CN107607438A - 一种大范围海域的海水密度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种大范围海域的海水密度测量方法，包括以下步骤：根据基点的地理位置信息G1、水上声源发生器发送声音信号时的地理位置信息G2，计算得到两点间的距离；根据水下无源传感器检测到声音信号的时间T1、水上声源发生器发送声音信号时的时间T2，计算得到声音传播所需要的时间，通过距离/时间得到声音传播速度；根据声音在海水中传播的速度和海水密度之间的关联关系，计算得到该水域的海水密度。该方法一改过去单点测量的思路，从原来的单点监测，变成对于大片水域的整体直接监测，大大提高了测量准确性和可靠性，满足了实际应用需求。
Description
技术领域
本发明属于海洋勘探领域，特别涉及一种大范围海域的海水密度测量方法。
背景技术
深海大洋中存在海水跃层的现象，也称跃变层，是指海水中某些水文要素在垂直方向上出现突变或不连续剧变的水层，表明上下层海水性质不同。海水跃层主要有4种，即温度跃层、盐度跃层、密度跃层和声速跃层。
海水断崖、潜艇掉深是潜艇面临的第一大危害。有报道称：我国372号潜艇前不久遇到了一次在几分钟内下落数百米的“掉深”。利用流体力学知识粗略估计，造成这种强度的“掉深”如果是由于海水的盐度、温度变化所致，则此水团的水温需要比周围的海水高10℃以上，或者盐度低3‰以上。
然而，由于海水的流动性，测量海水断崖在技术上比较困难。传统测量方法是在海底或水面上某个固定位置安装设备测量该点的温度、盐度等，然后依据这些离散的点的测量结果评估整体水域的情况；可以想象，依据水底或水面的测量数据，难以评估潜艇活动区域(水深500米至150之间的)海水的实际情况。此外，也有探索采用收集的噪声信号进行声谱分析，产生实时噪声谱图，并与环境噪声谱图进行比对；判断实时噪声谱图与环境噪声谱图是否产生波动，当波动产生，且波动朝向低频运动时，则发出警示信息。该方法需要标定不同区域的环境噪音，对于大范围海域不适用，检测不够准确；同时，该方法默认环境噪音本身是一成不变的，实际上，环境噪音在海洋的复杂环境中受到很多因素影响，变化非常大；其三，该方法需要标定不同深度的噪音，由于潜艇需要在标定的深度行进，大大降低了隐秘性；其四，该方法不能够测量多层密度水域的层数和各层的密度和高度。
此外，海洋勘探过程中，需要对一定范围海洋内的不同密度海水的密度和深度等情况精确测定，现有方法检测结果不够准确。
水下定位与导航在很多领域都得到了广泛应用。然而，水面的地理位置可以通过GPS定位轻易获取，但由于受到条件限制，水下位置的标定不能采用GPS无线电信号定位。
地面设备接受GPS无线电信号，包含了GPS信号发送卫星的地理位置信息和时间信息(多个卫星的时间是定期受控同步的)，地面设备通过接受多个卫星的信息，迭代解算出自己的位置。为了实现这个目的，有两个条件：1、信号中包含了信息发送地点的位置信息和时间信息；2、接受设备具备较快的计算能力。
然而，水下的设备和水面设备相比，通信速率会低很多，通信载体的频率也低很多很多，在这么低频(波长较长)的通信载体中，精确同步时间信息很困难；而且为水下设备保障电源也比较难，尤其是水下有源设备的长期无故障工作也较难保障。
发明内容
技术问题：为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种大范围海域的海水密度测量方法。
技术方案：本发明提供的一种大范围海域的海水密度测量方法，其特征在于：
利用水下无源基点的定位装置，该装置包括水下无源传感器，水上数据采集装置，水上声源发生器；所述水下无源传感器和水上数据采集装置通过光纤连接；所述水上声源发生器与水上数据采集装置连接；水上声源发生器上设有GPS定位装置；
该方法包括以下步骤：
(1)选定水下基点，精确标定该基点的地理位置信息G1，在该基点上安置水下无源传感器；
(2)水上声源发生器发出特定的声音信号，同时通过GPS定位装置获取发送声音信号时的时间T2和地理位置信息G2并发送至水上数据采集装置；
(3)水上数据采集装置采集水下无源传感器检测到声音信号的时间T1；
(4)根据基点的地理位置信息G1、水下无源传感器检测到声音信号的时间T1、水上声源发生器发送声音信号时的时间T2和地理位置信息G2，计算得到水下无源传感器和水上声源发生器之间的距离、声音传播时间和声音传播速度；
(5)根据声音在海水中传播的速度和海水密度之间的关联关系，计算得到该水域的海水密度。
步骤(1)中，所述基点的地理位置信息包括经度、纬度、高程。
步骤(1)中，精确标定该基点的地理位置信息的方法，利用水下无源基点的定位装置，包括以下步骤：
