[发明专利]一种基于声衰减的入海口悬浮泥沙浓度实时测量方法

说明书

本发明公开了一种基于声衰减的入海口悬浮泥沙浓度实时测量方法，包括在入海口布置水下声信号发送端和接收端，计算声衰减，计算悬浮泥沙造成的声学衰减扰动，迭代计算悬浮泥沙浓度的步骤。本发明覆盖区域广、可扩展性高、获取的参数在空间上更连续、检测实时性好、测量精度高。本发明采用声传播技术进行测量，比光、电磁波等方式性能更优，更具发展和应用潜力。

技术领域

本发明涉及海洋观测技术领域，尤其是海洋悬浮泥沙测量技术领域，更具体地，涉及一种基于声衰减的入海口悬浮泥沙浓度实时测量方法。

背景技术

现在江河入海口中，大量的悬浮泥沙被输送入海，使得附近海域海水浑浊。泥沙输送量的大小和变化对于水质、水底地形等变化发展起到重要作用，也影响着海水中生态系统的变化，同时也会影响人类对沿海的利用和建设。在潮汐、水体流动的作用下，泥沙不断上浮、迁移、沉降，对于港口、水利、河海岸工程影响很大。泥沙的迁移过程一直受到学者的关注，江河入海口处输送的泥沙量，以及泥沙在海中的分布和运动过程等问题，使用现有的海洋观测技术还不能满足需要。

同时，在江河入海口附近水域中，大量的泥沙使得声呐探测性能受到影响。悬浮泥沙使声波产生衰减、散射，同时造成声波在幅度和相位上随机起伏，造成声呐探测范围、探测精度受限。因此，加强对于观测入海口泥沙输送浓度变化技术的研究，对于现有海洋探索、资源利用、海洋建设具有重要意义。

现有的悬浮泥沙测量技术多使用声学多普勒流速剖面仪或光学散射方法。声学多普勒流速剖面仪根据悬浮泥沙对声波的反向散射能量大小来测量海水中悬浮泥沙的浓度，但此种方法在测量时只能获取有限空间内的数据，可以看作是一个采集点。针对这一缺点，通常使用船拖曳的方式获取水平方向大范围的数据，但信息缺失了时间连续性。也有设计出原点采集的方式，即将设备投入水中，设备定时采集浓度数据并存储，几天后再取出，读取数据，这种方式虽具有时间上的连续性，但是采集只是固定空间点上的数据。

另一方面，声波在悬浊液中传播时，颗粒物与流体发生相对运动，发生粘滞吸收和散射等现象，造成声波在传播方向上的能量衰减。依靠声波衰减幅度与悬浮泥沙浓度的关系，可以成为海水中悬浮泥沙浓度检测的一种有效方法。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种覆盖区域广、可扩展性高、在空间上更连续、检测实时性好、测量精度高的入海口悬浮泥沙浓度实时测量方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种基于声衰减的入海口悬浮泥沙浓度实时测量方法，包括以下步骤：

步骤1：在入海口布置水下信号发送端和接收端；具体包括：

在检测区域距离1000m的位置分别布置水下换能器和阵元传感器接收阵列做为发送端和接收端，在发送端发送频率范围在50KHz-500KHz的窄带信号，接收端阵元接收探测信号。

步骤2：发送和接收声探测信号，基于被动时间反转技术，消除水下信道的多径效应，计算声衰减；

这一步骤使用时间反转法，使传播的信号具有聚焦性，对抗信号多径的影响；事实上，在接收阵元表达式下，时间反转信道近似于aδ(t)，即接收信号逼近发送信号，其中a是信道作用下信号幅值衰减系数。经时间反转处理后，最终接收到的信号与原本发送的信号有几乎相同的波形，但存在能量的衰减。计算接收端接收的信号与发送端信号幅值的比值，可得到的声传播衰减系数值。

步骤2的具体过程如下：

依次发送探测信号P(t)和S(t)，利用阵元传感器接收声探测信号，信号经过水下信道之后，第j号接收阵元接收到的信号分别为：

所述的h_j(t)代表第j号接收阵元与发送机之间的通信信道；