论文总字数：15920字

目 录

1 引言 5

1.1 研究意义 5

1.2 主要工作步骤介绍 5

2 海洋声层析方法 6

2.1 海洋声层析方法概述 6

2.2 海洋声层析研究历史及现状 6

2.3 海洋声层析方法原理 7

3 初始组模拟实验 9

3.1 模拟实验概述 9

3.2 MATLAB声学模拟工具介绍 9

3.2.1 AcTUP V2.2L概述 9

3.2.2 Bounce Bellhop模式原理 10

3.3 模拟过程 11

3.3.1 设置环境参数 11

3.3.2 读取模拟数据 13

3.3.3 绘制声速剖面曲线 15

4 数据反演及分析方法 16

4.1 反演方法 16

4.2 反演结果及分析 17

5 典型浅海声速剖面冬夏对比试验 17

5.1 实验依据 17

5.2 实验结果 18

6 小结 19

参考文献 20

致谢 21

基于光纤传感器的海洋声层析技术

王一闵

, China

Abstract: This article will briefly introduce the basic theories and techniques, principles and methods of marine acoustic tomography, introduce the application of the method, and finally combine the technology with practical applications to perform inversion of ocean temperature and depth. In this research, the acoustic toolbox was used to simulate the sound velocity data instead of the measured data to perform inversion analysis. The inversion data can be used to obtain the temperature profile curve of shallow seawater. After a comparative analysis of the subsea sound speed profiles and temperature distribution in different seasons, we are more familiar with the shallow sea，as well as the environmental characteristics and the specific application of this marine acoustic tomography method. The research and application of marine acoustic tomography will be of great significance to marine exploration, marine environmental monitoring, and ultimately real multidimensional dimensional monitoring of the ocean.

Key words: marine acoustic tomography; acoustic toolbox; speed of sound; temperature

引言

研究意义

气候变化与人类生活息息相关，联系紧密，是当今人类最为关注的问题之一。海洋占据了地球表面总面积的71%，海洋的变化对气候的影响由此不可忽视。由于海水热容量大，气候变化将很大程度受到海水温度的影响。此外，由于海、气之间的强烈相互作用，不同尺度下的海洋变化对中长期天气预报的意义也极为重要。因此，监测海洋成为了研究气象类问题中的一个关键环节。要完全掌握海水的要素变化和运动规律，必须对海洋进行全方位的观测，然而考虑到海洋的巨大面积和庞大体积，想要进行大尺度、长周期的观测势必成为一个需要解决的难题。

目前，观测海洋一个强有力的手段是卫星遥感观测，它可以对地球进行大规模的长期观测。但是，卫星使用的传感器主要依赖于电磁波，而海水对电磁波的吸收非常强烈，因此该手段只适用于获取海洋表层要素资料，无法很好地了解到海洋深层的变化。另外，另有一些其他的观测方式。在地面上，人们建造了大量气象观测站，同比陆地观测，海洋观测受制于显而易见的原因，无法遍布海表建造具有一定分布密度的海洋观测站。于是人们转而采用了更为便捷灵活的观测点，例如调查船。但是使用传统调查船需要付出昂贵的代价，难以进行多格点、长时间、大尺度的同步观测。为了研究大范围海水的中长期变化规律及海底温度、盐度等要素的垂直分布等，迫切需要寻求能够在一定时间内大范围持续观测海洋的方法，在尝试过大量不同的观测手段后，人们最终将视线转向声学，逐步意识到声学方法在海洋观测中的重要应用。由于海水对声波的吸收程度较小，尤其是低频声波，因此在海水中发射低频声波将可以传输至很远的距离。据相关调查表明，数公斤TNT炸药产生的爆炸波，在SOFAR（sound fixing and ranging）声道中的数千公里外，仍能接受到清晰的信号[1]。基于低频声波在海水中的传播性质，人们逐渐开始研究采用声学方法进行海洋探测，本文将会就其中一种通常被称为“海洋声学层析”的方法展开介绍，并利用此方法进行浅层海水的温度剖面反演。

