[发明专利]一种冰层厚度的声学测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种冰层厚度测量方法，属于水声探测方法。具体地说是一种利用主动声呐测量冰层厚度的方法。

背景技术

近年来，随着全球变暖加重，北极冰层出现消融，北冰洋地区海冰厚度逐年变薄，航道无冰期时间延长，北极航道有望开通。北极地区丰富的自然资源和航道优势引起了众多国家的重视，我国也先后进行了6次北极科学考察，并且建立了北极科考站，北极区域的相关活动都需要海冰监测作为保障。再者，我国黄、渤海地区冬季常常会出现一定程度的海冰险情，海面上海冰的增加给海上航运业带来了巨大的困难，海冰还严重威胁着海上油气勘探平台的安全，因此海冰监测技术有着切实的社会、经济应用前景。海冰监测是一个非常重要的问题，已经引起众多国家的重视，而海冰厚度的测量是海冰监测领域中一个最基本和最首要的任务。针对海冰厚度测量这一问题，国内外已有一些相关研究和相应的产品，但其测量冰层厚度的方法都与本发明有所不同，目前监测海冰厚度的方法分为：1、打孔抽样测量法；2、雷达测量法；3、卫星遥感测量法；4、仰视声呐测量法。

《渤海海冰厚度测量方法的研究与应用》一文对以上几种方法有详细描述：直接打孔抽样测量法对于较薄的冰层有效，但受环境条件的限制和时间、空间的约束比较大，此方法的实施与操作都比较困难，只能对有限范围内的海冰进行监测，并不能大范围、实时且准确的监测海冰厚度；雷达测量法采用激光照射冰层，激光在冰介质中的衰减较大，对于比较厚的冰层的测量结果较差；卫星遥感法受天气条件影响较大，阴天或多云天气无法得到准确的测量结果；仰视声呐测量法无法得到冰层的垂直剖面，且测量精度没有本专利所提出的方法高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用范围广、精度高、实时性好的冰层厚度的声学测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)安装在水下搭载平台上的测冰仪连续发射高频、宽带、窄波束的探测信号，所述信号之间的时间间隔为Δt；

(2)测量冰层下表面(冰-水界面)的回波到达时间t₁，以及冰层上表面(冰-空气界面)的回波到达时间t₂，得到第一时刻的冰层厚度时延差值为τ₁＝t₂-t₁；

(3)测冰仪以速度v匀速移动，移动v×Δt距离后，再次测量冰层下表面的回波到达时间t₃，以及冰层上表面的发射高频、宽带、窄波束的探测信号到达时间t₄，得到第二时刻的冰层厚度时延差值为τ₂＝t₄-t₃；

(4)估计声波入射角度：利用两次的冰层厚度时延差值τ₁和τ₂得到声波入射角的估计值为：

其中c为声波在冰层中的传播速度；

(5)根据snell折射定律计算声波在冰层中传播的折射角，由公式得冰层中声波的折射角度为：

其中c_水为声波在水中的传播速度；

(6)利用声波在冰层中传播的折射角度修正冰层厚度的测量值：

连续测量，重复步骤(1)～(6)，得到不同位置处的冰层厚度测量值，进而得到一定范围内的冰层厚度剖面图。

本发明提供了一种利用声学方法实现较高精度测量冰层厚度的冰厚测量技术。该技术可以用于北极以及黄、渤海区域的冰层厚度监测，为北极以及黄、渤海区域的航运以及资源勘探提供安全保障。

与已有技术相比，本发明有众多的优势：首先，该测冰仪采用声学方法，声波在冰中的传播衰减远小于激光在冰中的传播衰减，对于较厚的冰层也可以得到较为理想的结果；其次，该测冰仪利用上下表面的反射波测量冰层厚度，在得到冰层厚度的同时还可以获得冰层的垂直剖面，可以为北极区域水下平台的上浮提供更好的保障；第三，该测冰仪工作于冰下水域，不受天气条件的限制，在恶劣天气依然能较好的工作；第四，该测冰仪可以实时、实地自动测量所处海域的海冰厚度，更好的监测海冰情况。

本发明的优点主要体现在：

1、测冰仪采用声学方法，声波在冰中的传播衰减远比激光小，对于较厚的冰层也可以得到较为理想的结果；

2、相比仰视声呐而言，该技术利用上下表面的反射波测量冰层厚度，有效的克服了仰视声呐因冰层表面起伏而出现较大测量误差的缺点，而且在得到冰层厚度的同时还可以获得冰层的垂直剖面，可对冰层作进一步研究；