多波束追蹤海洋內(nèi)波

黃 磊

（中國海洋大學(xué)船舶中心 青島 266003）

多波束追蹤海洋內(nèi)波

黃 磊

（中國海洋大學(xué)船舶中心 青島 266003）

本研究探討以多波束系統(tǒng)追蹤海洋內(nèi)波的實施方法，通過多波束系統(tǒng)以預(yù)定水聲節(jié)點觀測的海底地貌變化，追蹤海洋內(nèi)波引起的等溫面和等密度面的相應(yīng)變化，達(dá)成海洋內(nèi)波的實時觀測。

內(nèi)波；多波束；聲速

1 多波束系統(tǒng)追蹤內(nèi)波觀測

海洋內(nèi)波是一種發(fā)生在海水密度層結(jié)的海洋中的波動［1］，它以地轉(zhuǎn)柯氏慣性力和約化重力為恢復(fù)力，全稱是慣性重力內(nèi)波。一旦海洋內(nèi)波被激發(fā)，可以同時向深水區(qū)和淺水區(qū)傳播相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。其所跨尺度量階分布范圍寬，但運動時間和空間尺度很小，引起的物理量變化幅度小，與大中尺度運動相比，海洋內(nèi)波仍屬于海洋小尺度運動范疇［2］。由于其高度的隨機性，觀測時多采用潛標(biāo)或ADCP獲取海水物理量空間分布和時間序列資料。潛標(biāo)觀測可獲得較詳細(xì)的垂向特性，但受制于時間空間轉(zhuǎn)換，且布放回收過程耗費人力物力巨大；ADCP觀測適用于上層海洋流速矢量剖面，受制于所跨尺度量階，且其垂向剖面觀測精度有限［3］。多波束系統(tǒng)兼具以上觀測方法之優(yōu)勢，適用于高密度、高精度測量，可以預(yù)定聲速節(jié)點進(jìn)行內(nèi)波觀測。當(dāng)內(nèi)波經(jīng)過時，聲速水平梯度在內(nèi)波傳輸方向上發(fā)生極大變化，聲速節(jié)點的短時急速變化引起海底地形呈現(xiàn)相應(yīng)走勢，由于聲速節(jié)點短時急速變化并未體現(xiàn)在多波束系統(tǒng)聲速節(jié)點選取的數(shù)據(jù)中，引起海底地形呈現(xiàn)相應(yīng)走勢，實時體現(xiàn)在多波束系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)上。

南海水深、風(fēng)大、浪高，陸坡陸架寬闊，地形復(fù)雜，密度垂向?qū)踊卣黠@著，這些都為海洋內(nèi)波的產(chǎn)生提供了天然海洋環(huán)境條件［4］。在2011年春季973南海航段調(diào)查過程中，“東方紅2”船遭遇內(nèi)孤立波。其水平流速超過2 m／s，傳輸方向為278．7°，自東向西推進(jìn)。船載ADCP自動記錄內(nèi)孤立波影響水深已達(dá)到200 m。同時記錄的多波束系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，平緩的海底突顯極大起伏，并有極強導(dǎo)向性，且由于波動震蕩有少量散射數(shù)據(jù)逸失。默認(rèn)聲速為1 500 m／s，吃水校正5．5 m。加入水聲校正及導(dǎo)航、姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)，分析處理后原本平緩的海底顯現(xiàn)東高西低走勢。該處地形平坦，海水分層穩(wěn)定，符合海洋內(nèi)波產(chǎn)生的必要條件。通過內(nèi)孤立波經(jīng)過時的海底地形變化，反向推演聲速節(jié)點變化，可通過簡單微積分定性給出內(nèi)孤立波影響水深范圍和海底測量值與真值之間的粗略誤差［5］。

