[發(fā)明專利]一種基于泄漏模態(tài)聲波導(dǎo)特性的海冰厚度觀測方法

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• 申請日: 2021-09-07
• 公開（公告）號: CN113686964A
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張宇翔;馬丁一;殷敬偉;謝志南;生雪莉;高家輝
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: G01N29/07
• 分類號: G01N29/07;G01N29/12;G01N29/44;G01B17/02
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1.一種基于泄漏模態(tài)聲波導(dǎo)特性的海冰厚度觀測方法，其特征在于：步驟如下：

步驟一：根據(jù)極地野外作業(yè)環(huán)境參數(shù)評估海冰聲參數(shù)并建立海冰聲學(xué)模型；

步驟二：基于上述極地海冰聲學(xué)模型，結(jié)合彈性介質(zhì)內(nèi)動力學(xué)理論與冰水交界處流-固耦合邊界條件建立對應(yīng)泄漏模態(tài)聲波導(dǎo)理論模型；

步驟三：基于復(fù)數(shù)空間峰值自搜索算法求解浮冰波導(dǎo)模型，獲得QS模態(tài)的低頻段頻散曲線；

步驟四：對比實(shí)測冰聲信號中提取出的QS模態(tài)頻散曲線和理論曲線，基于其相似度完成對海冰厚度的評估。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于泄漏模態(tài)聲波導(dǎo)特性的海冰厚度觀測方法，其特征在于：步驟二具體為：浮冰波導(dǎo)頻散方程如下：

其中，

式中，ρ₁、c_l、c_t分別為海冰的密度、縱波波速、橫波波速，h為海冰厚度，ρ₂、c分別為海水的密度、縱波波速，k為行波波數(shù)，p、q、r均為與波速和波數(shù)相關(guān)的系數(shù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于泄漏模態(tài)聲波導(dǎo)特性的海冰厚度觀測方法，其特征在于：步驟三具體包括：

(1)確定QS模態(tài)的初始根：固定頻率f₁＝f_max后，在該頻率QS模態(tài)對應(yīng)波數(shù)值附近的二維波數(shù)復(fù)空間內(nèi)確定零點(diǎn)；引入足夠小的步長Δ，按照實(shí)部、虛部坐標(biāo)軸將平面劃分為若干網(wǎng)格，尋找特征函數(shù)絕對值的峰值點(diǎn)；為進(jìn)一步提高零點(diǎn)準(zhǔn)確度，在峰值點(diǎn)附近用新步長Δ'＝Δ/100尋找精確零點(diǎn)，作為第一個初始根；固定頻率f₂＝f_max-Δ，重復(fù)上述過程，得到第二個初始復(fù)數(shù)根；

(2)確定QS模態(tài)的第三個根：固定頻率為f₃＝f₂-Δ，由于微小間距內(nèi)，該模態(tài)上的第三個點(diǎn)總將在前兩個點(diǎn)的連線附近；記錄前兩個初始根為當(dāng)前點(diǎn)，并計算它們連線斜率的方向；作為當(dāng)前偏移角；以第2個點(diǎn)為圓心，兩點(diǎn)間的微小間距為半徑做圓弧，在連線與圓弧交界處，周圍15°范圍內(nèi)尋找實(shí)根，將此30°弧度分為間隔盡可能小的若干點(diǎn)，搜索特征函數(shù)絕對值的峰值點(diǎn)，若此范圍內(nèi)得到多個峰值，則優(yōu)先選取距離第二個根最近的點(diǎn)為第三個根；

(3)外推QS模態(tài)的其他根：按照上述步長更新固定頻率，第四、五個波數(shù)峰值點(diǎn)的實(shí)部或虛部由前序所有根的曲線擬合得到；從第六個根開始，峰值點(diǎn)實(shí)部或虛部由前序五個根的曲線擬合得到，與第(2)步相似，若此范圍內(nèi)得到多個峰值，則優(yōu)先選取距離前一個根最近的點(diǎn)為當(dāng)前根；以此類推，直至頻率迭代到0，計算出該階模態(tài)的所有根。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于泄漏模態(tài)聲波導(dǎo)特性的海冰厚度觀測方法，其特征在于：步驟四具體為：將冰聲信號接收設(shè)備安置于冰面，基于主動源信號或被動源信號提取頻散曲線，與不同厚度浮冰波導(dǎo)QS模態(tài)波數(shù)-頻率理論頻散曲線對照，匹配度最高的曲線對應(yīng)厚度即為當(dāng)前實(shí)際冰厚。