郭宜君,林 松,張 宇*,李欽勝,俞曉牮,徐曉輝,孫海信,陳能汪

(1.廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門361005; 2.蛟龍(廈門)科技有限公司,福建廈門361005;3.廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院建筑學(xué)系,福建漳州363105;4.福建省海陸界面生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廈門大學(xué)),福建廈門361102)

河口溫流參數(shù)的聲學(xué)實(shí)時(shí)監(jiān)測研究

郭宜君1,林 松1,張 宇1*,李欽勝2,俞曉牮3,徐曉輝1,孫海信1,陳能汪4

(1.廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門361005; 2.蛟龍(廈門)科技有限公司,福建廈門361005;3.廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院建筑學(xué)系,福建漳州363105;4.福建省海陸界面生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廈門大學(xué)),福建廈門361102)

由于受人類活動、氣候變化等因素的疊加影響,河口生態(tài)系統(tǒng)面臨著日趨嚴(yán)重的干擾并呈現(xiàn)出脆弱性,因此,針對界面相關(guān)流域水文參數(shù)的高精度、實(shí)時(shí)監(jiān)測問題,提出了一種基于聲學(xué)手段的河口區(qū)域溫流的監(jiān)測方法,即高頻聲層析技術(shù).該技術(shù)通過反演流域兩側(cè)兩個(gè)聲站互易發(fā)射的高頻聲信號,可以獲得該流域高時(shí)間精度的流速、溫度、水位等水文信息,并進(jìn)行信息快速集成和發(fā)布.初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該聲學(xué)技術(shù)可以有效地實(shí)現(xiàn)對河口流域水文參數(shù)的實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測(包括極端天氣,如臺風(fēng)等),將有助于加深對海陸交界帶水動力過程的了解.

河口;高頻聲層析;流速

河口,即河流-近海河口灣區(qū)域,是人類海洋開發(fā)活動最為集中的區(qū)域.但是,由于人類活動、氣候變化等因素的疊加影響,河口流域的生態(tài)系統(tǒng)面臨著日趨嚴(yán)重的干擾并呈現(xiàn)出脆弱性.為了該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)對相關(guān)流域的水流運(yùn)動、溫度分布等水文參數(shù)的高精度、實(shí)時(shí)監(jiān)測就顯得愈發(fā)重要.

目前在對淺海河口區(qū)域的水流速監(jiān)測中主要采用單點(diǎn)入侵或原位式的觀測,如聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)和溫鹽深儀(CTD)等手段[1-2].此類原位式單點(diǎn)測量方法需要將觀測儀器放置于監(jiān)測目標(biāo)中,只能監(jiān)測探頭可探測范圍的流速,不能準(zhǔn)確反映出長距離海域的平均流量;且這些方法采用間歇性的走航式觀測,不能實(shí)時(shí)測量,所耗費(fèi)的人力物力成本較高;此外在某些環(huán)境復(fù)雜的河道,觀測過程受漁業(yè)及航運(yùn)的影響,實(shí)施起來極為困難.

聲層析技術(shù),是利用聲波穿透整個(gè)水體區(qū)域以獲得該區(qū)域的平均溫流數(shù)據(jù)(聲傳播過程受到所在流體狀態(tài)參數(shù)的影響[3-6],攜帶著傳播途徑上水體的信息),可以克服以上單點(diǎn)或原位式測量缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)高精度、實(shí)時(shí)的平均流域水文參數(shù)監(jiān)測.自Munk等[3]提出以來,利用聲學(xué)監(jiān)測方法快速獲得大面積水體(主要是海洋)的溫度、流速等參數(shù)受到了廣泛關(guān)注.1994年開展的北冰洋聲傳輸實(shí)驗(yàn)以及1995年進(jìn)行的海洋氣候聲學(xué)測溫實(shí)驗(yàn)證明了低頻聲層析技術(shù)對大尺度平均溫度、流速測量的有效性.

近年來,聲學(xué)層析技術(shù)在觀測海灣、近岸海區(qū)的溫度、流速分布獲得初步應(yīng)用[7-11].國內(nèi)也已經(jīng)將這一原理應(yīng)用于水文觀測,通過布放兩個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行觀測研究[12-13].然而,已有低頻聲層析測流系統(tǒng)在幾十千米到幾百千米的大尺度范圍內(nèi)可以達(dá)到所需精度,但在淺海河口小尺度區(qū)域測量時(shí)則有時(shí)間分辨率不足的問題,從而無法獲得準(zhǔn)確的流量測量結(jié)果.

