一種冰層厚度的聲學(xué)測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種冰層厚度測量方法，屬于水聲探測方法。具體地說是一種利 用主動聲吶測量冰層厚度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著全球變暖加重，北極冰層出現(xiàn)消融，北冰洋地區(qū)海冰厚度逐年變薄， 航道無冰期時間延長，北極航道有望開通。北極地區(qū)豐富的自然資源和航道優(yōu)勢引起了眾 多國家的重視，我國也先后進(jìn)行了 6次北極科學(xué)考察，并且建立了北極科考站，北極區(qū)域的 相關(guān)活動都需要海冰監(jiān)測作為保障。再者，我國黃、渤海地區(qū)冬季常常會出現(xiàn)一定程度的海 冰險情，海面上海冰的增加給海上航運(yùn)業(yè)帶來了巨大的困難，海冰還嚴(yán)重威脅著海上油氣 勘探平臺的安全，因此海冰監(jiān)測技術(shù)有著切實(shí)的社會、經(jīng)濟(jì)應(yīng)用前景。海冰監(jiān)測是一個非常 重要的問題，已經(jīng)引起眾多國家的重視，而海冰厚度的測量是海冰監(jiān)測領(lǐng)域中一個最基本 和最首要的任務(wù)。針對海冰厚度測量這一問題，國內(nèi)外已有一些相關(guān)研究和相應(yīng)的產(chǎn)品，但 其測量冰層厚度的方法都與本發(fā)明有所不同，目前監(jiān)測海冰厚度的方法分為：1、打孔抽樣 測量法；2、雷達(dá)測量法；3、衛(wèi)星遙感測量法；4、仰視聲吶測量法。
[0003] 《渤海海冰厚度測量方法的研究與應(yīng)用》一文對以上幾種方法有詳細(xì)描述：直接打 孔抽樣測量法對于較薄的冰層有效，但受環(huán)境條件的限制和時間、空間的約束比較大，此方 法的實(shí)施與操作都比較困難，只能對有限范圍內(nèi)的海冰進(jìn)行監(jiān)測，并不能大范圍、實(shí)時且準(zhǔn) 確的監(jiān)測海冰厚度；雷達(dá)測量法采用激光照射冰層，激光在冰介質(zhì)中的衰減較大，對于比較 厚的冰層的測量結(jié)果較差；衛(wèi)星遙感法受天氣條件影響較大，陰天或多云天氣無法得到準(zhǔn) 確的測量結(jié)果；仰視聲吶測量法無法得到冰層的垂直剖面，且測量精度沒有本專利所提出 的方法高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種適用范圍廣、精度高、實(shí)時性好的冰層厚度的聲學(xué)測 量方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] (1)安裝在水下搭載平臺上的測冰儀連續(xù)發(fā)射高頻、寬帶、窄波束的探測信號，所 述信號之間的時間間隔為At;
[0007] (2)測量冰層下表面（冰-水界面）的回波到達(dá)時間，以及冰層上表面（冰-空 氣界面）的回波到達(dá)時間、，得到第一時刻的冰層厚度時延差值為τι=?2-?1;
[0008] ⑶測冰儀以速度ν勻速移動，移動vXAt距離后，再次測量冰層下表面的回波到 達(dá)時間t3，以及冰層上表面的發(fā)射高頻、寬帶、窄波束的探測信號到達(dá)時間t4，得到第二時 刻的冰層厚度時延差值為T2=t4_t3。
[0009] (4)估計聲波入射角度：利用兩次的冰層厚度時延差值ττ2得到聲波入射角 的估計值為：
[0010]
其中c為聲波在冰層中的傳播速度；
[0011] (5)根據(jù)snell折射定律計算聲波在冰層中傳播的折射角 層中聲波的折射角度為：
[0012]
，其中C7K為聲波在水中的傳播速度；
[0013] (6)利用聲波在冰層中傳播的折射角度修正冰層厚度的測量值：
