14第十四章海洋聲學(xué)、光學(xué)要素調(diào)查20150501

1、第十四章 海洋聲學(xué)、光學(xué)要素調(diào)查,14.1 海洋聲速測(cè)量14.2 海洋環(huán)境噪聲測(cè)量14.3 水中目標(biāo)物的聲學(xué)探測(cè)14.4 海洋光學(xué)調(diào)查,海水聲速測(cè)量海洋環(huán)境噪聲測(cè)量海底聲特性測(cè)量海洋中聲能傳播損失測(cè)量海面照度觀測(cè)表面光學(xué)量觀測(cè)固有光學(xué)量觀測(cè),參考《GB/T 12763.5-2007》海洋調(diào)查規(guī)范 第5部分：海洋聲、光要素調(diào)查,14.1 海洋聲速測(cè)量,14.1.1 觀測(cè)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?qū)樱郝曀俨浑S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(shí)，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(nèi)傳播，傳播過(guò)程中聲能損失極小，此水層稱為水下聲道。,14.1.2 站點(diǎn)的確定綜合調(diào)查時(shí)，海水聲速調(diào)查的站位與溫、鹽調(diào)查的站位一致。海水聲速調(diào)查的標(biāo)準(zhǔn)層次也與規(guī)范中規(guī)定的溫、鹽調(diào)查的標(biāo)準(zhǔn)層次一致。對(duì)于具

3、有中尺度現(xiàn)象的海域調(diào)查，應(yīng)同時(shí)進(jìn)行海流剖面測(cè)量。,14.1.3 測(cè)量方法1、直接測(cè)量法：采用有關(guān)儀器直接測(cè)出聲波通過(guò)水中固定兩點(diǎn)所需的時(shí)間，從而求出聲速值。吊掛式聲速儀測(cè)量拋棄式聲速儀測(cè)量2、間接測(cè)量法：根據(jù)海水聲速與水溫、鹽度、壓力（或深度）的關(guān)系所建立的海水聲速經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)這些水文參數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)換算出各水層的海水聲速值。,14.1.4 測(cè)量?jī)x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(guó)ATLAS公司研制的拖曳線列陣,英國(guó)、法國(guó)聯(lián)合研制的舷側(cè)陣聲吶TSM2253,德國(guó)ATLAS公司研制的ASA92－25主動(dòng)拖曳線聲吶,英國(guó)、法國(guó)聯(lián)合研制的投吊聲吶,美國(guó)Lockheed Martin公司研制的被動(dòng)測(cè)距聲吶PUFFS,美國(guó)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(xué)擬合,14.2 海洋環(huán)境噪聲測(cè)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(jí)：一定頻帶內(nèi)的海洋環(huán)境噪聲聲壓與基準(zhǔn)聲壓之比的常用對(duì)數(shù)自乘以20。噪聲聲壓譜級(jí)：某一頻率的噪聲聲壓譜密度與基準(zhǔn)譜密度之比的常用對(duì)數(shù)乘以20。背景干擾噪聲：測(cè)量時(shí)由于各種原因所產(chǎn)生的，對(duì)測(cè)量造成干擾的等效干擾噪聲。水聽器等效噪聲聲壓譜級(jí)：水聽器等效噪聲聲壓譜密度與基準(zhǔn)聲壓譜密度之比的常用對(duì)數(shù)乘以20。,海洋環(huán)境噪聲主要測(cè)量的量有二個(gè)：噪聲頻帶聲壓級(jí)

6、和噪聲聲壓譜級(jí),14.2.2 測(cè)量?jī)x器1、SMH系列標(biāo)準(zhǔn)水聽器；2、8101系列水聽器,接收水聽器陣列,接收潛標(biāo),索尼數(shù)字錄音機(jī),NI數(shù)據(jù)記錄儀,水下聲接收及信號(hào)處理系統(tǒng),14.3 水中目標(biāo)物的聲學(xué)探測(cè),14.3.1 布里淵散射激光雷達(dá)水下目標(biāo)探測(cè)技術(shù)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(gè)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(jī)、接收機(jī)、數(shù)據(jù)采集、傳輸和