本研究應(yīng)用高頻聲層析技術(shù)進(jìn)行海陸界面的水文參數(shù)監(jiān)測.高頻聲源的應(yīng)用可以保證在河口區(qū)域尺度下所獲得的平均水文參數(shù)(即流速和溫度)的精度;且該監(jiān)測平臺可實(shí)現(xiàn)對所獲得的水文數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理,并實(shí)現(xiàn)水文信息的快速集成和發(fā)布.初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該聲學(xué)技術(shù)可以有效地實(shí)現(xiàn)對河口流域水文參數(shù)的實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測(包括極端天氣,如臺風(fēng)等),有助于加深對海陸交界帶水動力過程的了解.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1高頻聲層析水文參數(shù)測量系統(tǒng)

高頻聲層析水文參數(shù)測量系統(tǒng)由GPS、計(jì)算機(jī)控制端、數(shù)據(jù)采集卡、功率放大板、帶通濾波器、換能器和前置放大器組成(如圖1).

在信號發(fā)射端,計(jì)算機(jī)控制端產(chǎn)生一個(gè)由偽隨機(jī)碼調(diào)制的寬頻載波信號,并用GPS模塊產(chǎn)生同步時(shí)間,控制計(jì)算機(jī)在所設(shè)定的時(shí)間發(fā)射信號.利用數(shù)據(jù)采集卡將載波信號進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,并用功放板放大模擬信號.放大后的電信號加載到中心頻率分布為40～80 k Hz換能器上,將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號發(fā)出.

在信號接收端,高頻接收換能器將所接收到的聲信號轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過濾波、放大,然后進(jìn)行解調(diào),采用相關(guān)檢測判斷信號傳輸時(shí)間.GPS模塊將不同站位進(jìn)行時(shí)間同步,控制計(jì)算機(jī)在所設(shè)定的時(shí)間接收信號.計(jì)算機(jī)控制端采用基于Lab VIEW編寫的用戶程序來控制測流裝置的接收過程,分析并存儲接收到的數(shù)據(jù),并由傳輸時(shí)間差計(jì)算出流速.

圖1　高頻聲層析水文參數(shù)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of high frequency acoustic tomography system

1.2實(shí)時(shí)水文數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

實(shí)時(shí)水文數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng).數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)由ZigBee無線傳感器模塊構(gòu)成,搭建自組織網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸;控制子系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用程序,其接收ZigBee無線傳感器模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù),并對該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理以及存儲,用戶可通過應(yīng)用程序發(fā)送特殊指令,經(jīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞給環(huán)境參數(shù)獲取子系統(tǒng).

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)由多個(gè)ZigBee(即基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議)無線模塊組成,其為一個(gè)無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(MESH).該網(wǎng)絡(luò)具有自動組網(wǎng)、自動路由以及自動路由修復(fù)的功能.ZigBee模塊分為3種功能模塊:與流量測量子系統(tǒng)相連的作為無線終端節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)將溫流獲取子系統(tǒng)監(jiān)測得到的溫度、流速、高度等參數(shù)向上傳遞,并向下傳遞接收到的指令.與控制子系統(tǒng)相連的作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),主要負(fù)責(zé)收集來自各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)通過串口接口傳遞給上位機(jī)應(yīng)用程序以及將應(yīng)用程序發(fā)送出來的指令向下傳遞;除此之外的ZigBee都作為路由設(shè)備,主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā).控制子系統(tǒng)為主要通過串口輸入輸出接口接收來自ZigBee模塊的數(shù)據(jù);除此之外還支持WiFi數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送,實(shí)現(xiàn)多接口輸入的功能.

1.3聲學(xué)流量測量設(shè)備安裝

聲學(xué)觀測站站位的搭建分為水上平臺部分和觀測室部分.如圖2所示,待測區(qū)域兩端布置聲站,其連線與水流流向呈50°夾角.對于水深緩變的區(qū)域,用鋼支架搭建水平懸空平臺,尺寸能夠允許在平臺作業(yè).平臺入水要足夠深,以保證支架在潮汐或水流作用下不會晃動.此外,支架要足夠深,使得寬頻換能器探頭由水面起下到一定深度,如1.5 m以下.水上平臺部分用于安裝寬頻換能器探頭和水位計(jì),主要由6根直徑0.07 m,長2 m的鋼管打入河底,垂直于岸邊,向外延伸3 m,寬度1.2 m,其平臺距離平均水位線0.35 m.寬頻換能器探頭入水,固定于其中一根鋼管,由螺絲鎖緊,維護(hù)過程中便于安裝和拆卸.

