河口温流参数的声学实时监测研究

郭宜君,林 松,张 宇*,李钦胜,俞晓牮,徐晓辉,孙海信,陈能汪

(1.厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建厦门361005; 2.蛟龙(厦门)科技有限公司,福建厦门361005;3.厦门大学嘉庚学院建筑学系,福建漳州363105;4.福建省海陆界面生态环境重点实验室(厦门大学),福建厦门361102)

河口温流参数的声学实时监测研究

郭宜君1,林 松1,张 宇1*,李钦胜2,俞晓牮3,徐晓辉1,孙海信1,陈能汪4

(1.厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建厦门361005; 2.蛟龙(厦门)科技有限公司,福建厦门361005;3.厦门大学嘉庚学院建筑学系,福建漳州363105;4.福建省海陆界面生态环境重点实验室(厦门大学),福建厦门361102)

由于受人类活动、气候变化等因素的叠加影响,河口生态系统面临着日趋严重的干扰并呈现出脆弱性,因此,针对界面相关流域水文参数的高精度、实时监测问题,提出了一种基于声学手段的河口区域温流的监测方法,即高频声层析技术.该技术通过反演流域两侧两个声站互易发射的高频声信号,可以获得该流域高时间精度的流速、温度、水位等水文信息,并进行信息快速集成和发布.初步实验结果表明,该声学技术可以有效地实现对河口流域水文参数的实时动态监测(包括极端天气,如台风等),将有助于加深对海陆交界带水动力过程的了解.

河口;高频声层析;流速

河口,即河流-近海河口湾区域,是人类海洋开发活动最为集中的区域.但是,由于人类活动、气候变化等因素的叠加影响,河口流域的生态系统面临着日趋严重的干扰并呈现出脆弱性.为了该区域的可持续发展,实现对相关流域的水流运动、温度分布等水文参数的高精度、实时监测就显得愈发重要.

目前在对浅海河口区域的水流速监测中主要采用单点入侵或原位式的观测,如声学多普勒流速剖面仪(ADCP)和温盐深仪(CTD)等手段[1-2].此类原位式单点测量方法需要将观测仪器放置于监测目标中,只能监测探头可探测范围的流速,不能准确反映出长距离海域的平均流量;且这些方法采用间歇性的走航式观测,不能实时测量,所耗费的人力物力成本较高;此外在某些环境复杂的河道,观测过程受渔业及航运的影响,实施起来极为困难.

声层析技术,是利用声波穿透整个水体区域以获得该区域的平均温流数据(声传播过程受到所在流体状态参数的影响[3-6],携带着传播途径上水体的信息),可以克服以上单点或原位式测量缺点,实现高精度、实时的平均流域水文参数监测.自Munk等[3]提出以来,利用声学监测方法快速获得大面积水体(主要是海洋)的温度、流速等参数受到了广泛关注.1994年开展的北冰洋声传输实验以及1995年进行的海洋气候声学测温实验证明了低频声层析技术对大尺度平均温度、流速测量的有效性.

近年来,声学层析技术在观测海湾、近岸海区的温度、流速分布获得初步应用[7-11].国内也已经将这一原理应用于水文观测,通过布放两个站点进行观测研究[12-13].然而,已有低频声层析测流系统在几十千米到几百千米的大尺度范围内可以达到所需精度,但在浅海河口小尺度区域测量时则有时间分辨率不足的问题,从而无法获得准确的流量测量结果.

本研究应用高频声层析技术进行海陆界面的水文参数监测.高频声源的应用可以保证在河口区域尺度下所获得的平均水文参数(即流速和温度)的精度;且该监测平台可实现对所获得的水文数据实时处理,并实现水文信息的快速集成和发布.初步实验结果表明该声学技术可以有效地实现对河口流域水文参数的实时动态监测(包括极端天气,如台风等),有助于加深对海陆交界带水动力过程的了解.

1 实验系统设计

1.1高频声层析水文参数测量系统

高频声层析水文参数测量系统由GPS、计算机控制端、数据采集卡、功率放大板、带通滤波器、换能器和前置放大器组成(如图1).

在信号发射端,计算机控制端产生一个由伪随机码调制的宽频载波信号,并用GPS模块产生同步时间,控制计算机在所设定的时间发射信号.利用数据采集卡将载波信号进行D/A转换,并用功放板放大模拟信号.放大后的电信号加载到中心频率分布为40～80 k Hz换能器上,将电信号转换为声信号发出.

在信号接收端,高频接收换能器将所接收到的声信号转换为电信号,经过滤波、放大,然后进行解调,采用相关检测判断信号传输时间.GPS模块将不同站位进行时间同步,控制计算机在所设定的时间接收信号.计算机控制端采用基于Lab VIEW编写的用户程序来控制测流装置的接收过程,分析并存储接收到的数据,并由传输时间差计算出流速.

