点道集。依据超短基线测得的位置参数,得到垂直缆的初始姿态模型,结合海水平均声速的估算值,校正垂直缆的姿态以及确定倾斜角度范围,为垂直缆地震数据的后续处理工作提供支持。

全球海域最优声速计算模型的综合选定(一)

海水声速是海洋环境观测的基本要素之一,基于特定深度处的温度盐度等信息并结合声速经验模型可计算海水声速。当前诸多中文文献关于声速经验模型表达存在一些分歧甚至错误,核实了多个常用声速经验模型的正确表达。这也是开展全球海域调查测量时选择最优声速计算方案的前提和基础。

菲律宾海中部海域声速剖面结构及季节性变化

利用2019年菲律宾海中部海域经质量校正后的Argo浮标数据,采用Wilson第二方程式计算得到每个浮标站位不同水深的声速值,分析了研究区声速的垂向结构、水平分布及季节性变化特征,并初步探讨了声速与海底地形的关系。结果显示研究区声速在垂向上表现为典型的三层结构,从上到下分别是混合层、主跃变层、深海等温层;声速在100 m以浅受季节影响最大,100~800 m影响程度基本一致,800 m以深逐渐减弱,1200 m以深基本不受影响。声速水平分布特征主要表现为:声道轴深度为900~1100 m,大致呈现南部较浅、北部较深的趋势,季节性变化不大;声速值在200 m以浅表现为南高北低,200~700 m为北高南低,800~1100 m为中间高、四周低,1200 m以深为南高北低。九州-帕劳海脊声道轴附近深度声速受地形影响明显低于周围海域。

小波分析在海底沉积物声速原位测量中的应用

本文利用海底地质声学原位测量系统样机在胶州湾海域进行了海上试验,测量了近海海域复杂沉积环境下的声学参数,获得了3个典型站位沉积物和2 m深处海水的声波信号.在处理声波信号时,不是采用传统的人工读取信号起跳点的方法,而是采用小波变换分析方法读取起跳点.利用小波分解原始信号,得到细节信号的模极大值连线,确定原始信号的畸变点,从而计算出沉积物和海水的声速值.结合Wilson经验公式计算海水的声速,与测量系统直接测量的海水声速进行了对比,结果仅差1 m/s左右,证明小波变换能够精确地读取该测量系统记录的声波信号起跳点,可以提高沉积物声速原位测量的精确度.

印度洋某测区多波束测量声速改正分析

海水声速是影响多波束测深精度的主要因素之一,声速改正方法是否正确直接关系测量结果的精度和可靠性。为保证多波束测深精度,除需具备符合精度要求的多波束系统及其外围设备外,在测量过程中还必须保证各项校正和改正的精度,而在各项校正和改正过程中最难以控制精度的因素便是声速改正。因此,应在测量前充分了解测区的声速变化情况,掌握海区声速变化特征,确定合理的声速剖面测量间隔和布设方位。文中阐述了海水声速特性,分析了印度洋某测区温度、盐度、声速变化规律,对多波束测深进行了正确的声速改正。

东海近海声速特征探讨

本文在对东海近海1907—1991年水文观测资料整理的基础上,统计分析了该海区声速分布和变化的基本特征,并就其对水声仪器设备使用的影响进行了初步探讨。

基于非对称往返测距的海洋无线传感网络节点定位算法

提出一种新的基于非对称往返测距的海洋无线传感网络节点定位(LMARR)算法,该算法利用节点间非对称的接收与发送测距信息的时间差,推算出节点间海水声速以及未知节点与其邻居参考节点之间的距离,将三维距离信息转换成二维,运用最小二乘法完成定位计算。与SWN和ARTL算法相比较,仿真结果表明:LMARR算法能有效地提高节点定位的精度,特别是在深度为20~120 m海水声速持续变化的区域,定位精度比SWN算法提高了20%,比ARTL算法提高了33%;此外,LMARR算法还具有较高的稳定性。

台湾海峡西部海域综合调查成果通过了评审验收

“台湾海峡南部水深30—60m海底首次发现文昌鱼大面积分布”;“发现了多毛类一个新属三个新种”;“台湾浅滩南部存在着上升流、平潭岛东北和泉州湾外海区也发现有上升流现象”;“台湾海峡内存在着浅海声道”。这些是从最近在厦门召开的“台湾海峡西部海域综合调查”成果评审验收会上获悉的。来自全国24个单位的同行专家、教授和工程技术人员70多名,在听取了国家海洋局第三海洋研究所关于“台湾海峡西部海域综合调查”的工作报告和海洋水文气象、海水化学、海洋生物、海洋初级生产力、海洋地质地貌、海水声速和海洋人工放射性等专业的调查研究报告之后,根据国家海洋局下达的任务与要求,认真地审查了全部成果。认为该调查是一次较全面、较系统、范围广、站位多、同步周日连续观测和分片准同步大面的调查。

浅海海底山地形对声传播特性的影响

在计算海底参数时,通常假设海底为水平分层结构,而在实际海洋环境中,广泛存在海底山等地形起伏变化复杂的海底地形。若要求对海洋声场计算的精度提高,则简单的水平分层已经不能满足探测实际海洋的需要。本文着眼能计算各种复杂边界条件的有限元法,运用COMSOL软件计算浅海海底山地形下的声场,主要讨论在浅海环境下海底山对水下声传播特性的影响。

黄海中部内波特征及其引起的声起伏

用1996年中美联合黄海实验所取得的水文资料，对内波特征进行了分析，结果表明：（1）内波引起的质点垂直位移峰-峰值可达8m；（2）内波主要由第一阶模态控制；（3）内波谱能量密度随频率近似以－3／2次方律减小．根据实验得出的内波谱，给出了海水声速分布的数学模型，在此基础上，用PE方法对由内波引起的不同频率声信号强度起伏进行了数值模拟，并与实验测量结果进行了比较。