14第十四章海洋聲學、光學要素調查20150501

1、第十四章 海洋聲學、光學要素調查,14.1 海洋聲速測量14.2 海洋環(huán)境噪聲測量14.3 水中目標物的聲學探測14.4 海洋光學調查,海水聲速測量海洋環(huán)境噪聲測量海底聲特性測量海洋中聲能傳播損失測量海面照度觀測表面光學量觀測固有光學量觀測,參考《GB/T 12763.5-2007》海洋調查規(guī)范 第5部分：海洋聲、光要素調查,14.1 海洋聲速測量,14.1.1 觀測要素海水聲速：聲波在海水中的傳播

2、速度。聲速梯度：海水中聲速隨深度或水平方向的變化率。聲速躍層：聲速隨深度急劇變化的水層。聲速均勻層：聲速不隨深度變化的水層。水下聲道：在海洋中聲速隨深度變化存在極小值時，若將聲源置于極小值附近水層，聲線將被約束在一定厚度水層內傳播，傳播過程中聲能損失極小，此水層稱為水下聲道。,14.1.2 站點的確定綜合調查時，海水聲速調查的站位與溫、鹽調查的站位一致。海水聲速調查的標準層次也與規(guī)范中規(guī)定的溫、鹽調查的標準層次一致。對于具

3、有中尺度現(xiàn)象的海域調查，應同時進行海流剖面測量。,14.1.3 測量方法1、直接測量法：采用有關儀器直接測出聲波通過水中固定兩點所需的時間，從而求出聲速值。吊掛式聲速儀測量拋棄式聲速儀測量2、間接測量法：根據海水聲速與水溫、鹽度、壓力（或深度）的關系所建立的海水聲速經驗公式，通過這些水文參數(shù)的測量數(shù)據換算出各水層的海水聲速值。,14.1.4 測量儀器1、LSC-Ⅱ型吊掛式聲速儀；2、LSS1-1拋棄式聲速儀,聲速剖面儀水下

4、單元,,德國ATLAS公司研制的拖曳線列陣,英國、法國聯(lián)合研制的舷側陣聲吶TSM2253,德國ATLAS公司研制的ASA92－25主動拖曳線聲吶,英國、法國聯(lián)合研制的投吊聲吶,美國Lockheed Martin公司研制的被動測距聲吶PUFFS,美國DTI公司研制的合成孔徑聲吶,14.1.5 資料處理1、聲速躍層確定2、聲道特征分布圖的繪制3、聲速垂直分布的數(shù)學擬合,14.2 海洋環(huán)境噪聲測量,14.2.1 海洋環(huán)境噪聲基本概

5、念海洋環(huán)境噪聲：由存在于海洋中多種噪聲源所輻射的并在其中傳播的噪聲。噪聲頻帶聲壓級：一定頻帶內的海洋環(huán)境噪聲聲壓與基準聲壓之比的常用對數(shù)自乘以20。噪聲聲壓譜級：某一頻率的噪聲聲壓譜密度與基準譜密度之比的常用對數(shù)乘以20。背景干擾噪聲：測量時由于各種原因所產生的，對測量造成干擾的等效干擾噪聲。水聽器等效噪聲聲壓譜級：水聽器等效噪聲聲壓譜密度與基準聲壓譜密度之比的常用對數(shù)乘以20。,海洋環(huán)境噪聲主要測量的量有二個：噪聲頻帶聲壓級

6、和噪聲聲壓譜級,14.2.2 測量儀器1、SMH系列標準水聽器；2、8101系列水聽器,接收水聽器陣列,接收潛標,索尼數(shù)字錄音機,NI數(shù)據記錄儀,水下聲接收及信號處理系統(tǒng),14.3 水中目標物的聲學探測,14.3.1 布里淵散射激光雷達水下目標探測技術14.3.2 合成孔徑聲納（SAS）是一種新型高分辨水下成像聲納。合成孔徑聲納系統(tǒng)一般由三個分系統(tǒng)組成：1)聲納分系統(tǒng)，由合成孔徑聲納基陣、發(fā)射機、接收機、數(shù)據采集、傳輸和

