第十章-海洋中的聲光傳播.ppt

1、第十章 海洋中的聲、光傳播,1 海洋聲學,1.1 水聲學與海洋聲學的發(fā)展 水中的各種能量輻射形式中，以聲波的傳播性能為最好，在含有鹽、氣泡和浮游生物的海水中，光波和電磁波的衰減都非常大。它們的傳播距離較短，遠不能滿足人類在海洋活動中的需要。因此，在水下目標探測、通訊、導航等方面均以聲波做為水下唯一有效的輻射能。 發(fā)現(xiàn)過程： 第一次大戰(zhàn)期間，由于德國的潛艇活動，約4000多艘同盟國艦船被擊沉，這個數(shù)目相當于同盟國擁有艦船的三分之一，從而迫使同盟國集中很大力量去研究同潛艇做斗爭的手段。 1914年郎之萬、康斯坦丁首先做成了電容(靜電式)發(fā)射器和碳粒微音接收器。 1918年利用這樣的發(fā)射和接收器，接

2、收到來自海底的回波和于200m深處一塊甲板的回波。 同時，郎之萬等人用石英晶體做成壓電式發(fā)射器和接收器，并采用了剛研制成的真空管放大器，制成第一臺回聲定位儀，以后簡稱聲吶(sonar)。“聲吶”名稱的由來，是仿照雷達一詞對“聲導航和回聲定位”的英文“sound navigation and ranging”的縮寫。,用途：除軍事的用途之外，也廣泛應用于聲導航系統(tǒng)、探魚、測深和海底地形測繪、海底底質剖面結構等方面。目前水聲技術已是開發(fā)海洋和研究海洋廣泛采用和行之有效的手段，如水下通訊、聲遙測遙控、數(shù)據圖像傳輸，以及用聲波遙測海洋渦旋的運動和變化與全球海洋溫度的監(jiān)測等方面。 聲波在海洋中的傳播規(guī)律

3、與海洋環(huán)境的定量關系：取決于海洋的邊界條件、海水的溫、鹽分布、海水中含有成分(如MgSO4)對聲波的吸收等；而且還受到海洋動力因素和海洋時空變化的制約。,1.2海洋聲學研究內容,正問題： 因海洋中的聲速鉛直分布不均勻而形成的深海聲道傳播特性，以及聲的波導傳播與非波導傳播； 海水因含MgSO4等化學成分引起的超吸收； 對遠距離傳播有極大影響的海底沉積層的聲學特性； 沉積層的分層結構和海底的不平整地形等的反射損失和散射； 內波引起聲傳播振幅和相位的起伏； 海洋水層中浮游生物群和游泳動物的聲散射； 大洋深處的湍流、渦旋對聲波傳播的影響以及海洋動力噪聲、水下噪聲和海洋生物發(fā)聲等； 逆問題： 反過來又可

4、應用上述的聲傳播信號特征尋求海洋內部的運動規(guī)律和邊界狀態(tài)，如聲學方法監(jiān)測大洋溫度等，則為海洋聲學的逆問題。逆問題在開發(fā)海洋和研究海洋方面具有可觀的潛力。,1.3 海水中聲能的損失,海水、海面和海底構成一個復雜的聲傳播空間，聲波通過這個空間時，聲信號將減弱、延遲和失真，并損失部分聲能。 引起聲能損失的原因有：聲能在空間擴展；海水介質的吸收；海中氣泡、浮游生物和海水團塊的散射；波動海面的反射與散射；以及海底沉積層的反射和吸收等。,1.3.1海水的聲吸收 海水聲吸收是將聲能變?yōu)椴豢赡娴暮Ｋ肿觾饶?，聲在流體介質中的傳播過程近似地認為是絕熱過程。 根據彈性理論，縱向應力由切變和壓縮應力組成，聲波對介質

