聲相關(guān)流速剖面儀觀測深水散射層的可行性研究

聲相關(guān)流速剖面儀觀測深水散射層的可行性研究

1超聲探測技術(shù)分散層（sdl）是由生活在不同海生物組成的復(fù)雜群體聚集的，可以產(chǎn)生強烈的散射波。DSL中的生物包括甲殼類、撓足類、烏賊以及魚類等,具有在深度上的晝夜移棲現(xiàn)象,即:DSL夜晚上升至較淺的海面,白天降沉到較深的地方,在日出和日落時分深度變化最劇烈。DSL研究對于海洋學(xué)、生物學(xué)和水聲學(xué)有著重要的意義。近些年來,隨著海洋學(xué)、生物學(xué)和水聲學(xué)的發(fā)展,DSL方面的研究取得了較大進展。目前,利用聲學(xué)設(shè)備觀測DSL是DSL研究中的主要手段之一,聲學(xué)設(shè)備包括:回聲測深儀、多波束測深儀和聲多普勒流速剖面儀(ADCP)等。作為一種聲學(xué)測速設(shè)備,聲相關(guān)流速剖面儀(AcousticCorrelationCurrentProfiler,ACCP)同樣適用于DSL觀測。ACCP的主要功能是進行流剖面的三維速度測量,其基本工作原理是“波形不變性原理”[7螄9]。利用ACCP進行DSL觀測時,除了采用目前通用的回波強度觀測外,還可以對DSL運動速度進行測量。本文將重點討論利用ACCP觀測DSL的方法,并將這種方法運用于海試數(shù)據(jù)中,分析其觀測結(jié)果。2用accp觀測ssol2.1accp觀測dsl的相關(guān)系數(shù)CCP基陣采用平面陣結(jié)構(gòu),發(fā)射陣元垂直向下發(fā)射編碼調(diào)制信號,多個接收陣元進行數(shù)據(jù)采集。采集時利用時間增益控制,補償聲波傳播過程中由于球面擴散和海水吸收造成的衰減,從而使ACCP接收的流層回波強度只與相應(yīng)深度處流層散射強度有關(guān)。海洋中對聲波散射強度貢獻最大的是生物性散射體,因此,DSL中的生物群體會對聲波進行強烈的散射。這樣,通過流層回波強度可以對DSL進行觀測。利用回波強度觀測DSL,各種環(huán)境噪聲是主要干擾源。正確區(qū)分回波和噪聲是觀測的基礎(chǔ)。ACCP發(fā)射信號具有較好的相關(guān)特性,散射回波同樣具有這樣的相關(guān)特性,而噪聲一般情況下是不具備的。因此,相關(guān)特性可以作為檢波依據(jù)。ACCP具有多個接收陣元,這些陣元性能相同,具有一致性。在觀測過程中,對多個接收陣元采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,以降低個別陣元受干擾引入誤差的影響,提高可靠性。統(tǒng)計時,去除差異較大的陣元數(shù)據(jù),對有效數(shù)據(jù)進行平均,統(tǒng)計后的數(shù)據(jù)用作DSL觀測。圖1和圖2是海試中ACCP觀測DSL時采用的2組數(shù)據(jù)。圖1中,水深300m~800m范圍內(nèi)回波強度均較大,且在350m、450m和600m處有3個峰值,如箭頭所示。圖2中,水深200m以內(nèi)回波強度明顯較大,而其它深度回波強度較小,如箭頭所示。圖1和圖2表明,ACCP測得的回波強度隨時間和水深的變化而變化,這和DSL的變化規(guī)律是一致的。2.2垂向速度和相對速度ACCP能夠測量有效水深范圍內(nèi)流層的三維速度[7螄9]。日出和日落時分是一天中DSL移棲最劇烈的時間段,所以此時DSL會有較大的沉、升速度,即其所在的流層會有較大的垂向速度。利用ACCP進行DSL垂向速度的測量,可以定量觀測DSL的運動規(guī)律。ACCP直接測得的流層垂向速度是相對于基陣的速度,扣除基陣速度即是絕對速度。