本文将简单介绍海洋声层析的基本理论和技术，原理和方法，介绍该方法的应用情况，最后将该技术与实际应用结合，进行海洋温深的反演工作。研究中利用到声学工具箱模拟声速数据来替代实测资料进行反演分析，通过反演数据可以得到浅海海水温度剖面曲线，经过对不同季节的海底声速剖面及温度分布进行对照分析，更加熟悉了浅海环境特征及此项海洋声学层析方法的具体应用。

主要工作步骤介绍

本文将基于海水中声速传播的基本规律对海洋声层析方法进行简单介绍，包括其基本原理、研究发展状况以及具体方法等等。考虑到进行海洋实测有多方面的局限和困难，笔者使用了声学工具箱（Acoustic Toolbox）[2]在MATLAB软件中进行了海水浅层的声波信号发射模拟，通过模拟数据来替代实测资料进行后续分析。该模拟过程可以得到分层的声速数据，凭借该数据可以绘制出模拟实测的浅海声速剖面图。通过改变环境参数，笔者进行了大量重复性实验，最终选取了冬（3月）、夏（8月）两个季节的典型声速剖面进行对比。在海水声速公式的基础上，利用MATLAB软件及其他软件如Excel进行辅助进行计算，最终得到海水温度的反演，通过反演数据绘制出浅海海水温度剖面曲线，对照最初的环境参数设置，判断此种模拟-反演方法是否符合预期。

本次实验笔者将分为两部分进行，首先进行首次的初始组模拟-反演实验，在第3章及第4章，笔者将对初始组实验进行详细流程介绍，以此熟悉和掌握该模拟-反演方法的具体步骤，随后在第5章中会选择冬（3月）、夏（8月）两个季节的典型声速剖面进行模拟-反演实验来做声速及温度的对比，进一步理解海洋声层析方法在实际中的应用意义。

海洋声层析方法

海洋声层析方法概述

层析（Tomography）是一个来源于希腊文的单词，其中的“Tomo”被解释为“分层”、“切割”。层析技术最早被应用在X射线中，当X射线通过不同角度从射线源中发射后穿透过人体，由于人体的不同部分对于不同角度的射线吸收不同，因此可以通过计算机的相关运算来反推出人体内部结构，也就是我们俗称的“拍片子”，这种X射线层析照射法又被称为CT（computerized tomography）。此外，核磁共振成像、地震层析成像以及超声层析成像等也分别使用了原理类似的方法，并在各自的领域发挥了重要的作用。[3]

从上述描述中不难联想到，将该种技术运用到海洋研究领域中也将带来广泛的应用，本文中主要运用于研究浅层海水声速及对应温度的变化。

声波在海洋中的传播特征与海洋环境特性有很大联系[6]。经由精确测量布放在被观察海域周边测站之间的声传布参量，如声信号的传播时间、相位、频率、强度以及声线和简正波到达结构等，可以采取反演方式获取所观察海域的相关环境参数信息。当前，该领域内应用于海洋声层析的方法主要有声线传播时间层析(ray travel timetomography)，简正波传播时间层析(modal travel-time tomography)，峰值匹配层析(matched-peak tomography)，简正波相位层析(modal-phase tomography,简称MPT)，简正波水平折射层析(modal-horizon-tal-refraction-tomography,简称MHRT)，匹配场层析(match field tomography,简称MFT)。

海洋声层析研究历史及现状

自20世纪70年代以来，有关于海洋内部波浪，海流，Rossby波，洋流，海洋精细结构和中尺度涡旋对海洋声波传播的影响，以及如何通过声学观测获得这些海洋过程已经进行了很多的相关调查工作。随着海洋中尺度涡旋的发现，人们对洋流形成机制的传统观点发生了变化。然而，传统的海洋调查方法已经无法满足人们对中尺度涡旋观测及研究的需要。于是，Munk和Wunsch在1979年正式提出了海洋声学层析（Ocean Acoustic Tomography，简称OAT）的观点，在那时是一种新的海洋观察方式，提出者用来证明了多于90%的海洋环流动能与在海洋中产生的中尺度现象有关。声层析方法自提出以来便倍受重视，随后几年中，在海洋声层析相关理论结合观测技术的研究后，许多国际著名海洋研究机构及该领域的学者纷纷开展了各种海洋声层析实验，每项实验均为该领域注入了新鲜的活力，带来了许多新的认识，同时也免不了提出了更多的新问题，种种努力均使得这一领域的研究更加活跃和积极[5]。1981年，第一次海上声层析验证实验在百慕大群岛附近的水域成功完成。随后，许多海洋研究机构专注于海洋声学层析的应用并探究其在观测海洋环境方面的能力和局限性。