(1)水上声源发生器发出特定的声音信号，同时通过GPS定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置：当水上声源发生器为一个时，一个水上声源发生器在三个不同位置发出特定的声音信号，同时通过GPS定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置；当水上声源发生器为三个时，三个水上声源发生器分别独立地在不同位置发出特定的声音信号，同时通过GPS定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置；将三个位置接受到的三组时间和地理位置信息分别记为：T1'、G1'，T2'、G2'，T3'、G3'；
(2)水上数据采集装置采集水下无源传感器检测到声音信号的时间，将检测到三个不同信号的时间分别记为：T1”，T2”，T3”；
(3)利用水上数据采集装置采集到的三组时间差，计算得到水下无源传感器和水上声源发生器之间的距离，分别记为L1'，L2'，L3'；以G1'为球心、L1'为半径画球面，以G2'为球心、L2'为半径画球面，以G3'为球心、L3'为半径画球面，3个球面交叉的位置即为水下无源传感器所在的地理位置。
本发明还提供了一种大范围海域的多层海水密度测量方法，包括以下步骤：
(1)选定一个水下基点和2n-1个水上基点，其中n为海水层数；
(2)精确标定水下基点的地理位置信息，在水下基点上安置水下无源传感器；
(2)在每个水上基点上分别放置水上声源发生器，水上声源发生器分别发出特定的声音信号，同时通过GPS定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置；
(3)水上数据采集装置采集水下无源传感器检测到声音信号的时间；
(4)根据水下基点的地理位置信息、每个水上声源发生器发送声音信号时的地理位置信息，分别计算得到每个水上声源发生器和水下基点的距离；根据水下无源传感器检测到声音信号的时间、每个水上声源发生器发送声音信号时的时间，分别计算得到每个水上声源发生器和水下基点之间声音传播的时间；联立方程，计算得到不同层的声音传播速度以及层高；
(5)根据声音在每层海水中传播的速度和海水密度之间的关联关系，计算得到该水域每层海水密度。
有益效果：本发明提供方法通过测量出声音在该水域的传播速度，计算得到该水域的海水的温度、压力和盐度，进一步计算得到该水域的密度，该方法一改过去单点测量的思路，从原来的单点监测，变成对于大片水域的整体直接监测，大大提高了测量准确性和可靠性，满足了实际应用需求。
本领域公知，声音在海水中传播速度取决于海水的温度、压力和盐度而海水的密度也和温度、压力和盐度密切相关。本发明以海水的温度、压力和盐度这个要素为中间因子，在声音在海水中传播速度和海水的密度之间建立关联关系，因此，只要通过某种手段测量出声音在海水中传播速度，就可以知道声音传播路径这块水域的整体海水的密度；本发明实现了某块海域海水密度的实时、快速的整体直接测量，而不是通过若干个点的测量结果来评估某块海域海水密度整体状况。
本发明方法采用水下无源传感器(比如光纤声波传感器)和水面采集系统组合，将水下设备的计算能力移到水面采集系统中实现，水下传感器就不需要电源，从而实现生命周期内免维护。另外，水面信号源的地理位置信息也可以通过地面上的通信方式发送给水面采集系统，从而解决了地理位置信息在水中传递的问题。
本发明方法采用一个水下无源传感器和多个水面上声源装置就可以解算出该水域海水不同密度层的密度及每层的厚度，方法简单，结果准确。
附图说明
图1为水下无源基点的定位装置的结构示意图。
图2为大范围海域的多层海水密度测量方法示意图。
具体实施方式
下面对本发明作出进一步说明。
实施例1
水下无源基点的定位装置，见图1，包括水下无源传感器1(比如光纤声波传感器)，水上数据采集装置2，水上声源发生器3；水下无源传感器1和水上数据采集装置2通过光纤4连接；水上声源发生器3与水上数据采集装置2连接；水上声源发生器3上设有GPS定位装置。
实施例2
大范围海域的海水密度测量方法，利用实施例1的装置，该方法包括以下步骤：
(1)选定水下基点，精确标定该基点的地理位置信息G1(经度、纬度、高程)，在该基点上安置水下无源传感器1；
精确标定该基点的地理位置信息的方法，利用水下无源基点的定位装置，包括以下步骤：
(1.1)水上声源发生器3发出特定的声音信号，同时通过GPS定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置2：当水上声源发生器3为一个时，一个水上声源发生器3在三个不同位置发出特定的声音信号，同时通过GPS定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置2；当水上声源发生器3为三个时，三个水上声源发生器3分别独立地在不同位置发出特定的声音信号，同时通过GPS定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置2；将三个位置接受到的三组时间和地理位置信息分别记为：T1'、G1'，T2'、G2'，T3'、G3'；