圖2　聲學(xué)層析設(shè)備安裝設(shè)計(jì)Fig.2 Design and installation of acoustic tomography instrument

聲站由一個(gè)獨(dú)立建筑構(gòu)成,選址要避免低洼地段,要求地勢平坦,地基結(jié)實(shí),以免水位過高引起短路.聲站可用于放置電腦、數(shù)據(jù)處理單元、網(wǎng)絡(luò)、視頻探頭等.觀測站的觀測室部分用于放置聲學(xué)設(shè)備,包括機(jī)箱、計(jì)算機(jī)、GPS、攝像機(jī)、繼電器等.觀測室的長、寬、高分別為2.4,2.4,2 m,墻體的厚度0.18 m,先由磚頭搭建而成,室內(nèi)的四面墻壁以及地板都用水泥粉刷.觀測室的北面墻設(shè)有寬1.2 m,高1.6 m的外開鐵門,觀測室的地基由石頭砌成,同樣用水泥粉刷,防止河水滲入地基發(fā)生塌陷.室內(nèi)配有交流電、無線網(wǎng)絡(luò)、無線攝像機(jī),便于遠(yuǎn)程控制聲學(xué)儀器的工作狀態(tài).

聲站與平臺的數(shù)據(jù)走線要保證安全,盡量做到暗線連接.聲站能夠提供直流、交流、太陽能等供電,并安裝網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)據(jù)通信.聲站建設(shè)前要請建筑專業(yè)人員對周圍地形進(jìn)行測繪,確保建筑施工質(zhì)量和電路及網(wǎng)絡(luò)布線合格.

2 實(shí)驗(yàn)原理

圖3　層析儀發(fā)射和接收信號Fig.3 Signal emission and reception of acoustic tomography instrument

聲波在水中傳播受到各種作用的影響,包括自身在傳播時(shí)的波陣面展寬、邊界時(shí)的反射、折射以及介質(zhì)中的衍射和吸收作用等,尤其是高頻聲波所產(chǎn)生的衰減更為明顯,最終所能接受到的信號較為微弱.因此需要對所傳輸?shù)穆暡ㄟM(jìn)行編碼,對其頻帶進(jìn)行展寬,使其在接收端能有較高的信噪比.在實(shí)驗(yàn)過程中,本高頻層析儀對信號進(jìn)行了偽隨機(jī)編碼,用63位、6階的M序列對頻率為60 k Hz的正弦波進(jìn)行編碼,編碼后的信號如圖3(a)所示,其頻帶為40～60 k Hz,編碼后的信號經(jīng)過層析儀以每10 s的間隔發(fā)射,發(fā)射的信號為脈沖形式,脈沖寬度為2.1 ms,如圖3(b).聲信號在水中的傳播過程十分復(fù)雜,水面和水底以及水中的目標(biāo)都會對聲波產(chǎn)生反射、散射、衍射以及吸收等作用.本實(shí)驗(yàn)所發(fā)射的信號經(jīng)過這些作用以及多途的疊加,在接收端接收到的信號不會像發(fā)射時(shí)一樣平整,而是攜帶著多種水文參數(shù)信息,會出現(xiàn)如圖3(c)所示的結(jié)果.而聲層析測流原理對聲傳輸定時(shí)精度要求較高,根據(jù)所接收的原始信號進(jìn)行傳播時(shí)間的判斷誤差較大,多途以及噪聲等對結(jié)果都會產(chǎn)生較大的影響.所以將原始信號進(jìn)行相關(guān)處理,可以抑制無關(guān)的干擾,得到一個(gè)尖銳的相關(guān)峰,如圖3(d),根據(jù)相關(guān)峰大小及位置可以確定傳輸時(shí)間以及多途信息.圖中結(jié)果表明該測量系統(tǒng)的信噪比高,可以有效減小周圍噪聲對測量精度的影響.

