1、1990#-第2期南海研究與開發(fā)NANHAIYANJIUYUKAIFA19905月利用聲納觀測流速的技術(shù)竹內(nèi)俱佳70年代后半期以來，海洋聲納遙感技術(shù)作為衛(wèi)星海洋遙感的補(bǔ)充技術(shù)已經(jīng)引人注目，目前巳取得了迅速的進(jìn)冕其中對于海況的觀測技術(shù)有如下幾種。海洋聲學(xué)技術(shù)；多普列海流計；顛倒回聲測深儀；通過氣象觀測環(huán)境噪聲（WOTAN）:聲學(xué)囚爍；聲發(fā)浮標(biāo)。除了WOTAN議外，其它技術(shù)都適用于艱測海洋的流虱本文以一為主要內(nèi)容，敘述這些技術(shù)的現(xiàn)狀與可行性。一、海洋聲學(xué)層析X射線攝影法在海洋聲學(xué)層析X射線意影法中，有從一方向的聲波傳播時間中推定水溫結(jié)構(gòu)，從而知道流速分布的一方向?qū)酉射線攝影法和能夠直接推定流速與

2、渦度等的雙方向?qū)游鯴射線攝影法。一方向?qū)游鯴射線攝影法對于數(shù)百公里范圍，聲波傳播時間的蹶測誤差必須在數(shù)ms以下，若雙方向?qū)游鯴射線攝影法，就必須小于0.5ms?？傊家ㄟ^實驗確認(rèn)其可行性。關(guān)于一方向?qū)游鯴射線攝影法，將作為本?？膬?nèi)容之一來說明，因此本文敘述使用雙方向?qū)游鯴射線攝影法觀測渦度與流速。1收發(fā)機(jī)對的配量a.三角形：b,正方形圖1中的Pl、P2、P3以及P<是收發(fā)機(jī)對。設(shè)隊是從P】通向P2的聲波傳播時間，idPlP2=12（t=、2（歹+宥12）<1）式中綺2為流速的PlP2分量，C為聲速，一表示平均。本譯文于1989年9月13B收到.P2P1=Jic-uJ2)dt=

3、t2i(c-tfl2)0由(1)、(2)式得%=上一婦=血（一-'一）2mP】P2C+籍】2。V12(3)相同點的流線積分為汕PlP2=-/郭C2Hic設(shè)云為平均渦度，三角形周長的線積分為fuds=/(rotu)rfj=a>.(5)A表示面積，因此使一'12+'”+312O)"(6)2P1P2得到渦度與流速。在正方形情況下，（6）式變?yōu)椋?），12+AZ3+，34+4l2A將渦度與流速的測定作為參變量時，傳播時間差與收發(fā)機(jī)配置距離的關(guān)系如圖2所示。這樣,考慮到由于聲波傳播時間溺定誤差引起的聲速變化與聲線彎曲以及收發(fā)機(jī)的移動和配置面傾斜等問題，就要取數(shù)km

4、的間隔比較合適。但是，因為中尺度渦具有數(shù)百公里范圍，所以信號處理時必須考慮聲波的傳播情況。這種信號處理使得M系列信號通過相關(guān)處理得到信-噪比。使用聲波為300500Hz的頻率。佃3a表示在水深200300m的淺海，相隔20km設(shè)置收發(fā)機(jī)來觀測流速。將收發(fā)機(jī)對設(shè)置在距離海底50m處，測定離底65m范圍內(nèi)的聲波，從而推定水平方向的鉛直平均流速.其結(jié)果與帝速計較一致。ffl3b表示在水深為5000m的海填相隔300km設(shè)置收發(fā)機(jī)對傳播時間差的觀測結(jié)果。其流速分別為2.9cm/s（-3.9ms）和(-._)«叵盆學(xué)圖2傳播時間差與收發(fā)機(jī)對的距禹混度（md/s）；:三角形,:正方形.速度（cm

5、/s）：,一,<>盤-b,I,，t1o5)015202530:<"Z、糧叵&«e1983年<d）圖3a）在淺海水探2（K）m）觀測的流速a.流速計：b.從聲波的傳播時間差中推也b）在深海（水深5000m）現(xiàn)測的傳播時間差。-7.4cm/s（7.4ms）°這與灣流的渦動流速基本一致。二、多普列海流計將34條聲波的波束沿著與鉛直方向成30°角發(fā)射（圖4）。從海中散射波的多普列位移可測出流速水平分量的分布。因為在水深數(shù)百米以上海區(qū)是難以做到的，所以用勞蘭或者雷達(dá)測定船速以進(jìn)行訂正。若將該裝置設(shè)在海底（圖4b）,射可觀測離底數(shù)百米

6、范圍內(nèi)流速分布的時間系列。這時，由于隨潮流流動而引起的聲波散射的粒子不存在而產(chǎn)生困難。4條波束定向系統(tǒng)的情度使用聲波的波束，流速的水平分云可以從下式推定圖4多普列海流計的聲波波束a）用船觀i»J；b）設(shè)在海底式中的切1）為多普列位移，為波束角，c為聲速，/為聲波的男（率，這時的方差為8<u2sin2七28T2w2sin2(10)式中，史<=1/T7為脈沖寬度，7=10ms,co=2x300Hz,為30°時,SNK變成/>5.6cm/s(11)若取"次獨立的測定平均值，（11）式就變成5.6.歹淑為了得到0.5cm/s的精度，因此取A=125o若聲