7、存儲子系統(tǒng)、聲納信號處理機和顯控臺等組成；2)姿態(tài)與位移測量分系統(tǒng)，由姿態(tài)、位移測量系統(tǒng)和GPS等組成；3)拖曳分系統(tǒng)，由絞車、拖纜和拖體等組成。14.3.3 聲光懸浮砂粒徑譜測量儀14.3.4 聲學懸浮泥沙濃度剖面儀,合成孔徑聲納,19世紀初，人們在進行海洋調查時，用一個直徑30cm的白色圓盤(透明度盤)垂直沉入海水中，直到剛剛看不見為止時的深度，這一深度叫海水的透明度。將透明度盤提升至透明度一半深度處，俯視透明度盤之上水柱的

8、顏色，稱為海水的水色。19世紀末，海洋學工作者把海水光學性質的研究和海洋初級生產力結合起來，并測量了海洋的輻照度。20世紀30年代到60年代是海洋光學的形成階段。研制了水中輻照計、水中散射儀、海水透射率計、水中輻亮度計等海洋光學儀器，系統(tǒng)地測量了海水的衰減、散射和光輻射場的分布，積累了基本的海洋光學參數(shù)數(shù)據；對光在海洋中的傳播規(guī)律，尤其是海洋輻射傳遞理論也進行了基本的研究。60年代中期到80年代是海洋光學的發(fā)展階段。近代光學、激光

9、和光學遙感技術的發(fā)展大大開拓了海洋光學的研究領域，多光譜衛(wèi)星遙感技術已成為探測海洋的重要手段。,14.4 海洋光學調查,14.4 海洋光學調查,14.4.1 名詞解釋（1）照度：照射到表面一點處的面元上的光通量除以該面元的面積。（2）表觀光學量：隨光照條件變化而變化的水體光學參數(shù)。（3）固有光學量：不隨光照條件變化而變化的水體光學參數(shù)。（4）輻照度：照射到表面一點處單位面積上的輻射通量。（5）輻亮度：單位面積單位立體角的

10、輻射通量。（6）一類水體：光學特性主要由浮游植物決定的水體，一般指清潔的大洋水體。（7）二類水體：光學特性由浮游植物、無機懸浮顆粒和溶解有機物質等共同決定的水體，一般指近岸水體或渾濁水體。,（8）漫衰減系數(shù)：水下的輻照度衰減系數(shù)或輻亮度衰減系數(shù)，統(tǒng)稱漫衰減系數(shù)。（9）光束透射率：準直光束透射輻射通量與入射輻射通量的比值。（10）光束衰減系數(shù)：垂直通過無限薄海水層的準直光束，其輻射通量的相對減弱除以海水層的厚度。,14.4.2

11、標準層次和精度1、站位選擇：可根據專項調查需要和測量海區(qū)光學要素的水平變化梯度確定，一般的大面調查，近海區(qū)可相隔36km（20n mile），遠海區(qū)可相隔110km（60n mile）。2、標準層次測量的標準層次為表層、4，6，8，10，12，14，16，18，20，25，30，35，40，45，50，60，70，80，90，100，120，140，160，180，200m。大于200m，光透射率還應增加500m層，500m層以

12、上每隔500m再加一層。特殊要求另加。對于連續(xù)測量方式，根據需要另作要求。,14.4.3 海面照度測量方法1、儀器設備照度計、走航式海面輻照計2、觀測位置的要求（1）離海面高度在2m-20m范圍內；（2）儀器進光窗口上方周圍空間不受船上物體遮蔽，不能有其他光源或反射光線照射到光窗口。（3）光接收部件在船上固定安裝時，應便于觀測者操作。（4）儀器垂直加固，并具有姿態(tài)數(shù)據或采取姿態(tài)隨動穩(wěn)定措施使儀器保持在5°以內。

13、（5）操作人員應穿著黑色衣服并遠離儀器。,3、觀測環(huán)境的要求（1）下雨、下雪或濃霧天氣不進行觀測。（2）每天觀測的開始時間不晚于太陽升出水天線后1h，結束時間不早于太陽沒入水天線前1h。4、走航式海面照度計自動觀測要求（1）開機工作后，至少每5min記錄和存儲一組照度、時間和位置的數(shù)據。（2）通過調查船上的衛(wèi)星導航定位儀自動取得實時定位信號。5、手持照度計的觀測要求（1）在甲板的空曠處手持光接收器測量，當光接收器處于水平