在前20年中，海洋声层析的理论研究、设备开发和应用受全球测温计划（ATOC）所代表的一系列证明实验促进发展。进入21世纪后，声层析和海洋动力学的相关数据被同化，利用滑翔机等装置的移动声层析以及沿海声层析获得了重视[11]，而且随后进行了相关的理论和实验的深入研究。结合声学Chromating Hilbert成像方法，有效的低功耗分布式传感网络声学层析成像和被动声学层析成像，或将成为未来声学层析成像研究的重要方向。国际上已经进行了许多声学层析成像观察实验。许多国家，如美国，法国，德国，印度和日本，都进行了海上或区域海洋声学层析成像研究，并发表了许多文件。中国学者在海洋声学层析成像领域也做了大量工作，取得了很多成果，引起了国际同行的关注[5]。

海洋声层析方法原理

声波在海水中接收较小，低频声波在海水中的接收极小，可以传布很远的间隔。大洋中海水声速垂直剖面主要由温度和压力决定。从表层向下温度不断降低，声速随深度的增加而不断减少，到达一定深度后，海水的温度不变，随深度增加静压力的不断增加，声速也便随深度的增加而增加，声速达到最低的深度被称为声道轴。从声道轴向上发出的声波折射向下，从声道轴向下发出的声波折射向上，声能聚集在声道轴上下的一个水层中，在传播时不接触海面和海底，没有反射和散射损失。海水对低频声波的吸收很小，50Hz的声波传播到达1万公里以后，其吸收损失才不过l0分贝。声波对海水温度变化是很敏感的，海水声速平均为150米/秒。温度每上升1℃声速要上升5米/秒左右。因此，人们假设，如果在许多不同的点放置多个声音的发射器和接收声波的换能器，我们就可以通过这种方法观测到声波传播路径上这一大块水体的变化。因此，这种利用声学来观测海洋的方法就成为近年来海洋界备受关注的一个重要领域，其中最重要的是海洋声层析技术和大洋气候声学测温[12]。低频段的声波是目前看来唯一能有效地在海水中做远程运输的一种工具，尽管海水并不是理想无损耗介质，但它也会随着声波传播的距离增加而逐渐减弱。由于笔者的能力所限，本文的实际应用中暂不考虑声波传播损耗。此外，笔者所使用的声学工具箱模拟声速的水下传播过程其实则使用了高频声波，这是由于高频声波在一定距离上近乎满足直线传播，更加适合本次实验。

海洋声层析方法简单来说就是在被观测海域周围布设多个声发射和接收点,不断发射和接收声信号，当这些信号从不同角度穿透水体，我们便得到传播途径上海水的信息，譬如，当有N个发射和接收点，我们则会有N(N- 1)/2条路径[6]。也就是说，发射接收点越多，传播路径就越多，所获取信息量就越大，空间分辨率也就越高，这就是水平层析（见图2.1）。另外，在垂直方向上，声波可从不同垂直倾角出发，在传播过程中经过不同深度水层，通过测量不同角度声波能量到达特性，可以确定其所经过水层的海洋特性,这就是垂直层析（见图2.2）。海洋声层析方法在获取海洋环境信息方面具有如下一些优势：(1)基于声传播多途效应，只用一对声源-接收器就能对海洋进行垂直取样；(2)由观测海域外围测量就可以获得海洋内部图像；(3)与传统方法相比，可用相对较少的观测仪器就可以进行大范围海域的同步测量；(4)声传播的积累特性能获得依靠传统的点传感器测量难以获得的空间大尺度的、时间平均的海洋环境参量估计。[6]

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