一种利用简正波耦合干涉的海洋环境监测方法与流程

本发明涉及的是一种海洋耦合简正波干涉特性以及海洋环境变化监测方法。

背景技术：

声波在海洋中传播，产生了声场。实际海洋环境是时变和空变的，这会使得在其中传播的声信号的幅度和相位产生畸变，从而使接收到的声信号具有时频干涉和空频干涉特性，而这些干涉特性能够在一定程度上反映出海洋环境的变化情况及相关参数。然而，现有方法很难从声场中获取海洋环境变化的有关信息，因此，无法预报和测量引起这些海洋环境变化的有关因素。

为了从声场中提取海洋环境信息，一系列的声学模型和声场算法被相继提出，如声场的时频干涉、波导不变量分析法、波数积分方法、谱分解等。这些方法能够在一定程度上提取海洋环境变化的有关信息，但是往往依托于整个声场的信息，所得结果较为复杂，难以进行直观的分析。而各阶简正波之间的干涉能够得到清晰的干涉图样和明确的物理意义，便于分析。所以，为了得到清晰简单的干涉图样，以便对结果进行分析，对每一阶简正波的干涉结构的分析研究是很有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种操作性强，计算量适中，结果清晰、稳定且物理意义明确的利用简正波耦合干涉的海洋环境监测方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)发射宽带声信号，得到海洋环境发生变化时，接收点处的声压场p(R,z；f,r₀)，其中R为接收器到声源的距离，z为接收点所在深度，f为声波频率，r₀为孤立子内波到声源的距离；

(2)利用模态滤波方法，将步骤(1)得到的声压场p(R,z；f,r₀)进行模态分解，得到各阶简正波的声压分量p_n(R,z；f,r₀)；

(3)将步骤(2)得到的各阶简正波声压分量p_n(R,z；f,r₀)和自身共轭相乘，得到各阶简正波和自身共轭的干涉图样

(4)根据步骤(3)得到的干涉图样，利用波导不变量法得到干涉图样中的干涉条纹斜率，并根据这一斜率和海洋环境变化的有关参数的关系，对海洋环境变化进行监测。

本发明提供了一种高效准确的海洋声场监测技术，能够从声场中充分提取海洋环境信息并由此监测海洋环境变化，如内波、锋面、涡旋、洋流等对声场带来的影响。现有的声场计算技术虽然能够进行声场计算和海洋环境信息提取，但往往依托于整个声场的信息，而不关注每一阶简正波的干涉结构，因此存在于各阶简正波之间的干涉中的重要信息往往会被忽略。本发明针对每一阶简正波的干涉结构，能够稳定、快速地从中提取海洋环境变化的有关信息，物理意义明确，图像清晰。相比其他声场计算技术，本发明能在复杂的声场干涉中，得到相对简单清晰且物理意义明确的简正波干涉图样，极大简化对声场干涉的分析以及海洋环境变化信息的提取。

本发明所采用的技术是，在海洋环境变化的情况下，将简正波耦合、模态滤波、简正波干涉和波导不变量法结合起来计算和分析声场，以达到快速简单提取海洋环境变化信息，并对海洋环境变化进行预警和监测的目的。

本发明基于的原理如下：

声场中的声压

其中，f为声波频率，r₀为海洋环境变化量所在位置到声源的距离，z_r为接收水听器所在深度，M为简正波的阶数，R为接收水听器到声源的距离，a_n(f；r₀,z_r,R)为第n阶简正波的幅度，φ_n(z_r)为接收点处第n阶简正波的本征函数。

对海上试验测得的宽带声压场做模态分解，得到各阶简正波的声压分量

p_n(f；r₀,z_r,R)＝a_n(f；r₀,z_r,R)φ_n(z_r)(2)

由于海洋环境会随着时间和空间距离发生变化，这个变化会引起各阶简正波之间的耦合干涉，从而改变各阶简正波的幅度a_n(f；r₀,z_r,R)、各阶简正波的声压p_n(f；r₀,z_r,R)以及声场的时频、空频干涉结构。为了得到声场的空频干涉特性，将各阶简正波的声压分量

p_n(f；r₀,z_r,R)与其共轭相乘，得到

海洋环境变化带来的简正波耦合干涉的空频干涉特性p_nn(f；r₀,z_r,R)包含着海洋环境随着时间和空间变化的一些特征信息。因此，可以通过分析声场的耦合干涉特性p_nn(f；r₀,z_r,R)，获得海洋环境的时变、空变特性，进而对海洋环境的变化进行监测。

接下来，以内波为例来说明，如何通过海洋环境变化引起简正波耦合的干涉特性，来进行海洋环境监测：

对于海洋环境中发射的宽带声信号，第n阶简正波的幅度声压场

其中，f为声波频率，r₀为孤立子内波相对于声源的水平距离，z_r为接收水听器所在深度， M为简正波的阶数，R为接收水听器到声源的距离，k_n为第n阶简正波的本征值，φ_n(z_r)为第n阶简正波在接收水听器处的本征函数，A_n(R)为第n阶简正波在距离R处的幅度，满足