图1　高频声层析水文参数测量系统结构Fig.1 Structure of high frequency acoustic tomography system

1.2实时水文数据传输系统

实时水文数据传输系统包括数据传输子系统和控制子系统.数据传输子系统由ZigBee无线传感器模块构成,搭建自组织网络,实现数据的传输;控制子系统为计算机上运行的应用程序,其接收ZigBee无线传感器模块发送过来的数据,并对该数据进行分析、处理以及存储,用户可通过应用程序发送特殊指令,经无线传感器网络传递给环境参数获取子系统.

数据传输子系统由多个ZigBee(即基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议)无线模块组成,其为一个无线网格网络(MESH).该网络具有自动组网、自动路由以及自动路由修复的功能.ZigBee模块分为3种功能模块:与流量测量子系统相连的作为无线终端节点,负责将温流获取子系统监测得到的温度、流速、高度等参数向上传递,并向下传递接收到的指令.与控制子系统相连的作为协调器节点,主要负责收集来自各个终端节点的无线数据,并将数据通过串口接口传递给上位机应用程序以及将应用程序发送出来的指令向下传递;除此之外的ZigBee都作为路由设备,主要负责对数据的接收和转发.控制子系统为主要通过串口输入输出接口接收来自ZigBee模块的数据;除此之外还支持WiFi数据的接收与发送,实现多接口输入的功能.

1.3声学流量测量设备安装

声学观测站站位的搭建分为水上平台部分和观测室部分.如图2所示,待测区域两端布置声站,其连线与水流流向呈50°夹角.对于水深缓变的区域,用钢支架搭建水平悬空平台,尺寸能够允许在平台作业.平台入水要足够深,以保证支架在潮汐或水流作用下不会晃动.此外,支架要足够深,使得宽频换能器探头由水面起下到一定深度,如1.5 m以下.水上平台部分用于安装宽频换能器探头和水位计,主要由6根直径0.07 m,长2 m的钢管打入河底,垂直于岸边,向外延伸3 m,宽度1.2 m,其平台距离平均水位线0.35 m.宽频换能器探头入水,固定于其中一根钢管,由螺丝锁紧,维护过程中便于安装和拆卸.

图2　声学层析设备安装设计Fig.2 Design and installation of acoustic tomography instrument

声站由一个独立建筑构成,选址要避免低洼地段,要求地势平坦,地基结实,以免水位过高引起短路.声站可用于放置电脑、数据处理单元、网络、视频探头等.观测站的观测室部分用于放置声学设备,包括机箱、计算机、GPS、摄像机、继电器等.观测室的长、宽、高分别为2.4,2.4,2 m,墙体的厚度0.18 m,先由砖头搭建而成,室内的四面墙壁以及地板都用水泥粉刷.观测室的北面墙设有宽1.2 m,高1.6 m的外开铁门,观测室的地基由石头砌成,同样用水泥粉刷,防止河水渗入地基发生塌陷.室内配有交流电、无线网络、无线摄像机,便于远程控制声学仪器的工作状态.

声站与平台的数据走线要保证安全,尽量做到暗线连接.声站能够提供直流、交流、太阳能等供电,并安装网络用于数据通信.声站建设前要请建筑专业人员对周围地形进行测绘,确保建筑施工质量和电路及网络布线合格.

2 实验原理

图3　层析仪发射和接收信号Fig.3 Signal emission and reception of acoustic tomography instrument

声波在水中传播受到各种作用的影响,包括自身在传播时的波阵面展宽、边界时的反射、折射以及介质中的衍射和吸收作用等,尤其是高频声波所产生的衰减更为明显,最终所能接受到的信号较为微弱.因此需要对所传输的声波进行编码,对其频带进行展宽,使其在接收端能有较高的信噪比.在实验过程中,本高频层析仪对信号进行了伪随机编码,用63位、6阶的M序列对频率为60 k Hz的正弦波进行编码,编码后的信号如图3(a)所示,其频带为40～60 k Hz,编码后的信号经过层析仪以每10 s的间隔发射,发射的信号为脉冲形式,脉冲宽度为2.1 ms,如图3(b).声信号在水中的传播过程十分复杂,水面和水底以及水中的目标都会对声波产生反射、散射、衍射以及吸收等作用.本实验所发射的信号经过这些作用以及多途的叠加,在接收端接收到的信号不会像发射时一样平整,而是携带着多种水文参数信息,会出现如图3(c)所示的结果.而声层析测流原理对声传输定时精度要求较高,根据所接收的原始信号进行传播时间的判断误差较大,多途以及噪声等对结果都会产生较大的影响.所以将原始信号进行相关处理,可以抑制无关的干扰,得到一个尖锐的相关峰,如图3(d),根据相关峰大小及位置可以确定传输时间以及多途信息.图中结果表明该测量系统的信噪比高,可以有效减小周围噪声对测量精度的影响.