5、狀態(tài)的擾動直接由壓力變化引起；或者是由于體積變化時相伴生的溫度升、降所致。流體介質存在粘滯性與導熱性，介質因壓縮變形而引起聲能耗散稱為機械能耗散。動態(tài)壓縮時，分子間的非彈性碰撞使部分聲能轉變?yōu)闊崮埽ǔ７Q這部分聲吸收為由分子過程引起的聲吸收。,1.3.2海面波浪的聲散射 如果海面平靜如鏡，可以看作理想的聲反射面。聲波在其上反射后，只有相位變化沒有能量損失。 波動的海面有大量的氣泡和浮游生物，既是聲的反射界面又是聲的散射體。 海面波浪可看作兩部分疊加，即周期波(或準周期波)和隨機波的疊加。 用周期、波長和波高等量描述波浪的特性，同時也用隨機過程的能量譜的概率密度分布、方差、相關函數(shù)等描述波浪特征

6、。 聲波入射到具有波浪的海面即相當于入射到周期變化的不平整表面，因不平整性、氣泡和浮游生物的散射，一部分聲能彌散到其它方向而損失，只有那些遵從折射定律的聲波到達接收點。 所損失的聲能與海況和浮游生物有關。,1.4 海水中聲學特性,1.4.1海底聲學特性 海底是海洋的另一個聲反射和散射界面，它雖然是靜止不動的，但海底表面粗糙不平，其組成成分因地而異，可從軟泥、沙質到堅硬的巖石。 海底沉積層各層的密度不同，因而各層的聲速值也不同； 相同的組成成分又因孔隙率的不同其聲速值也不同。 聲波經過海底不僅有縱波也產生橫波。 因此海底的聲反射系數(shù)和海底底質的聲吸收是表征海底聲學特征的重要物理量。海底的反射系數(shù)

7、與海底的密度和其中的聲速度有關，由于海底沉積物及分層結構的復雜性，實際測量中僅能測其綜合效果即海底反射損失，以分貝(dB)表示。 從現(xiàn)有資料可知，多數(shù)學者認為海底的吸收系數(shù)與頻率的關系接近線性關系。 表面波浪和大量氣泡引起的散射使聲能損失了一部分。,深海水下聲道 聲的超遠距離傳播稱為聲道現(xiàn)象。世界各大洋區(qū)都有水下聲道。用射線的概念，很容易解釋水下聲道現(xiàn)象。大洋中各層海水的溫度、鹽度、靜壓力不同，各層的聲速也相應不同。 在溫帶和熱帶的大洋深水區(qū)，由于水溫隨深度增加而下降，在某個深度上壓力對聲速有顯著影響，使c(z)曲線有極小值。若將聲源置于聲速極小值所在處，從聲源向各方向輻射的聲線束將按圖10-

8、10（圖略）中的路徑向聲速極小值所在的水層彎曲。此時聲速極小值上下的水層有類似透鏡聚焦的作用，將聲能的大部分限制在此水層間。聲速極小值所在的深度為聲道軸。 根據折射定律，從聲源向各方向輻射的聲線經過一段距離后，重新會聚在聲道軸上下的水層中，所輻射的大部分聲能被限制在聲道軸上下具有一定厚度的水層中傳播，能量損失最小，聲能大部分集中的水層稱為聲道。 在極地海域，聲道軸上升到冰層以下的水面附近。有些近岸的大陸架海區(qū)，聲道軸約在水下60100m附近，這種情況稱為表面聲道。 有的海區(qū)有兩個聲道：一個是表面聲道，另一個是水下聲道。表面聲道常常是不穩(wěn)定的，聲波在表面聲道中不如在水下聲道中傳播得遠。這是因為,

9、1.4.2淺海表面聲道 中國沿海廣闊海域大部屬于淺海大陸架海域，深度大多在200m以內。聲吶在冬季的作用距離比夏季遠得多。這是因為冬季的傳播條件為波導型，而夏季為反波導型傳播。中國大陸架淺海區(qū)冬季水溫鉛直分布基本上是均勻的，而由于靜壓力作用，下層聲速略大于上層，形成弱的表面聲道。 如果發(fā)射器有方向性，聲波在其間傳播，除海面波浪和氣泡的散射外，能量損失較小，因此傳播距離相對增加。其它季節(jié)里，多數(shù)海區(qū)出現(xiàn)溫度躍層。在中國近海黃海海區(qū)夏季可形成強的溫躍層，其它如渤海、東海也有弱的溫躍層。春季出現(xiàn)的溫躍層較弱，躍層的深度也較淺，秋季躍層逐漸變弱，至冬季上層變?yōu)榛旌蠈踊蛉醯呢撎荻?，此種傳播條件形成了淺海