2 多波束系統(tǒng)操作

利用多波束系統(tǒng)追蹤內(nèi)波具有高密度、高精度等特點，且實施過程簡單，不受制于時空轉(zhuǎn)換及內(nèi)波所跨尺度量階。具體操作如下。

2.1 陸地準(zhǔn)備階段

調(diào)查船體中軸線安裝多波束測深系統(tǒng)發(fā)射和接收單元。多波束系統(tǒng)大多采用收、發(fā)合置換能器陣。為保持系統(tǒng)運動與船體運動幅度一致，換能器陣應(yīng)置于船體相對穩(wěn)定、搖擺幅度相對較小的位置，以平行于龍骨且近重心點處為最佳。姿態(tài)傳感器對船姿的補償和電羅經(jīng)對航向的實時監(jiān)測是保證多波束測量精度和波束準(zhǔn)確歸位必不可少的影響因素。它們的安裝應(yīng)以最準(zhǔn)確反映換能器 （船體）運動和航向為佳。一般盡量接近換能器陣的安裝位置，保持與換能器陣的同步測量。在確定聲學(xué)系統(tǒng)和姿態(tài)傳感器的安裝位置之后，應(yīng)對其他組件的安裝進(jìn)行系統(tǒng)的研究，具體包含以下幾個方面：① 定位系統(tǒng)接收信號的強度；② 信號傳輸過程中的增益補償和門閥控制；③ 供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性；④ 其他聲學(xué)系統(tǒng)的干擾和影響因素。

2.2 海上預(yù)實驗階段

確定船體吃水變化和觀測海區(qū)潮汐變化趨勢。在觀測海區(qū)進(jìn)行高密度水聲觀測，并進(jìn)行多波束系統(tǒng)參數(shù)校正。多波束系統(tǒng)參數(shù)校正包括：電羅經(jīng)校正、橫搖校正、縱搖校正、導(dǎo)航延遲校正，旨在通過系統(tǒng)得參數(shù)設(shè)定，達(dá)到消除內(nèi)部誤差的目的。

（1）電羅經(jīng)校正。電羅經(jīng)偏差會導(dǎo)致測點位置以中央波束為原點的旋轉(zhuǎn)位移。校正需要選擇一個線性目標(biāo)進(jìn)行往返測量。由于測線往返航線相反，從而造成線性目標(biāo)在兩測線數(shù)據(jù)疊加后成為交叉的兩條線而不是單獨的一條線。電羅經(jīng)偏差即為這兩條線夾角的1／2。

（2）橫搖校正。橫搖偏差是由換能器橫向安裝角度和理論設(shè)計角存在偏差造成的，它會使海底地形嚴(yán)重變形。校正方法是選取絕對平坦的海底進(jìn)行一條測線的數(shù)據(jù)采集，分別對左右舷換能器同發(fā)射方向波束的測深數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，可以獲得一條由各種發(fā)射方向波束的平均深度值組成的連續(xù)的測量海底。通過校正，使該連續(xù)的測量海底的坡度縮小為0。幾何上可以證明波束平均深度構(gòu)成的海底地形的平均坡度正好等于換能器安裝偏差角度。由于校正過程中不能保證測區(qū)海底地形絕對平坦，在應(yīng)用上述方法時必須考慮海底固有坡度和橫搖偏差引起的 “海底坡度”的分離。具體方法是進(jìn)行往返測線的數(shù)據(jù)采集，換能器同舷波束兩個方向的計算坡度差值的1／2為海底固有坡度，而兩坡度的均值為換能器安裝偏差引起的海底變形。

（3）縱搖校正?？v搖偏差會引起測點位置沿航跡方向前后位移。校正過程中應(yīng)以不變船速 （盡可能低）相同測線來回穿越選定的孤立目標(biāo) （沉船、礁石），測量完成后疊加兩個方向的所有測線標(biāo)示出兩個方向測線測出的目標(biāo)。若存在縱搖偏差，則孤立目標(biāo)在疊加圖上將出現(xiàn)兩個分離的目標(biāo)。計算公式：P＝arctan（l／ 2d）。其中：P為縱搖偏差；l為兩個分離的目標(biāo)間距；d為目標(biāo)水深。

（4）導(dǎo)航延遲校正。導(dǎo)航延遲與船速有關(guān)，導(dǎo)致測點位置沿航跡方向前后位移。校正過程中應(yīng)以不變船速 （盡可能高）相同測線來回穿越選定的孤立目標(biāo) （沉船、礁石），測量完成后疊加兩個方向的所有測線標(biāo)示出兩個方向測線測出的目標(biāo)。若存在導(dǎo)航延遲，則孤立目標(biāo)在疊加圖上將出現(xiàn)兩個分離的目標(biāo)。計算公式：NLatency＝l／2v。其中：NLatency為導(dǎo)航延遲；l為兩個分離的目標(biāo)間距；v為船速。