在某一深度的水平流速用u表示,c0為平均聲速,站點(diǎn)間直線距離為L,夾角θ,聲線在互易傳輸過程中正向傳輸時(shí)間為T+,負(fù)向傳輸時(shí)間為T-,則流速反演公式為

再利用聲速與溫度的關(guān)系可求出平均溫度,采用Del Grosso聲速公式[14]

其中,c000為參考聲速,ΔcT、ΔcS、ΔcP分別代表聲速受溫度、鹽度、壓力的影響,ΔcSTP為溫度、鹽度、壓力對聲速的聯(lián)合作用,小區(qū)域內(nèi)一定深度的層析剖面的壓強(qiáng)近似相等,則式(2)中與溫度無關(guān)的其他項(xiàng)為常數(shù).由式(1)～(2)便可算出流速和溫度.

實(shí)驗(yàn)過程中,流速的觀測誤差受時(shí)間精度、采樣率和信號頻率的影響,時(shí)間精度取決于GPS授時(shí)精度,信號傳播時(shí)間通過兩個(gè)觀測站的收發(fā)信號進(jìn)行判斷,而這一過程需要進(jìn)行同步授時(shí),授時(shí)的誤差直接影響傳播時(shí)間的計(jì)算結(jié)果,本實(shí)驗(yàn)所用GPS授時(shí)精度為20 ns,其對結(jié)果的影響可以忽略.實(shí)驗(yàn)過程中,數(shù)據(jù)采集卡的采樣率為360 k Hz/s,每個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間為2.78μs,其換算為流速的誤差為0.01 m/s.信號的頻率越高,將收到的信號做相關(guān)分析后得到的相關(guān)峰越尖銳,對峰值位置的判斷越精確,測量結(jié)果的分辨率越高.

3 結(jié)果與討論

于2015年9月在九龍江的北溪下游江東庫區(qū)(廈門市和漳州市的飲用水源)開展高頻聲波的溫流觀測實(shí)驗(yàn).江東水庫寬度約200 m,平均水深8 m,設(shè)置兩個(gè)觀測站點(diǎn),即西側(cè)站站位1(24.524 6°N, 117.783 8°E)和東側(cè)站站位2(24.521 7°N, 117.786 1°E),站位間距離為395 m,如圖2所示.

臺風(fēng)于2015年9月28日夜間到達(dá)臺灣海峽東部,經(jīng)過臺灣海峽于福建中部海岸登陸,福建九龍江流域開始出現(xiàn)明顯降雨,雨勢隨著臺風(fēng)位置的臨近而增強(qiáng),在次日上午9時(shí)左右于莆田登陸.此過程中,各河流流域的水位及流速出現(xiàn)明顯變化.通過聲學(xué)手段測得其流速以及溫度的變化.利用聲學(xué)手段對北溪進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測,在整個(gè)臺風(fēng)期間,河流的動態(tài)變化顯著,和臺風(fēng)的過境過程有較高的一致性.在監(jiān)測過程中,由于系統(tǒng)不穩(wěn)定,沒有獲得一段連續(xù)時(shí)間的完整信號,所以只給出信噪比較好的某一時(shí)刻信號.圖4顯示了29日臺風(fēng)靠近北溪時(shí)間段的流速、水位變化數(shù)據(jù),為便于分析,其水位的參考標(biāo)準(zhǔn)以岸邊基站以下0.5 m為基準(zhǔn)點(diǎn).觀測到北溪的水位于當(dāng)日凌晨起,從日常平均0.3 m開始上漲,漲幅高達(dá)0.15 m,并且流速也出現(xiàn)相應(yīng)變化,由日常均值迅速增大,最大可達(dá)0.4 m/s.

圖4 流速和水位(2015-09-29)Fig.4 Flow and water level(Sep.29,2015)

圖5為高頻聲層析水文系統(tǒng)所測得的溫度和現(xiàn)場水溫計(jì)的溫度進(jìn)行對比,所測得的溫度在臺風(fēng)期間較為穩(wěn)定,呈現(xiàn)略微下降的變化,兩者所測量溫度趨勢一致,數(shù)據(jù)存在1℃左右的偏差,該偏差來源于兩種測量方法的位置不同以及系統(tǒng)誤差(信號收發(fā)、定位以及計(jì)算機(jī)處理過程中延時(shí)的疊加等).溫度計(jì)測量近岸溫度,而聲層析則測量聲波穿透整個(gè)水體的平均溫度,因而會低于溫度計(jì)測量值.每小時(shí)的平均偏差可以看出結(jié)果穩(wěn)定,9組偏差的均方差僅為0.001 6℃.