在某一深度的水平流速用u表示,c0为平均声速,站点间直线距离为L,夹角θ,声线在互易传输过程中正向传输时间为T+,负向传输时间为T-,则流速反演公式为

再利用声速与温度的关系可求出平均温度,采用Del Grosso声速公式[14]

其中,c000为参考声速,ΔcT、ΔcS、ΔcP分别代表声速受温度、盐度、压力的影响,ΔcSTP为温度、盐度、压力对声速的联合作用,小区域内一定深度的层析剖面的压强近似相等,则式(2)中与温度无关的其他项为常数.由式(1)～(2)便可算出流速和温度.

实验过程中,流速的观测误差受时间精度、采样率和信号频率的影响,时间精度取决于GPS授时精度,信号传播时间通过两个观测站的收发信号进行判断,而这一过程需要进行同步授时,授时的误差直接影响传播时间的计算结果,本实验所用GPS授时精度为20 ns,其对结果的影响可以忽略.实验过程中,数据采集卡的采样率为360 k Hz/s,每个采样点的时间为2.78μs,其换算为流速的误差为0.01 m/s.信号的频率越高,将收到的信号做相关分析后得到的相关峰越尖锐,对峰值位置的判断越精确,测量结果的分辨率越高.

3 结果与讨论

于2015年9月在九龙江的北溪下游江东库区(厦门市和漳州市的饮用水源)开展高频声波的温流观测实验.江东水库宽度约200 m,平均水深8 m,设置两个观测站点,即西侧站站位1(24.524 6°N, 117.783 8°E)和东侧站站位2(24.521 7°N, 117.786 1°E),站位间距离为395 m,如图2所示.

台风于2015年9月28日夜间到达台湾海峡东部,经过台湾海峡于福建中部海岸登陆,福建九龙江流域开始出现明显降雨,雨势随着台风位置的临近而增强,在次日上午9时左右于莆田登陆.此过程中,各河流流域的水位及流速出现明显变化.通过声学手段测得其流速以及温度的变化.利用声学手段对北溪进行实时观测,在整个台风期间,河流的动态变化显著,和台风的过境过程有较高的一致性.在监测过程中,由于系统不稳定,没有获得一段连续时间的完整信号,所以只给出信噪比较好的某一时刻信号.图4显示了29日台风靠近北溪时间段的流速、水位变化数据,为便于分析,其水位的参考标准以岸边基站以下0.5 m为基准点.观测到北溪的水位于当日凌晨起,从日常平均0.3 m开始上涨,涨幅高达0.15 m,并且流速也出现相应变化,由日常均值迅速增大,最大可达0.4 m/s.

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

图5为高频声层析水文系统所测得的温度和现场水温计的温度进行对比,所测得的温度在台风期间较为稳定,呈现略微下降的变化,两者所测量温度趋势一致,数据存在1℃左右的偏差,该偏差来源于两种测量方法的位置不同以及系统误差(信号收发、定位以及计算机处理过程中延时的叠加等).温度计测量近岸温度,而声层析则测量声波穿透整个水体的平均温度,因而会低于温度计测量值.每小时的平均偏差可以看出结果稳定,9组偏差的均方差仅为0.001 6℃.

将两个站位所测得的数据通过无线传输系统实时传输至实验室,由服务器根据声线传输时间的不同对流速和温度进行反演,并在流速的基础上导入实时水位数据.最终将温度、水位、流速等数据传输至由MATLAB编写的图形用户界面并实时显示和更新.

图5　层析温度与水温计测定结果对比(2015-09-29)Fig.5 Comparison temperatures between acoustic tomography system and water thermometer(Sep.29,2015)

4 结 论

本文中研究了海陆界面的在线流速声层析技术,以获取该区域河流断面的高时间分辨率的平均流量,并在极端天气下进行了实验,观测到北溪的流速在台风登陆初期的动态变化过程.由于声学传感器在水平方向上无指向性,因此设备安装简单,施工难度小,且所耗费的人力物力成本低,无需架设浮标且不阻碍航道,可以有效地克服现有传统的单点入侵或原位式测量的缺点.而高频声源的应用可以保证在河口区域尺度下所获得的平均水文参数(即流速和温度)的精度.所构建实验测量系统的信噪比高,可以有效地减小噪声和波形畸变对测量精度的影响.现场初步实验表明,该声学技术测量的流速数据能够较好地监测到洪峰等极端天气事件导致的流速变化过程,由于环境条件限制,本实验所测得的数据并未与其他测量数据进行比较,其结果存在一定的不确定性,在后续的研究中,会加入其他设备的测量数据进行对比.但本仪器对流速变化趋势能够较好地反映出来,具备实现对海陆界面流域水文参数的实时动态监测的能力,具有一定的应用前景.

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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 录用日期:2016-07-12

厦门市南方海洋研究中心项目(14GST68NF32)

yuzhang@xmu.edu.cn

郭宜君,林松,张宇,等.河口温流参数的声学实时监测研究[J].厦门大学学报(自然科学版),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)