14、時記錄讀數(shù)。（2）每小時測量一次，在整點前后10min內進行。若預定時間內有雨、雪、濃霧、太陽被浮云遮擋或其他原因而不能測量時，可以推遲進行。推遲時間大于40min時取消該次測量。6、水面漂浮測量（浮標或子母浮標）儀器距離船舶應在30m以上，同時儀器應具備姿態(tài)傳感器。,海面光譜儀（HSAS）（水面之上法、表觀光譜、表觀光學特性、遙感反射率）,HyperSAS海面輻照系統(tǒng)提供高精度高光譜測量方法來測定離水輻亮度（water-lea

15、ving spectral radiance）和下行輻照度（downwelling spectral irradiance）。 256個通道的HyperOCR輻亮度和輻照度傳感器安裝在飛機和船舶之上，使其位置處于海洋（或陸地）的表面之上，可同時對空中和海面進行測量。除此之外，HyperSAS具備內置快門，以便準確的進行陰影校正。采用了平面?zhèn)鞲衅鳎╟osine），從而得到更準確和更高質量的數(shù)據。此外，可以選配GPS設備和Sat

16、lantic傾斜和方向傳感器，為所獲得的光學數(shù)據提供精確定位，地理參考資料和準確的時間標注?？蛇x配輻射高溫計（紅外溫度計），來測量陸地或海洋表面溫度。HyperSAS可沿著船舶的航跡對水色進行連續(xù)觀測，也可安裝在海上觀察平臺進行長時間連續(xù)觀察，或安裝在航空器上遙感觀測水色。該系統(tǒng)尺寸小，重量輕，結構緊湊，便于安裝。由由HyperSAS系統(tǒng)測量的離水輻亮度和反射系數(shù)可用于計算多種海洋要素，其中包括溶解態(tài)有機物，懸浮物及表層葉綠素濃度。由

17、于葉綠素是藻類生物量的重要監(jiān)測指標，所以可利用這些資料來估計浮游植物的豐度和初級海洋生產力，檢測赤潮等。HyperSAS數(shù)據還可用來校準和驗證衛(wèi)星水色觀測數(shù)據。如果在HyperSAS測量的同時采集表層水樣，綜合分析后可建立海表生物－光學模型。,海水的光學特性有兩種：表觀光學特性和固有光學特性。（1）表觀光學性質由光場和水中的成分決定；固有光學性質與光場無關，只與水中成分的分布及其光學特性有關。（2）表觀光學參數(shù)很容易由現(xiàn)場測量或者遙

18、感的方法獲取，但是很難與水中成分聯(lián)系起來；固有光學性質很難在現(xiàn)場測量，但是得到固有光學參數(shù)這后，很容易計算得到水體各組成成分的含量。海洋光學的一項任務就是由表觀光學特性導出固有光學特性，便于模擬水中的物理、生物以及化學條件。,14.4.4 表觀光學量觀測方法1、測量的量輻照度：包括大氣層外太陽輻照度、海面入射輻照度、剛好處于水表面以下的輻照度、水體剖面向下/向上輻照度、天空漫射輻照度、太陽直射輻照度等參數(shù)。輻亮度：包括剛好處于

19、水表面以下的輻亮度、水體剖面向上輻亮度、離水輻亮度等參數(shù)。2、測量儀器輻照度儀和輻亮度儀,14.4.5 固有光學量觀測方法1、測量的量光束衰減系數(shù)、光束透射率2、測量儀器測定體積衰減系數(shù)的c儀(或準直光透射率儀)、測定體積散射函數(shù)的β儀、測定總散射系數(shù)的b儀，其中β儀和b儀都稱為水中光散射儀,14.4.6 測量儀器SLM-1海面照度計OMC-1光學多參數(shù)測量儀TMD-Ⅲ多波段投射率儀SPMR剖面式多通道光學輻射計