多波束追蹤海洋內(nèi)波實施之前，應(yīng)根據(jù)測區(qū)地形地貌特征和水團(tuán)構(gòu)成及分布設(shè)計航速和測線，根據(jù)波束覆蓋寬度確定測線密度，對觀測海區(qū)進(jìn)行海底地貌全覆蓋觀測。以此確定背景密度及背景流場剪切的水平變化。選擇有代表性的海底地形起伏變化的海區(qū)，測定多波束系統(tǒng)在不同深度不同航速下的工作狀態(tài)，并進(jìn)行多波束系統(tǒng)參數(shù)校正。此外，試驗過程中還要檢測差分GPS的穩(wěn)定性和可靠性，完成聲速剖面儀的質(zhì)檢工作［6］。

2.3 內(nèi)波觀測階段

依據(jù)歷史記錄，于內(nèi)波多發(fā)時間段對海區(qū)進(jìn)行全覆蓋掃描，發(fā)現(xiàn)內(nèi)波時以切向設(shè)置航線方向，最小發(fā)射開角設(shè)置航線密度，最低航速來回穿插，測量完整的內(nèi)波斷面，以滿足分析內(nèi)波高頻特性及它與細(xì)節(jié)構(gòu)、湍流的相關(guān)特性。多波束追蹤海洋內(nèi)波受制于以下幾個因素：航速、發(fā)射頻率、波束寬度、工作模式。在指定深度和發(fā)射頻率的條件下，由于波束寬度和工作模式是預(yù)定的，航速就成了測深密度的唯一影響因素了。多波束追蹤海洋內(nèi)波過程中，航速須控制在最低且保持艏向穩(wěn)定。

2.4 數(shù)據(jù)分析

由多波束系統(tǒng)橫切向觀測的海底地貌可以直觀體現(xiàn)等密度面起伏的垂向位移時間序列；由多波束系統(tǒng)縱切向觀測的海底地貌修正聲速梯度垂向剖面，進(jìn)而由密度垂向梯度和流速垂向梯度計算出理查森數(shù)［7］；用統(tǒng)計分析和時間序列分析方法，獲取內(nèi)波時間尺度，進(jìn)一步分析其動力學(xué)機制。

多波束追蹤海洋內(nèi)波的優(yōu)勢在于它對水聲結(jié)構(gòu)的強依賴性，由水聲結(jié)構(gòu)的變化引起的假象地形來源于多波束條幅殘余折射影響，一直以來這種特性都作為多波束系統(tǒng)誤差的重要來源。逆向推演該假象地形的來源，即可得到水聲節(jié)點的短時急速變化，與背景水聲節(jié)點相比較獲取內(nèi)波時間尺度，從而達(dá)到追蹤海洋內(nèi)波的目的。

本研究涉及的海區(qū)聲速剖面在較長時間內(nèi)相對穩(wěn)定，故率定參數(shù)、掃測寬度、航速、采集參數(shù)設(shè)置等較為簡單。若測量海區(qū)溫差較大、海流復(fù)雜、季節(jié)影響突出導(dǎo)致聲速隨時間變化較大，背景密度及背景流場的全覆蓋掃測應(yīng)在工作實踐中進(jìn)一步探討，在數(shù)據(jù)分析過程中有必要進(jìn)行技術(shù)處理。

［1］ 侍茂崇，高郭平．海洋調(diào)查方法［M］．青島：海洋大學(xué)出版社，2000．

［2］ 馮士筰，李鳳岐，李少菁．海洋科學(xué)導(dǎo)論［M］．第二版．北京：高等教育出版社，2000．

［3］ 徐肇廷．海洋內(nèi)波動力學(xué)［M］．北京：科學(xué)出版社，1999．

［4］ 方欣華，杜濤．海洋內(nèi)波基礎(chǔ)和中國海內(nèi)波［M］．青島：中國海洋大學(xué)出版社，2005．

［5］ 杜濤，吳巍，方欣華．海洋內(nèi)波的產(chǎn)生與分布［J］．海洋科學(xué)，2001，25（4）：25－28．

［6］ 袁叔堯，鄧九仔．南海北部內(nèi)孤立波數(shù)學(xué)模型［J］．熱帶海洋，1999，18（3）：16－23．

［7］ 蔡樹群，甘子鈞．南海北部孤立子內(nèi)波的研究進(jìn)展［J］．地球科學(xué)進(jìn)展，2001，16（2）：215－219．