10、表面聲道。,1.4.3海洋中聲的波導傳播和反波導傳播 在圖10-7a（圖略）中聲線沒有經過海底而彎向海面反射回來，在此情況下不存在海底吸收和散射，所以冬季聲能的傳播距離較夏季遠得多。這種聲線傳播路徑稱為海洋中聲的波導傳播。 于炎熱夏季的淺海中聲速隨深度的分布多為負梯度，從聲源輻射的聲線束彎向海底(10-7b)。由于海底對聲波的吸收和散射，經海底反射回來的聲能減弱；特別是在圖中斜線表示聲的影區(qū)內，沒有直達聲，只有散射聲。所以聲的傳播距離受到極大的限制，這就是在10.1.1中所說的“午后效應”。這種聲的傳播路徑稱為反波導型傳播。 海水的溫度不僅隨深度變化，也隨晝夜變化，因此傳播條件是不穩(wěn)定的。表層

11、溫度比底層愈高，則聲線愈向海底彎曲，傳播的條件也愈差。夏季熱而無風的天氣，表層溫度很高，故聲的傳播條件最差。,1.5 海洋的環(huán)境噪聲,看作干擾或視為信號，這取決于觀察者的意圖。 通常稱海洋本身的噪聲為環(huán)境噪聲，包括海浪飛濺形成的噪聲、風與海浪表面相互作用產生的噪聲、擊岸浪發(fā)出的聲音、雨滴聲、海洋湍流、生物噪聲、海水分子熱運動所輻射的噪聲、遠處航船噪聲和沿岸工業(yè)噪聲(指已形成平穩(wěn)隨機過程的隨機噪聲)、地震擾動形成的低頻聲波、冰層破裂產生的噪聲、火山爆發(fā)以及遠處風暴引起的噪聲等等。 頻率從人耳聽不到的超低頻直到超聲頻段。在低頻范圍，海洋環(huán)境噪聲聽起來像低沉的隆隆聲；在高頻段則像煎炸爆裂的咝咝聲。

12、上述的噪聲源中有一些被稱做間歇噪聲源，如能發(fā)聲的海洋生物。甲殼類的蝦群，人們用水聽器在海中測聽到許多間歇性的嗚聲、哼聲、音節(jié)聲、呻吟聲、吼聲等，大半都是由海洋生物發(fā)出的。 時、空分布：是無規(guī)則的、運動的。,2 海洋的光學性質,主要研究海洋水體的光學性質、光在海中的傳播規(guī)律、激光與海水的相互作用以及光學波段探測海洋的方法與技術。 核心問題：海洋輻射傳遞的研究或光在海洋中傳播規(guī)律的研究成為海洋光學基礎研究。 海洋光學調查的主要目的就是調查海洋的光學性質或光在海中的傳播規(guī)律，同時由海洋光學參數(shù)的測量獲取各類海洋學參數(shù)，以便進行海洋光學的各種研究。,研究過程： 19世紀初，人們在進行海洋調查時，用一個

13、直徑30cm的白色圓盤(透明度盤)垂直沉入海水中，直到剛剛看不見為止時的深度，這一深度叫海水的透明度。將透明度盤提升至透明度一半深度處，俯視透明度盤之上水柱的顏色，稱為海水的水色。 19世紀末，海洋學工作者把海水光學性質的研究和海洋初級生產力結合起來，并測量了海洋的輻照度。 20世紀30年代到60年代是海洋光學的形成階段。研制了水中輻照計、水中散射儀、海水透射率計、水中輻亮度計等海洋光學儀器，系統(tǒng)地測量了海水的衰減、散射和光輻射場的分布，積累了基本的海洋光學參數(shù)數(shù)據；對光在海洋中的傳播規(guī)律，尤其是海洋輻射傳遞理論也進行了基本的研究。 60年代中期到80年代是海洋光學的發(fā)展階段。近代光學、激光和