其中l_n＝k_n+iα_n，为第n阶简正波的复本征值，α_n为第n阶简正波的衰减系数，A_n(0)为声源处的第n阶简正波幅度，η₀为孤立子内波的幅度，Z_nm为第n阶简正波和第m阶简正波之间的耦合矩阵，l_nm＝l_n-l_m＝-l_mn，k_nm＝k_n-k_m＝-k_mn，α_nm＝α_n-α_m＝-α_mn。

所以，计算结果保留到η₀的一阶近似，第n阶简正波声压分量和自身共轭的乘积

其中

(3)式所表示的第n阶简正波和自身共轭乘积，由于内波的存在而导致各阶简正波之间发生了耦合干涉，在声波频率f-孤立子内波位置r₀平面有明显的干涉条纹现象。

干涉图样的条纹斜率

经过近似处理，第一阶简正波的干涉条纹斜率

其中

S_p12(f)为声波频率为f时，第一阶简正波和第二阶简正波的相慢度差，即有

S_p12(f)＝S_p1(f)-S_p2(f) (10)

S_g12(f)为声波频率为f时，第一阶简正波和第二阶简正波的群慢度差，即有

S_g12(f)＝S_g1(f)-S_g2(f) (11)

根据(6)式，可以在干涉条纹斜率S_p12(f)、S_g12(f)以及声波频率f已知的情况下，来估计孤立子内波的位置r₀，有

根据随着时间的变化，还可以估计孤立子内波沿着声源-接收点连线方向的运动速度。

因此，可以根据简正波的耦合干涉特性p_nn(f；r₀,z_r,R)来监测海洋环境变化。

本发明有以下优势：

1、本发明能够稳定、快速地计算实际中具有时空变化特性的海洋环境下的声场。

2、本发明能够从复杂的声场干涉图样中得到清晰简单且物理意义明确的干涉图样更易于提取海洋环境变化的特征信息，有助于实现海洋环境变化的预警和监测。

附图说明

图1为发明内容程序流程图；

图2a-图2b为文中采用的海洋环境；图2a声速剖面，图2b孤立子内波形状；

图3a-图3b为声压场；图3a为KRAKEN声压场、图3b PE声压场；

图4a-图4b为第一阶简正波声压和自身共轭乘积；图4a为KRAKEN第一阶简正波声压、图 3b PE第一阶简正波声压；

图5为图4中的条纹斜率δr₀/δf|_1st。

具体实施方式

本发明提供的是一种利用简正波耦合干涉的海洋环境监测技术。所述的简正波耦合的干涉特性，由于受到实际海洋环境具有时变和空变特性的影响，在其中传播的声信号会产生简正波耦合干涉特性。

实际时变空变海洋环境下的声场中的声压

其中，f为声波频率，r₀为海洋环境变化量所在位置到声源的距离，z_r为接收水听器所在深度，M为简正波的阶数，R为接收水听器到声源的距离，a_n(f；r₀,z_r,R)为第n阶简正波的幅度，φ_n(z_r)为接收点处第n阶简正波的本征函数。

对海上试验测得的宽带声压场做模态分解，得到各阶简正波的声压分量

p_n(f；r₀,z_r,R)＝a_n(f；r₀,z_r,R)φ_n(z_r) (2)

由于海洋环境会随着时间和空间距离发生变化，这个变化会引起各阶简正波之间的耦合干涉，从而改变各阶简正波的幅度a_n(f；r₀,z_r,R)、各阶简正波的声压p_n(f；r₀,z_r,R)以及声场的时频、空频干涉结构。为了得到声场的空频干涉特性，我们用各阶简正波的声压分量 p_n(f；r₀,z_r,R)和自身的共轭相乘，得到

所述的海洋环境监测技术，利用海洋环境变化带来的简正波耦合干涉的空频干涉特性 p_nn(f；r₀,z_r,R)，提取其中包含的海洋环境特征信息，获得海洋环境的时变、空变特性，进而对海洋环境的变化进行监测。

下面举例对本发明做更详细的描述。

(1)本发明利用编程实现功能的操作流程如图1所示。首先利用KRAKEN/PE方法计算特定海洋环境下的声场。本质上就是计算特定海洋环境下，信道的单位冲击相应。即根据图 2a-图2b所示的海洋环境，求出声压场p(f；r₀,z_r)(如图3a-图3b所示)，f是声波频率，r₀是孤立子内波位置，z_r为接收点所在深度。

(2)用模态滤波法，对(1)求出的声压场进行模态分解，得到各阶简正波的声压分量 p_n(f；r₀,z_r)，其中n＝1,2,...,M，M为计算所考虑的简正波总阶数。然后计算p_n(f；r₀,z_r) 和自身共轭的乘积以第一阶简正波为例，所得结果如图4a-图4b所示。

(3)用波导不变量法，计算图4a-图4b中的干涉条纹斜率以第一阶简正波为例，得到根据这个关系，即可得到孤立子内波位置r₀的估计值

(4)对于真实的海洋环境数据p(f；t,z_r)，t为接收器从开始接收信号所经过的时间，可以根据上述方法得到各阶简正波的声压分量和自身的共轭乘积然后求得干涉条纹斜率，并根据温度链测得孤立子内波的运动速度v，进而估计孤立子内波到声源的距离r₀，从而对孤立子内波和其他的海洋环境变化进行预报和监测。