(1.2)水上数据采集装置2采集水下无源传感器1检测到声音信号的时间，将检测到三个不同信号的时间分别记为：T1”，T2”，T3”；
(1.3)利用水上数据采集装置2采集到的三组时间差，计算得到水下无源传感器1和水上声源发生器3之间的距离，分别记为L1'，L2'，L3'；以G1'为球心、L1'为半径画球面，以G2'为球心、L2'为半径画球面，以G3'为球心、L3'为半径画球面，3个球面交叉的位置即为水下无源传感器1所在的地理位置
(2)水上声源发生器3发出特定的声音信号，同时通过GPS定位装置获取发送声音信号时的时间T2和地理位置信息G2并发送至水上数据采集装置2；具体地，
(2.1)水上声源发生器为固定位置时，该固定位置的地理信息事先经过严格、精准标定，水上声源发生器带GPS信号，但是无需动态定位自己的位置，只从GPS获取时间信息；每次发声后，及时发送声音信号时的时间T2和地理位置信息G2；
(2.2)水上声源发生器为机动位置时，水上声源发生器带GPS信号，但是无需动态定位自己的位置和时间信息；每次发声后，及时发送声音信号时的时间T2和地理位置信息G2；
(3)水上数据采集装置2采集水下无源传感器1检测到声音信号的时间T1；
(4)根据基点的地理位置信息G1、水下无源传感器1检测到声音信号的时间T1、水上声源发生器发送声音信号时的时间T2和地理位置信息G2，计算得到水下无源传感器和水上声源发生器之间的距离(G1-G2)、声音传播时间(T1-T2)和声音传播速度(G1-G2)/(T1-T2)；
(5)根据声音在海水中传播的速度和海水密度之间的关联关系，计算得到该水域的海水密度。
下面以一个实例具体说明一下本发明方法。
水下基点位置信息：N35°17′10"00,E123°29′50"00，高度-217米；
水面声源位置信息：N35°17′00"00,E123°32′00"00，高度0米；
两点间距离是3303.05米；
声源发出时间：2017-08-0109:01:01000ms；
水下基点检测到时间：2017-08-0109:01:03100ms；
V＝3303.05/2.1＝1572.88m/s。
实施例3
大范围海域的多层海水密度测量方法，利用实施例1的装置，该方法包括以下步骤：
(1)选定一个水下基点和2n-1个水上基点，其中n为海水层数；
(2)精确标定水下基点的地理位置信息，在水下基点上安置水下无源传感器1；
(2)在每个水上基点上分别放置水上声源发生器3，水上声源发生器3分别发出特定的声音信号，同时通过GPS定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置2；
(3)水上数据采集装置2采集水下无源传感器1检测到声音信号的时间；
(4)根据水下基点的地理位置信息、每个水上声源发生器发送声音信号时的地理位置信息，分别计算得到每个水上声源发生器和水下基点的距离；根据水下无源传感器1检测到声音信号的时间、每个水上声源发生器发送声音信号时的时间，分别计算得到每个水上声源发生器和水下基点之间声音传播的时间；联立方程，计算得到不同层的声音传播速度以及层高；
(5)根据声音在每层海水中传播的速度和海水密度之间的关联关系，计算得到该水域每层海水密度。
下面以将海水水域分成上下两层为例，见图2，具体说明一下本发明方法：
已知：
S1,S2,S3，基点B的地理位置信息，即知道S1到B的距离L1，S2到B的距离L2，S3到B的距离L3。
测量：得到S1到B的传输时间T1，S2到B的传输时间T2，S3到B的传输时间T3。
假设8个未知量:
上层海水声音传播速度是V1,下层是V2；
S1发出声音在上层传输时间为T11，在下层传输时间为T12；
S2发出声音在上层传输时间为T21，在下层传输时间为T22；
S3发出声音在上层传输时间为T31，在下层传输时间为T32；
联立方程组：
①T11+T12＝T1
②T21+T22＝T2
③T31+T32＝T2
④V1*T11+V2*T12＝L1
⑤V1*T21+V2*T22＝L2
⑥V1*T31+V2*T32＝L3
⑦(V1*T11)/(V2*T12)＝(V1*T21)/(V2*T22)
⑧(V1*T21)/(V2*T22)＝(V1*T31)/(V2*T32)
8个未知量，8个方程，可以直接解出结果V1，V2；利用T11,T12和L1，就可以计算得到上下水层的高度分别是多少。