14、光學遙感技術的發(fā)展大大開拓了海洋光學的研究領域，多光譜衛(wèi)星遙感技術已成為探測海洋的重要手段。,2.1海洋光學中的一些輻射量,海洋光學中有兩個基本的輻射度量，用于描述海中光場的分布。 是輻亮度L，它是指沿特定方向垂直于單位截面積并沿此方向單位立體角的輻射量大小； 輻照度E，它表示單位面積接收到的輻射量,2.2海-氣交界面的光學性質,入射到海水表面的光，一部分被反射回空氣中，一部分折射到海中。光在海面的反射和折射遵從光的反射定律和折射定律。 海面受到風作用時產生隨機起伏，這種風生的海面斜率的隨機分布屬于高斯分布，故海面的均方斜率和風速成正比。在太陽高度較小或觀察角較大的情況下，當風速增加時，海面均

15、方斜率的增加使海面平均入射角減小，導致海面平均反射系數(shù)減小。在太陽高度較大或觀察角較小的情況下，當風速增加時，海面均方斜率雖然增加，但平均入射角變化不大，因此海面平均反射系數(shù)幾乎不隨風速而變。,2.3光在海水中的衰減,光進入海中，受到海水的作用將衰減。即使最純凈的水，這種衰減也是很嚴重的。引起衰減的物理過程有兩個：吸收和散射。 （1）海水中光的吸收：光能量在水中損失的過程就是吸收。吸收也存在不同的物理過程：有些光子是在它的能量變?yōu)闊崮軙r損失了，有些光子被吸收后由一種波長變?yōu)榱肆硪环N波長的光。 （2）海水中光的散射：散射時，光子沒有消失，只是光子的前進方向發(fā)生了變化。 也導致水中準直光束能量的衰

16、減 海水中引起光散射的因素很多，主要有水分子和各種粒子，包括懸移質粒子、浮游植物及可溶有機物粒子等。 散射的機制主要有兩種：瑞利散射和米氏散射。水分子散射遵從瑞利散射規(guī)律；粒子的散射遵從米氏散射規(guī)律。清潔大洋水主要是水分子散射，沿岸混濁水主要是大粒子散射。,2.4 海洋光學儀器,測量海洋光學性質的儀器可分為兩類： 測量海水固有光學性質的儀器。因為固有光學性質不受環(huán)境條件的影響，可采樣在實驗室中測量，也可在現(xiàn)場測量，故這類儀器又分為實驗室儀器和現(xiàn)場測量儀器兩種。 測量海洋表觀光學性質的儀器。因為表觀性質都與環(huán)境有密切的關系，故必須在現(xiàn)場觀測。 1）測定海水固有光學性質的儀器：測定體積衰減系數(shù)的c

17、儀(或準直光透射率儀)、測定體積散射函數(shù)的儀、測定總散射系數(shù)的b儀，其中儀和b儀都稱為水中光散射儀。 2）測定表觀光學性質的儀器：輻照度儀和輻亮度儀。,2.5 水中光的輻射傳遞理論,海洋輻射傳遞是研究光輻射通過海洋水體受到多次散射和光譜吸收所導致的海洋中輻射場的變化。海洋輻射傳遞理論是海洋光學的基本理論，它是水中能見度、激光水中傳輸、海面向上光譜輻射等應用研究的理論基礎。 （1）水中能見度 即水中視程，它比大氣能見度低得多，一般水平方向水中能見視程為大氣能見視程的千分之一。這主要因為光在海水中的衰減比大氣快得多。 描述水下圖像的質量主要利用兩個參量： 對比度是描述水中目標與背景之間輻射差別的參量 光學傳遞函數(shù)用于定義圖像分辨率的變化。,（2）水下目標的對比度 輻亮度為L的物體，相對于一個輻亮度為Lb的均勻輻射背景，其對比度為：C=(LLb)/Lb。 在水中，由于水對物體輻射的吸收和多次散射，導致物體的對比度降低。自身不發(fā)光理想黑物