利用声纳观测流速的技术.docx

1、1990#-第2期南海研究与开发NANHAIYANJIUYUKAIFA19905月利用声纳观测流速的技术竹内俱佳70年代后半期以来，海洋声纳遥感技术作为卫星海洋遥感的补充技术已经引人注目，目前巳取得了迅速的进冕其中对于海况的观测技术有如下几种。海洋声学技术；多普列海流计；颠倒回声测深仪；通过气象观测环境噪声（WOTAN）:声学囚烁；声发浮标。除了WOTAN议外，其它技术都适用于艰测海洋的流虱本文以一为主要内容，叙述这些技术的现状与可行性。一、海洋声学层析X射线摄影法在海洋声学层析X射线意影法中，有从一方向的声波传播时间中推定水温结构，从而知道流速分布的一方向层希X射线摄影法和能够直接推定流速与

2、涡度等的双方向层析X射线摄影法。一方向层析X射线摄影法对于数百公里范围，声波传播时间的蹶测误差必须在数ms以下，若双方向层析X射线摄影法，就必须小于0.5ms。总之，都要通过实验确认其可行性。关于一方向层析X射线摄影法，将作为本专刊的内容之一来说明，因此本文叙述使用双方向层析X射线摄影法观测涡度与流速。1收发机对的配量a.三角形：b,正方形图1中的Pl、P2、P3以及P<是收发机对。设队是从P】通向P2的声波传播时间，idPlP2=12（t=、2（歹+宥12）<1）式中绮2为流速的PlP2分量，C为声速，一表示平均。本译文于1989年9月13B收到.P2P1=Jic-uJ2)dt=

3、t2i(c-tfl2)0由(1)、(2)式得%=上一妇=血（一-'一）2mP】P2C+籍】2。V12(3)相同点的流线积分为汕PlP2=-/郭C2Hic设云为平均涡度，三角形周长的线积分为fuds=/(rotu)rfj=a>.(5)A表示面积，因此使一'12+'”+312O)"(6)2P1P2得到涡度与流速。在正方形情况下，（6）式变为（8），12+AZ3+，34+4l2A将涡度与流速的测定作为参变量时，传播时间差与收发机配置距离的关系如图2所示。这样,考虑到由于声波传播时间溺定误差引起的声速变化与声线弯曲以及收发机的移动和配置面倾斜等问题，就要取数km

4、的间隔比较合适。但是，因为中尺度涡具有数百公里范围，所以信号处理时必须考虑声波的传播情况。这种信号处理使得M系列信号通过相关处理得到信-噪比。使用声波为300500Hz的频率。佃3a表示在水深200300m的浅海，相隔20km设置收发机来观测流速。将收发机对设置在距离海底50m处，测定离底65m范围内的声波，从而推定水平方向的铅直平均流速.其结果与帝速计较一致。ffl3b表示在水深为5000m的海填相隔300km设置收发机对传播时间差的观测结果。其流速分别为2.9cm/s（-3.9ms）和(-._)«叵盆学图2传播时间差与收发机对的距禹混度（md/s）；:三角形,:正方形.速度（cm

5、/s）：,一,<>盘-b,I,，t1o5)015202530:<"Z、粮叵&«e1983年<d）图3a）在浅海水探2（K）m）观测的流速a.流速计：b.从声波的传播时间差中推也b）在深海（水深5000m）现测的传播时间差。-7.4cm/s（7.4ms）°这与湾流的涡动流速基本一致。二、多普列海流计将34条声波的波束沿着与铅直方向成30°角发射（图4）。从海中散射波的多普列位移可测出流速水平分量的分布。因为在水深数百米以上海区是难以做到的，所以用劳兰或者雷达测定船速以进行订正。若将该装置设在海底（图4b）,射可观测离底数百米

6、范围内流速分布的时间系列。这时，由于随潮流流动而引起的声波散射的粒子不存在而产生困难。4条波束定向系统的情度使用声波的波束，流速的水平分云可以从下式推定图4多普列海流计的声波波束a）用船观i»J；b）设在海底式中的切1）为多普列位移，为波束角，c为声速，/为声波的男（率，这时的方差为8<u2sin2七28T2w2sin2(10)式中，史<=1/T7为脉冲宽度，7=10ms,co=2x300Hz,为30°时,SNK变成/>5.6cm/s(11)若取"次独立的测定平均值，（11）式就变成5.6.歹淑为了得到0.5cm/s的精度，因此取A=125o若声