ACCP能夠通過底跟蹤方式測量試驗船的垂向速度,但是由于底回波數(shù)據(jù)采集和流回波數(shù)據(jù)采集具有時間差,因此底跟蹤方式獲得的試驗船垂向速度無法作為測量流場速度時的試驗船垂向速度。另外,ACCP采集流回波數(shù)據(jù)所需時間較長。以1000m有效水深為例,流回波總傳播時間約為1.3s,嚴格地說,各流層數(shù)據(jù)對應(yīng)時刻的試驗船的垂向速度是不同的。這里,提出一種近似方法來獲取試驗船速度,方法依據(jù)為:從統(tǒng)計意義上講,海洋中整個水體是沒有垂向速度的,如果試驗船在采集流回波的時間內(nèi)垂向速度變化不大,那么ACCP測得的各流層垂向速度的均值相當(dāng)于試驗船的垂向速度。ACCP測得的各流層垂向速度在扣除試驗船的垂向速度后,即可獲得絕對速度。限于上述要求,建議在試驗船處于漂泊或低速航行狀態(tài)下進行DSL垂向速度觀測,因為此時試驗船比較平穩(wěn),垂向速度變化較小。圖3是ACCP直接測得的1000m水深范圍內(nèi)的流層垂向速度剖面圖,是相對速度;圖4是利用上述方法扣除試驗船垂向速度后得到的流層垂向速度剖面,是絕對速度。3海洋試驗的結(jié)果3.1海上試驗的結(jié)果23kHzACCP工程樣機于2001年研制完成,基陣由1個發(fā)射陣和8個接收陣元組成,可以測量1000m水深范圍內(nèi)的三維流速剖面。分別于2002年、2004年、2005年和2007年在中國南海進行了4次長時間海上試驗。2002年南海試驗中首次利用這臺樣機觀測到了DSL晝夜移棲的現(xiàn)象。在之后的3次海試中,ACCP樣機對DSL進行了更為深入的觀測。3.2dsl的垂直分布在海試中,觀測到了DSL顯著的晝夜移棲。圖5~12是23kHzACCP工程樣機于2005年10月在中國南海北部海域(20.9°N,119.6°E)附近觀測到的DSL分布與變化情況,該海域水深3000m。其中圖5、圖7、圖9和圖11分別為夜晚、黎明、白天和傍晚時各流層散射強度觀測結(jié)果,圖6、圖8、圖10和圖12分別為對應(yīng)時刻各流層垂向速度測量結(jié)果。觀測水深0~1000m,各時刻觀測時間約為2.5h。從圖5、7、9、11中可以看到,一天中不同時刻DSL位于不同深度的流層上,在深度上存在垂向遷徙。夜晚時,DSL分布在0~200m水深處;黎明時,DSL開始下沉,逐漸分布到300m~800m水深范圍內(nèi);白天時,DSL穩(wěn)定在0~100m水深處及300m~800m水深處;傍晚時,DSL開始上浮,又重新聚集到0~200m水深處。從圖6、8、10、12中可以看到,夜晚和白天時,各流層垂向速度均較小,一般不超過5cm/s。而黎明和傍晚時,DSL所在流層具有較大的垂向沉、升速度,一般為10cm/s,最大能夠達到15cm/s。圖7、8和圖10、12中的箭頭分別指示了黎明和傍晚時,DSL隨時間運動的方向。DSL觀測結(jié)果同時表明,DSL具有分層現(xiàn)象。這種分層現(xiàn)象表現(xiàn)出了較為明顯的生物特性,即:不同的DSL層具有不同的沉、升速度以及對光照變化的反應(yīng)速度。DSL中聚集的不同生物種群是引起DSL分層現(xiàn)象的主要原因。另外,試驗過程中有CTD在工作,ACCP觀測到了CTD的下放和回收。圖7~12中用圓圈指示出了CTD收放過程中,ACCP測得的散射強度和垂向速度。試驗中CTD收放速度約為50cm/s~80cm/s。4dsl垂向運動速度和物種多樣性利用回波強度觀測法和垂向速度觀測法,ACCP能夠?qū)SL進行觀測。ACCP不僅可以有效直觀地觀測到DSL分布及晝夜移棲等變化規(guī)律,而且能夠定量測量DSL垂