[0015] 連續(xù)測量，重復(fù)步驟（1)~（6)，得到不同位置處的冰層厚度測量值，進(jìn)而得到一 定范圍內(nèi)的冰層厚度剖面圖。
[0016] 本發(fā)明提供了一種利用聲學(xué)方法實(shí)現(xiàn)較高精度測量冰層厚度的冰厚測量技術(shù)。該 技術(shù)可以用于北極以及黃、渤海區(qū)域的冰層厚度監(jiān)測，為北極以及黃、渤海區(qū)域的航運(yùn)以及 資源勘探提供安全保障。
[0017] 與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有眾多的優(yōu)勢：首先，該測冰儀采用聲學(xué)方法，聲波在冰 中的傳播衰減遠(yuǎn)小于激光在冰中的傳播衰減，對于較厚的冰層也可以得到較為理想的結(jié) 果；其次，該測冰儀利用上下表面的反射波測量冰層厚度，在得到冰層厚度的同時還可以獲 得冰層的垂直剖面，可以為北極區(qū)域水下平臺的上浮提供更好的保障；第三，該測冰儀工作 于冰下水域，不受天氣條件的限制，在惡劣天氣依然能較好的工作；第四，該測冰儀可以實(shí) 時、實(shí)地自動測量所處海域的海冰厚度，更好的監(jiān)測海冰情況。
[0018] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：
[0019] 1、測冰儀采用聲學(xué)方法，聲波在冰中的傳播衰減遠(yuǎn)比激光小，對于較厚的冰層也 可以得到較為理想的結(jié)果；
[0020] 2、相比仰視聲吶而言，該技術(shù)利用上下表面的反射波測量冰層厚度，有效的克服 了仰視聲吶因冰層表面起伏而出現(xiàn)較大測量誤差的缺點(diǎn)，而且在得到冰層厚度的同時還 可以獲得冰層的垂直剖面，可對冰層作進(jìn)一步研究；
[0021] 3、相比衛(wèi)星遙感技術(shù)而言，該測冰儀工作于冰下水域，不受天氣條件的限制，在惡 劣天氣依然能較好的工作；
[0022] 4、相較打孔抽樣測量法，該測冰儀可以實(shí)時、實(shí)地自動測量所處海域的海冰厚度， 節(jié)省人力、物力，更好的監(jiān)測海冰情況；
[0023] 5、基于搭載平臺勻速移動的聲線修正技術(shù)，減小了由于冰層表面起伏不平整所帶 來的誤差，提高了冰層厚度的測量精度，是一種高精度的冰層厚度測量技術(shù)。
[0024] 具體來說：本發(fā)明所提出的冰層厚度測量技術(shù)不受天氣等外部條件的影響，可以 利用冰層上下表面的反射波測得冰層厚度，當(dāng)冰層表面凹凸起伏時，其他冰層厚度測量技 術(shù)會產(chǎn)生較大的誤差，甚至產(chǎn)生毀滅性的后果，本發(fā)明所提出的聲線修正技術(shù)，降低了冰層 凹凸起伏時的冰厚測量誤差，有效的解決了這一問題。除此之外，該測冰技術(shù)還可以間接獲 得冰層厚度的垂直剖面，更好的監(jiān)測海冰情況。
【附圖說明】
[0025] 圖1本發(fā)明的技術(shù)路線圖；
[0026] 圖2理想情況下的冰厚測量示意圖；
[0027] 圖3下表面凹凸起伏時的冰厚測量不意圖；
[0028] 圖4基于角度估計的聲線修正技術(shù)示意圖；
[0029] 圖5 (a)-圖5 (c)冰層厚度水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果，B= 100kHz，T= 1ms的LFM信號。其 中：圖5(a)接收信號圖、圖5(b)濾波后接收信號、圖5(c)匹配濾波處理結(jié)果；
[0030] 圖6是10次實(shí)驗(yàn)結(jié)果冰厚度測量圖；
[0031] 圖7冰層厚度剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做