7、存儲(chǔ)子系統(tǒng)、聲納信號(hào)處理機(jī)和顯控臺(tái)等組成；2)姿態(tài)與位移測(cè)量分系統(tǒng)，由姿態(tài)、位移測(cè)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(cè)量?jī)x14.3.4 聲學(xué)懸浮泥沙濃度剖面儀,合成孔徑聲納,19世紀(jì)初，人們?cè)谶M(jìn)行海洋調(diào)查時(shí)，用一個(gè)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(shí)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(jì)末，海洋學(xué)工作者把海水光學(xué)性質(zhì)的研究和海洋初級(jí)生產(chǎn)力結(jié)合起來(lái)，并測(cè)量了海洋的輻照度。20世紀(jì)30年代到60年代是海洋光學(xué)的形成階段。研制了水中輻照計(jì)、水中散射儀、海水透射率計(jì)、水中輻亮度計(jì)等海洋光學(xué)儀器，系統(tǒng)地測(cè)量了海水的衰減、散射和光輻射場(chǎng)的分布，積累了基本的海洋光學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)；對(duì)光在海洋中的傳播規(guī)律，尤其是海洋輻射傳遞理論也進(jìn)行了基本的研究。60年代中期到80年代是海洋光學(xué)的發(fā)展階段。近代光學(xué)、激光

9、和光學(xué)遙感技術(shù)的發(fā)展大大開拓了海洋光學(xué)的研究領(lǐng)域，多光譜衛(wèi)星遙感技術(shù)已成為探測(cè)海洋的重要手段。,14.4 海洋光學(xué)調(diào)查,14.4 海洋光學(xué)調(diào)查,14.4.1 名詞解釋（1）照度：照射到表面一點(diǎn)處的面元上的光通量除以該面元的面積。（2）表觀光學(xué)量：隨光照條件變化而變化的水體光學(xué)參數(shù)。（3）固有光學(xué)量：不隨光照條件變化而變化的水體光學(xué)參數(shù)。（4）輻照度：照射到表面一點(diǎn)處單位面積上的輻射通量。（5）輻亮度：?jiǎn)挝幻娣e單位立體角的

10、輻射通量。（6）一類水體：光學(xué)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(xué)特性由浮游植物、無(wú)機(jī)懸浮顆粒和溶解有機(jī)物質(zhì)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(zhǔn)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(guò)無(wú)限薄海水層的準(zhǔn)直光束，其輻射通量的相對(duì)減弱除以海水層的厚度。,14.4.2

11、標(biāo)準(zhǔn)層次和精度1、站位選擇：可根據(jù)專項(xiàng)調(diào)查需要和測(cè)量海區(qū)光學(xué)要素的水平變化梯度確定，一般的大面調(diào)查，近海區(qū)可相隔36km（20n mile），遠(yuǎn)海區(qū)可相隔110km（60n mile）。2、標(biāo)準(zhǔn)層次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)增加500m層，500m層以

12、上每隔500m再加一層。特殊要求另加。對(duì)于連續(xù)測(cè)量方式，根據(jù)需要另作要求。,14.4.3 海面照度測(cè)量方法1、儀器設(shè)備照度計(jì)、走航式海面輻照計(jì)2、觀測(cè)位置的要求（1）離海面高度在2m-20m范圍內(nèi)；（2）儀器進(jìn)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(shí)，應(yīng)便于觀測(cè)者操作。（4）儀器垂直加固，并具有姿態(tài)數(shù)據(jù)或采取姿態(tài)隨動(dòng)穩(wěn)定措施使儀器保持在5°以內(nèi)。

13、（5）操作人員應(yīng)穿著黑色衣服并遠(yuǎn)離儀器。,3、觀測(cè)環(huán)境的要求（1）下雨、下雪或濃霧天氣不進(jìn)行觀測(cè)。（2）每天觀測(cè)的開始時(shí)間不晚于太陽(yáng)升出水天線后1h，結(jié)束時(shí)間不早于太陽(yáng)沒入水天線前1h。4、走航式海面照度計(jì)自動(dòng)觀測(cè)要求（1）開機(jī)工作后，至少每5min記錄和存儲(chǔ)一組照度、時(shí)間和位置的數(shù)據(jù)。（2）通過(guò)調(diào)查船上的衛(wèi)星導(dǎo)航定位儀自動(dòng)取得實(shí)時(shí)定位信號(hào)。5、手持照度計(jì)的觀測(cè)要求（1）在甲板的空曠處手持光接收器測(cè)量，當(dāng)光接收器處于水平