再如，将海水水域分成上中下三层，假设在测量范围内，分层断面是水平的，只要水面上5个位置的水上声源装置和1个水下基点配合，就可以得到：3层的各层水声速度和每层的高度。若把海域海水分成上下n层，则需要2n-1个个位置的水上声源装置和1个水下基点配合，就可以计算出该水下基点与水面上声源装置之间海水分层的密度和厚度情况。以此类推，如果在海底间隔一定距离就布置一个水下基点，做好精确标定；水面上也间隔一定距离布置水上声源装置，这些声源装置可以在多个相邻基点之间复用，从而形成实时监测这片水域整个海水密度分层的详细情况的能力。
声音在不同物质中的传播速度：
传播速度取决于海水的温度、压力和盐度；
声速随着压强的增大而非线性增大；
海水温度每高1℃，声波传播速度约增加4.5米/秒；
盐度每增加1‰，音速加快1.30米/秒。
在深海中，温度的垂直变化趋于平缓，声速随着压强的增大而增大。
Claims (5)
1.一种大范围海域的海水密度测量方法，其特征在于：利用水下无源基点的定位装置，该方法包括以下步骤：
(1)选定水下基点，精确标定该基点的地理位置信息G1，在该基点上安置水下无源传感器(1)；
(2)水上声源发生器(3)发出特定的声音信号，同时通过GPS定位装置获取发送声音信号时的时间T2和地理位置信息G2并发送至水上数据采集装置(2)；
(3)水上数据采集装置(2)采集水下无源传感器(1)检测到声音信号的时间T1；
(4)根据基点的地理位置信息G1、水上声源发生器发送声音信号时的地理位置信息G2，计算得到两点间的距离；根据水下无源传感器(1)检测到声音信号的时间T1、水上声源发生器发送声音信号时的时间T2，计算得到声音传播所需要的时间，通过距离/时间得到声音传播速度；
(5)根据声音在海水中传播的速度和海水密度之间的关联关系，计算得到该水域的海水密度。
2.根据权利要求1所述的一种大范围海域的海水密度测量方法，其特征在于：所述水下无源基点的定位装置，包括水下无源传感器(1)，水上数据采集装置(2)，水上声源发生器(3)；所述水下无源传感器(1)和水上数据采集装置(2)通过光纤(4)连接；所述水上声源发生器(3)与水上数据采集装置(2)连接；水上声源发生器(3)上设有GPS定位装置。
3.根据权利要求1所述的一种大范围海域的海水密度测量方法，其特征在于：步骤(1)中，所述基点的地理位置信息包括经度、纬度、高程。
4.根据权利要求1所述的一种大范围海域的海水密度测量方法，其特征在于：步骤(1)中，精确标定该基点的地理位置信息的方法，利用水下无源基点的定位装置，包括以下步骤：
(1)水上声源发生器(3)发出特定的声音信号，同时通过GPS定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置(2)：当水上声源发生器(3)为一个时，一个水上声源发生器(3)在三个不同位置发出特定的声音信号，同时通过GPS定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置(2)；当水上声源发生器(3)为三个时，三个水上声源发生器(3)分别独立地在不同位置发出特定的声音信号，同时通过GPS定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置(2)；将三个位置接受到的三组时间和地理位置信息分别记为：T1'、G1'，T2'、G2'，T3'、G3'；
(2)水上数据采集装置(2)采集水下无源传感器(1)检测到声音信号的时间，将检测到三个不同信号的时间分别记为：T1”，T2”，T3”；
(3)利用水上数据采集装置(2)采集到的三组时间差，计算得到水下无源传感器(1)和水上声源发生器(3)之间的距离，分别记为L1'，L2'，L3'；以G1'为球心、L1'为半径画球面，以G2'为球心、L2'为半径画球面，以G3'为球心、L3'为半径画球面，3个球面交叉的位置即为水下无源传感器(1)所在的地理位置。
5.一种大范围海域的多层海水密度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)选定一个水下基点和2n-1个水上基点，其中n为海水层数；
(2)精确标定水下基点的地理位置信息，在水下基点上安置水下无源传感器(1)；
(2)在每个水上基点上分别放置水上声源发生器(3)，水上声源发生器(3)分别发出特定的声音信号，同时通过GPS定位装置获取发送声音信号时的时间和地理位置信息并发送至水上数据采集装置(2)；
(3)水上数据采集装置(2)采集水下无源传感器(1)检测到声音信号的时间；
(4)根据水下基点的地理位置信息、每个水上声源发生器发送声音信号时的地理位置信息，分别计算得到每个水上声源发生器和水下基点的距离；根据水下无源传感器(1)检测到声音信号的时间、每个水上声源发生器发送声音信号时的时间，分别计算得到每个水上声源发生器和水下基点之间声音传播的时间；联立方程，计算得到不同层的声音传播速度以及层高；
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