7、脈沖的間隔為0.629s（可刪到水深400m）,則以12kn的速度航行的情況下，相當(dāng)于取距離500m之間流速的平均值。設(shè)破為收發(fā)機(jī)的波束發(fā)射角，在水深<處將1聲脈沖宣度看作7,則垂直方向的分辨率為(12)=z.Wtan<t>¥cTcos<t>(13)設(shè)。=30°,=3°,7=10ms,則A0.0313m(14)3條波束定向系統(tǒng)的精度在圖3收發(fā)機(jī)配置的情況下，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)設(shè)破=30°,丁"lOOms,w=2?rX150Hz,則.1*213cm/s為了得到0.5cm/s的稍度，平均次數(shù)必須取"=676。以12kn的航行速度觀溺時，聲脈沖的間隔為0.629s;為得出0.5cm/s的精度，平均次數(shù)必須取"=676,這相當(dāng)于水平距離約4km流速的平均值。設(shè)聲脈沖為。.157s（相當(dāng)于水深100m）,朋平均次數(shù)0=167,這相當(dāng)于水平距離約1km流速的平均值，對于水深的分辨率和（13）式，也儒是（14）式相同?？紤]到海洋的流速結(jié)構(gòu)，設(shè)水平方向與垂直方向的分辨率分別為匕、<,且(19)則平均次數(shù)與腺沖寬度

9、的關(guān)系如圖5所示。圖5多普列海流計的精度：平均次數(shù)（-V）與昧沖宜度（T）,水平分辯率a>與垂直分辯率（）船速為5kn,脈點往返周崩為0.6299。圖6（原圖不清、略）表示使用3條波束定向系統(tǒng)觀測的流速分布。圖7是使用設(shè)置在海底的4條波束定向系統(tǒng)觀測流速隨時間變化的例子。三、顛倒回聲測深儀!ES（順倒回聲測深儀）是將收發(fā)機(jī)設(shè)置在海底處測定聲波的往返傳播時間，由此推定海洋結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)。設(shè)往返傳播時間為r，=2匚半（20）式中Q為水深，為海面高度，c為聲速。因為聲速隨溫、鹽.壓的變化而變化，所以傳播時間隨溫躍層和潮汐的變化而變化。圖8給出了XBT的結(jié)果以及由IES的傳播時間，按照下式

10、63;=協(xié)+8-（21）求出的水溫15燈所處的水深£值比較，二者具有良好的相關(guān)性。斜率M=-19、5m/ms。為了用IES觀測圖10所處海域灣流的曲流，圖9給出了由XBT觀測構(gòu)成橫過灣流溫1982年5月圖7海底的觀澎實例（與流速計相比較，水深約130m）躍層的平均分布。用圖9和設(shè)置于S10點的1ES資料能夠推定灣流的曲流。圖11b是將3個1ES設(shè)置在A斷面上£的記錄值，由此可以用下式推定北倒位置的以，)。(22)7(0=叫叫土釧知+釧為wtU*2+w3由囹9推定七和,心是從1ES得到的位移，幻是與心對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差的倒數(shù),由此得出的結(jié)果如圖!la)所示。STD)(m)圖8IE

11、S與XBT的比較用上述方法推出A、B、C斷面X(2)的變化(圖11),就得到灣流的曲流(圖12)。水平方向鉛直平均流速的測定圖】0IES的設(shè)置點將第1節(jié)的原理應(yīng)用在鉛直面內(nèi)(圖13),設(shè)聲法傳播方向的流速為刀，則往路的聲波傳播時間知與復(fù)路的傳播時間之差為上f2-婦設(shè)水平方向的流速為”(z),七=a(z)cos8,=dssin。，并使用平均音速門，明(23)式變?yōu)锳/12cost0fQu(7)女=一Z匕衣”4)Ca-DCUDJMrstfv6n8月ZUOJton(IDSN<tUsNVElz-ya)b)由圖9推定的，（t）值；使用IES在水溫15°C處境灣的例子.ffl!2灣流的曲流

12、式中0是水平方向與聲線的央角，因高從下式得出平均流速u(25)77=-AL2-C22L°其中11與1-P一2-1的傳播時間差可通過作底層流速修正求出。設(shè)平均流速當(dāng)在相隔3km設(shè)置IES時，使用脈沖轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射聲波的傳播路徑有4條,2P為0.51m/s,則對應(yīng)的傳播時間為14】一2.83ms。四、其它方法除了前面敘述以外，利用聲波涮定流速的技術(shù)還有聲學(xué)閃爍，聲發(fā)浮標(biāo)。磨學(xué)閃爍聲波的折射率隨流速，水溫和鹽度的變化而變化。在媒介內(nèi)傳播聲波的振幅與位相的擺動正反映出這些媒介的狀態(tài)。若配置收發(fā)機(jī)，計算協(xié)方差C（圖14）,W0m-|r=0*；血心iO附(P次)，u=-£(26)在聲波的傳播路桂中，流速垂直分量如可按照逆運算方法推定。鹿發(fā)浮標(biāo)聲發(fā)浮標(biāo)是使拉格朗流速刪定成為可能的中性浮體，在聲速最:小的水深約800】000m附近流動，利用水聽器基陣