將兩個(gè)站位所測得的數(shù)據(jù)通過無線傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸至實(shí)驗(yàn)室,由服務(wù)器根據(jù)聲線傳輸時(shí)間的不同對流速和溫度進(jìn)行反演,并在流速的基礎(chǔ)上導(dǎo)入實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù).最終將溫度、水位、流速等數(shù)據(jù)傳輸至由MATLAB編寫的圖形用戶界面并實(shí)時(shí)顯示和更新.

圖5　層析溫度與水溫計(jì)測定結(jié)果對比(2015-09-29)Fig.5 Comparison temperatures between acoustic tomography system and water thermometer(Sep.29,2015)

4 結(jié) 論

本文中研究了海陸界面的在線流速聲層析技術(shù),以獲取該區(qū)域河流斷面的高時(shí)間分辨率的平均流量,并在極端天氣下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),觀測到北溪的流速在臺風(fēng)登陸初期的動態(tài)變化過程.由于聲學(xué)傳感器在水平方向上無指向性,因此設(shè)備安裝簡單,施工難度小,且所耗費(fèi)的人力物力成本低,無需架設(shè)浮標(biāo)且不阻礙航道,可以有效地克服現(xiàn)有傳統(tǒng)的單點(diǎn)入侵或原位式測量的缺點(diǎn).而高頻聲源的應(yīng)用可以保證在河口區(qū)域尺度下所獲得的平均水文參數(shù)(即流速和溫度)的精度.所構(gòu)建實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)的信噪比高,可以有效地減小噪聲和波形畸變對測量精度的影響.現(xiàn)場初步實(shí)驗(yàn)表明,該聲學(xué)技術(shù)測量的流速數(shù)據(jù)能夠較好地監(jiān)測到洪峰等極端天氣事件導(dǎo)致的流速變化過程,由于環(huán)境條件限制,本實(shí)驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)并未與其他測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,其結(jié)果存在一定的不確定性,在后續(xù)的研究中,會加入其他設(shè)備的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比.但本儀器對流速變化趨勢能夠較好地反映出來,具備實(shí)現(xiàn)對海陸界面流域水文參數(shù)的實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測的能力,具有一定的應(yīng)用前景.

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Acoustic Study on Real-time Monitoring of Hydrologic Parameters in Estuaries

GUO Yijun1,LIN Song1,ZHANG Yu1*,LI Qinsheng2, YU Xiaojian3,XU Xiaohui1,SUN Haixin1,CHEN Nengwang4

(1.Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,Ministry of Education, Xiamen University,Xiamen 361102,China;2.Jiao Long(Xiamen)Technology Corporation Limited,Xiamen 361005,China; 3.Department of Architecture,Xiamen University Tan Kah Kee College,Zhangzhou 363105,China;4.Fujian Provincial Key Laboratory for Coastal Ecology and Environmental Studies,Xiamen University,Xiamen 361102,China)

The ecosystems in coastal areas are sensitive to human activity and climate change.Real-time observations are essential to understand the effects of climate and human perturbation on the environment and ecosystem function.Based on high frequency acoustic tomography,this study presents a sound technique to monitor coastal surfaces.This technique could obtain information of flow, temperature and water level with high temporal resolution by calculating reciprocal sound transmission time.The preliminary experimental results show that this technique could effectively monitor hydrological parameters of coastal ecosystems under extreme weather conditions.This could contribute to a better understanding of hydrodynamic forces.

estuary;high frequency acoustic tomography;flow rate

P 715.7

A

0438-0479(2016)06-0876-05

10.6043/j.issn.0438-0479.201604109

2016-04-21 錄用日期:2016-07-12

廈門市南方海洋研究中心項(xiàng)目(14GST68NF32)

yuzhang@xmu.edu.cn

郭宜君,林松,張宇,等.河口溫流參數(shù)的聲學(xué)實(shí)時(shí)監(jiān)測研究[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,55(6):876-880.

GUO Y J,LIN S,ZHANG Y,et al.Acoustic study on real-time monitoring of hydrologic parameters in estuaries[J]. Journal of Xiamen University(Natural Science),2016,55(6):876-880.(in Chinese)