[发明专利]一种基于泄漏模态声波导特性的海冰厚度观测方法

说明书

本发明提供一种基于泄漏模态声波导特性的海冰厚度观测方法，通过推导冰水耦合状态下浮冰波导的频散方程，并基于复数空间峰值自搜索算法实现冰水耦合模型的逐一模态求解，获得对冰厚最为敏感的QS模态在全频段的频散曲线，规避传统求解算法全局搜根工作量大的弊端，将实测冰声信号中提取出的QS模态频散曲线与理论曲线对比即可确定海冰厚度，进而实现可持续、准确、易操作的海冰厚度测量。本发明可为其他极地海冰研究提供基础支撑，及时为极地航行、极地资源开发、冰下救援等作业任务提供必要信息。

技术领域

本发明涉及一种基于冰层波导泄漏模态的海冰厚度观测方法，属于结构探测和极地声学技术领域。

背景技术

作为北极自然环境中最重要的组成部分，极地海冰是影响全球气候变化的重要因子，时刻作用于全球热平衡、温盐动态平衡、海洋水循环和大气环流。然而，源自于其多变的形成机理，北极海冰内部结构高度复杂：如冰内融洞、冰面融湖及冰面起伏等。现有卫星观测手段虽然能够较为精确的监测海冰覆盖面积及其变化，对于冰厚(特别是薄冰冰厚)的监测精度却十分有限，其他现有冰厚测量方法也都存在各自的局限性。这使冰厚这一重要的北极海冰参数成为了最难测量的地球物理参数之一。

常见的海冰厚度测量方法通常分为直接法和间接法。

直接法指冰面接触式测量，如钻孔测量方法，是传统冰区测厚常用方法。但由于海冰厚度的空间非均匀特征，单一海冰样本缺乏代表性。为了获得有效的区域性海冰厚度信息，需要在多个位置进行钻孔取样，其操作费时且危险性高。此外，回波式超声测冰厚方法是利用超声波在冰层内往返一次所经过的时间来测量其厚度。一方面，该方法同样为定点测量，为获得区域性冰厚信息须进行多次移位测量，费时费力；另一方面，该方法需使用数百kHz的高频声波以保证测量精度，而高频声波衰减快且易受冰层复杂结构影响，故难以实现对厚冰的测量且稳定性较差。

间接法指不接触冰面即可观测冰厚。近年来，为得到更全面的海冰厚度信息，多种间接探测方法得以发展，但均存在一定局限性：仰视声呐探测方法很难测得特性区域时空连续的厚度变化信息且探测精度有限；走航观测方法的观测范围受破冰船破冰能力所限，对海冰厚度的空间分布估测值通常偏低；基于电磁波方法的海冰厚度探测技术对被湿雪覆盖的冰层以及融冰区的海冰厚度测量精度不足；微波遥感探测方法、卫星测高方法的优势在于可实现水平大尺度海冰厚度评估，但观测较薄的冰层时精度不足。

鉴于上述海冰厚度测量方法现状，发明一种可持续、准确、易操作的海冰厚度观测方法十分必要。声学方法作为重要的结构检测方法在极地开发过程中潜力巨大，极地海冰板状宏观构型导致其内部声能量在声波导影响下具有典型的频散和多模态传播特征。而该频散特性是海冰材料及结构特征的直接表现，其中泄漏模态导波在低频段频散现象明显且对海冰厚度呈现高敏感度，具有突出的海冰厚度观测潜力。

发明内容

本发明的目的是为了实现可持续、准确、易操作的海冰厚度测量，现提供一种基于泄漏模态声波导特性的海冰厚度观测方法。

本发明的目的是这样实现的：一种基于冰层波导泄漏模态的海冰厚度观测方法，其基本原理为针对极地海冰建立泄漏模态声波导理论模型，并基于复数空间峰值自搜索算法实现对泄漏模态(下文简称QS模态)频散曲线的求解，将QS模态的声传播速度与频率建立映射关系，将实测冰声信号中提取出的QS模态频散曲线与理论曲线对比以确定海冰厚度。

步骤1：根据极地野外作业环境参数(大气温度、海冰冰龄等)评估海冰声参数并建立海冰声学模型；

步骤2：基于上述极地海冰声学模型，结合弹性介质内动力学理论与冰水交界处流-固耦合边界条件建立对应泄漏模态声波导理论模型；

步骤3：基于复数空间峰值自搜索算法求解浮冰波导模型，获得QS模态的低频段频散曲线；

步骤4：对比实测冰声信号中提取出的QS模态频散曲线和理论曲线，基于其相似度完成对海冰厚度的评估。