2-2-沿海声层析技术的研发-朱小华.doc

2-2-沿海声层析技术的研发-朱小华+沿海声层析技术的研发*朱小华~廖光洪~郑红~梁楚进卫星海洋环境动力学国家重点实验室~国家海洋局第二海洋研究所~杭州310012摘要:本文综述了沿海声层析的观测原理和近十多年来沿海声层析技术研发的进展~重点对近年来为实现高精度传播时间观测而进行探索所取得的成果进行了总结。本文最后还介绍了我们正在研发的沿海声层析仪的主要设计参数,具体部件组成和进展情况。关键词:沿海声层析仪~声传播时间~高精度观测~研发进展1(引言自二十世纪70年代末Munk和Wunsch提出海洋声层析(OceanAcousticTomography,[1]简称OAT)来监测海洋这样一个革命性理论以来,海洋声层析技术作为一种遥测海洋内部结构变化的现代化监测技术得到了较快的发展。1981年美国WoodsHole海洋研究所等在百[2]慕大群岛至伊留特拉岛之间成功地完成了第一次海洋声层析实验。继美国之后,在1988[3]年美、英、德等九国共同完成了英格兰海洋声层析实验。其后,国际上开展了通过声学方[4]法监测海水温度变化和极地冰的变化来研究气候的变化。90年代末日本海洋科学技术中心[5](JAMSTEC)也在西太平洋成功地进行了一千公里规模的海洋声层析的观测。有关OAT的[6-7]原理和研究现状可参见文献。沿海海域,因受到地形及船舶航行等各种噪声的干扰,运用声学进行海洋观测的难度较大,因而,沿海声层析(Coastalacoustictomography,简称CAT)技术研究的起步较外[8-10]洋晚,有关CAT的研究也极其少。CAT主要应用于海湾、港口、半封闭海和海峡等的海洋环境监测,在这些海域,渔业活动、海上交通频繁。鉴于沿岸海洋环境的特殊性,对CAT的仪器研发和数据分析提出了如下的高要求:(1)CAT观测的空间范围是几公里到几十公里,远小于外洋海洋声层析观测的空间范围(几百公里到几千公里),这对CAT传播时间的测量精度提出了更高的要求。(2)在沿海海域,声波的传播极易受海底和海表等的影响,而且近海环境噪声远大于深海,因此要求CAT具有很强的抗噪声干扰能力。(3)近海海洋动力过程的时空间尺度更短更小,因此,对其监测需要更高的时空分辨率。(4)近岸海域,常受复杂的海岸边界条件约束,在进行反演分析技术时应选取合适的约束条件。[11-12]CAT技术的研究真正始于九十年代,通过十多年的技术进步,对近海流场和温度场[13-14]观测的CAT技术已较趋成熟。本文首先介绍CAT的观测原理和精度要求,并综述十多年来国外有关CAT技术的研发进展。最后介绍了我们课题组在国家“十一五”863计划的资助下,进行的沿海声层析仪的研发工作。基金项目:国家高技术研究发展计划(2006AA09Z102);国家自然科学基金(40706017);浙江省钱江人才计划(2007R10035)*E-mail:******@12(测量原理和精度要求图1所示,忽略声信号水平方向的弯曲,声脉冲信号沿声线路径Г的双方向传播时间为:Rt,(1)1C,u00R(2)t,2C,u00其中,C,是平均声速和流速场,R为站位间的距离。从上两式可得到C,:uu0000,,R11R,,C,,,,(3)0,,ttt212,,2,,CR110,,u,,,,t(4)0,,2tt2R,12,,,,t,t,,其中,Δt,t,t。从式(3)和(4)可知,双方向的传播时间和与差可得21122到声传播路径上的平均声速(平均温度)和平均流速。特别有趣的是,通过双方向的传播时,t间的观测可把流速和温度对传播时间的影响进行分离。特别是对流速观测时,因很小,ut,t故要求极高精度的传播时间观测。C用R和,用和R进行微分和变换后可得:00,,,cRt0,,(5)cRt0uRt,t,,,,,,0,,,2(6)uRt,t0如果能实现高精度的传播时间观测,那么式(5)和(6)中的第二和第三项可以忽略不计。2假设两个站位间的距离R=1km,位置误差,,可得:和C,1500m/s,c,,R,10m000近似关系。如果要观测的平均流速,由式(4)可知u,1m/s,u,,。即在实现高精度的传播时间观测条件下,平均流速的观测误差,u,1cm/s,t,。通过以上方法可对沿一支声线的平均流速进行观测。随着声层析站位的增加,各种走向的声线急剧增加,利用逆问题求解便可得到由观测站位所包围的海域的流速分布,限于篇幅这里就不介绍。3(实现高精度声传播时间观测的探索CAT对近海海流的