7、脉冲的间隔为0.629s（可删到水深400m）,则以12kn的速度航行的情况下，相当于取距离500m之间流速的平均值。设破为收发机的波束发射角，在水深<处将1声脉冲宣度看作7,则垂直方向的分辨率为(12)=z.Wtan<t>¥cTcos<t>(13)设。=30°,=3°,7=10ms,则A0.0313m(14)3条波束定向系统的精度在图3收发机配置的情况下，流速可由下式推定u=c2/33sin，2i,(3?-«)3f>+3d23d(15)6CDsin(16)(17)因此得出流速的方差°：=6w2sin26Tz

8、a)2sin2(18)设破=30°,丁"lOOms,w=2?rX150Hz,则.1*213cm/s为了得到0.5cm/s的稍度，平均次数必须取"=676。以12kn的航行速度观溺时，声脉冲的间隔为0.629s;为得出0.5cm/s的精度，平均次数必须取"=676,这相当于水平距离约4km流速的平均值。设声脉冲为。.157s（相当于水深100m）,朋平均次数0=167,这相当于水平距离约1km流速的平均值，对于水深的分辨率和（13）式，也儒是（14）式相同。考虑到海洋的流速结构，设水平方向与垂直方向的分辨率分别为匕、<,且(19)则平均次数与腺冲宽度

9、的关系如图5所示。图5多普列海流计的精度：平均次数（-V）与昧冲宜度（T）,水平分辩率a>与垂直分辩率（）船速为5kn,脉点往返周崩为0.6299。图6（原图不清、略）表示使用3条波束定向系统观测的流速分布。图7是使用设置在海底的4条波束定向系统观测流速随时间变化的例子。三、颠倒回声测深仪!ES（顺倒回声测深仪）是将收发机设置在海底处测定声波的往返传播时间，由此推定海洋结构变化的技术。设往返传播时间为r，=2匚半（20）式中Q为水深，为海面高度，c为声速。因为声速随温、盐.压的变化而变化，所以传播时间随温跃层和潮汐的变化而变化。图8给出了XBT的结果以及由IES的传播时间，按照下式

10、63;=协+8-（21）求出的水温15灯所处的水深£值比较，二者具有良好的相关性。斜率M=-19、5m/ms。为了用IES观测图10所处海域湾流的曲流，图9给出了由XBT观测构成横过湾流温1982年5月图7海底的观澎实例（与流速计相比较，水深约130m）跃层的平均分布。用图9和设置于S10点的1ES资料能够推定湾流的曲流。图11b是将3个1ES设置在A断面上£的记录值，由此可以用下式推定北倒位置的以，)。(22)7(0=叫叫土钏知+钏为wtU*2+w3由囹9推定七和,心是从1ES得到的位移，幻是与心对应的标准偏差的倒数,由此得出的结果如图!la)所示。STD)(m)图8IE

11、S与XBT的比较用上述方法推出A、B、C断面X(2)的变化(图11),就得到湾流的曲流(图12)。水平方向铅直平均流速的测定图】0IES的设置点将第1节的原理应用在铅直面内(图13),设声法传播方向的流速为刀，则往路的声波传播时间知与复路的传播时间之差为上f2-妇设水平方向的流速为”(z),七=a(z)cos8,=dssin。，并使用平均音速门，明(23)式变为A/12cost0fQu(7)女=一Z匕衣”4)Ca-DCUDJMrstfv6n8月ZUOJton(IDSN<tUsNVElz-ya)b)由图9推定的，（t）值；使用IES在水温15°C处境湾的例子.ffl!2湾流的曲流

12、式中0是水平方向与声线的央角，因高从下式得出平均流速u(25)77=-AL2-C22L°其中11与1-P一2-1的传播时间差可通过作底层流速修正求出。设平均流速当在相隔3km设置IES时，使用脉冲转发器发射声波的传播路径有4条,2P为0.51m/s,则对应的传播时间为14】一2.83ms。四、其它方法除了前面叙述以外，利用声波涮定流速的技术还有声学闪烁，声发浮标。磨学闪烁声波的折射率随流速，水温和盐度的变化而变化。在媒介内传播声波的振幅与位相的摆动正反映出这些媒介的状态。若配置收发机，计算协方差C（图14）,W0m-|r=0*；血心iO附(P次)，u=-£(26)在声波的传播路桂中，流速垂直分量如可按照逆运算方法推定。鹿发浮标声发浮标是使拉格朗流速删定成为可能的中性浮体，在声速最:小的水深约800】000m附近流动，利用水听器基阵