14、時(shí)記錄讀數(shù)。（2）每小時(shí)測(cè)量一次，在整點(diǎn)前后10min內(nèi)進(jìn)行。若預(yù)定時(shí)間內(nèi)有雨、雪、濃霧、太陽(yáng)被浮云遮擋或其他原因而不能測(cè)量時(shí)，可以推遲進(jìn)行。推遲時(shí)間大于40min時(shí)取消該次測(cè)量。6、水面漂浮測(cè)量（浮標(biāo)或子母浮標(biāo)）儀器距離船舶應(yīng)在30m以上，同時(shí)儀器應(yīng)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(xué)特性、遙感反射率）,HyperSAS海面輻照系統(tǒng)提供高精度高光譜測(cè)量方法來(lái)測(cè)定離水輻亮度（water-lea

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

16、lantic傾斜和方向傳感器，為所獲得的光學(xué)數(shù)據(jù)提供精確定位，地理參考資料和準(zhǔn)確的時(shí)間標(biāo)注。可選配輻射高溫計(jì)（紅外溫度計(jì)），來(lái)測(cè)量陸地或海洋表面溫度。HyperSAS可沿著船舶的航跡對(duì)水色進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，也可安裝在海上觀察平臺(tái)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀察，或安裝在航空器上遙感觀測(cè)水色。該系統(tǒng)尺寸小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝。由由HyperSAS系統(tǒng)測(cè)量的離水輻亮度和反射系數(shù)可用于計(jì)算多種海洋要素，其中包括溶解態(tài)有機(jī)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(cè)指標(biāo)，所以可利用這些資料來(lái)估計(jì)浮游植物的豐度和初級(jí)海洋生產(chǎn)力，檢測(cè)赤潮等。HyperSAS數(shù)據(jù)還可用來(lái)校準(zhǔn)和驗(yàn)證衛(wèi)星水色觀測(cè)數(shù)據(jù)。如果在HyperSAS測(cè)量的同時(shí)采集表層水樣，綜合分析后可建立海表生物－光學(xué)模型。,海水的光學(xué)特性有兩種：表觀光學(xué)特性和固有光學(xué)特性。（1）表觀光學(xué)性質(zhì)由光場(chǎng)和水中的成分決定；固有光學(xué)性質(zhì)與光場(chǎng)無(wú)關(guān)，只與水中成分的分布及其光學(xué)特性有關(guān)。（2）表觀光學(xué)參數(shù)很容易由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(lái)；固有光學(xué)性質(zhì)很難在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，但是得到固有光學(xué)參數(shù)這后，很容易計(jì)算得到水體各組成成分的含量。海洋光學(xué)的一項(xiàng)任務(wù)就是由表觀光學(xué)特性導(dǎo)出固有光學(xué)特性，便于模擬水中的物理、生物以及化學(xué)條件。,14.4.4 表觀光學(xué)量觀測(cè)方法1、測(cè)量的量輻照度：包括大氣層外太陽(yáng)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(yáng)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(cè)量?jī)x器輻照度儀和輻亮度儀,14.4.5 固有光學(xué)量觀測(cè)方法1、測(cè)量的量光束衰減系數(shù)、光束透射率2、測(cè)量?jī)x器測(cè)定體積衰減系數(shù)的c儀(或準(zhǔn)直光透射率儀)、測(cè)定體積散射函數(shù)的β儀、測(cè)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(cè)量?jī)x器SLM-1海面照度計(jì)OMC-1光學(xué)多參數(shù)測(cè)量?jī)xTMD-Ⅲ多波段投射率儀SPMR剖面式多通道光學(xué)輻射計(jì)