基于多波束测深仪和走航式A...P的西太平洋声学散射层研究_张超.pdf

分类号密级 编号学位论文基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层研究张超指导教师吕连港副研究员申请学位级别硕士学科专业名称物理海洋论文提交日期年月论女答辩曰期年月学位授予单位国家沲洋局第一海洋研究所国家海洋局第一海洋研究所二一七年六月分类号密级 编号学位论文基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层研究张超指导教师吕连港副研究员申请学位级别硕士举科专业名称物理海洋论文提交曰期年月论立答辩曰期年月学位授予单位国家海洋局第一海洋研究所国家海洋局第一海洋研究所二一七年六月基于多波束测深仪和走航式的西太 平洋声学散射层研究学位论文完成日期少，“指导教师签字；答辩委员会成员签字：原创性声明本人郑重 声明：所 呈交的学位论文，是 本人在导师的指导，独立进行研究工作取得 的成果。除 文屮 己经注明引用 的内密外，本论文不含任 何 其他个人或集体己经发表 或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本 人 承担。论 文作者签名：日期：冰年月日学位 论文使用授权说明本 人完全解国家海洋局第？海洋研所关 收集、保存、使用学位论文的规定，即：按 照本所要求提交学位论文的印刷本和电子版本；研究所有权保 存学位论文 的印刷本 和电子版，并提供网录检 索与阅览服务：研究所可以采用影印、缩卬、数字化或其它复刺甲段保存论文；研宄所同时 授权中国科学技术信息研宂所将本 学位论文收 录到中 国学位论 文 全文数据库，并 通 过网络向社会 公众提供信 息服务；同时授权清华大 学“中 国学术期刊（光盘版）电子 杂志仕”编入屮 国优秀硕士学位论文 全 文数据 库和：！中 知识资源总库进彳电子与网络出版。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名：导师签名：丨期：鉍丫年多月日国家海洋局第一海洋研究所硕士学位毕业论文不涉密承诺书本人（专业耳、学号丨斗今），承诺本人硕士学位毕业论文：我翁疲敌叫辦知签辦辦蠢广文，不涉及国家、军事、商业秘密（包括内部资料及非公开发表物等）。如有问题，责任自负。承诺人（签字）：导师（签字）：？年月？日摘要摘要西太平洋的声散射层研宄逐渐成为近几年的研宄热点之一。本文分别利用两个航次的船载回声强度数据和多波束测深仪水体影像数据包中的回声强度数据，对西太平洋散射层的散射强度和分布进行了重点研究，论文主要包括以下三个方面的内容：（）观测到西太平洋存在双散射层，上散射层位于？，深散射层位于，并且两种观测方式都可以观测到上散射层和深散射层的存在及其垂直变化特征和日变化特征，白天上散射层强度弱，夜晚上散射层强度高，而深散射层日变化特征与上散射层相反，这种变化规律与浮游动物的垂直迀移习性有关。分析讨论了西太平洋的生物构成，研宄了两种测量方式都可以观测到西太平洋的双散射层的原因是西太平洋生物个体的分布不均。（）多波束测深仪和走航式的观测结果存在差异，多波束测深仪在垂向上的分辨率更高，观测到散射体向深散射层迁移时，迁移深度不一致，这导致了散射层的厚度也存在日变化的特征，白天深散射层的厚度大，夜晚深散射层的厚度小。而走航式由于受量程的限制，无法观测到这一现象。（）西太平洋北炜海域，散射层的强度与纬度的高低呈正相关，纬度高的海域散射层的强度高，纬度低的海域散射层的强度低，分析了这一现象的形成原因主要是溶解氧含量随玮度的变化，与北太平洋中层水存在关系。关键词：西太平洋、声散射层、走航式、多波束测深仪系统，：（），？，？，（）（基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层，），（），：，目录目录一、基于声学方法的散射层研宄西太平洋声散射层研究现状西太平洋地理环境及水文环境西太平洋的主要生物构成西太平洋声散射层研宄概况西太平洋声散射层研宄意义本文主要研宄内容和结构二、观测观测仪器介绍和数据来源数据处理确定散射层深度多波束测深系统数据处理走航式数据处理三、西太平洋声散射层研宄多波束测深系统反演散射层走航式反演散射层 两种观测方式的对比研宄两种观测方式的结果对比及优缺点双散射层散射体大小分布研宄本章小结四、散射层强度随纬度变化研宄 散射层随纬度的变化规律研宄散射层随炜度变化原因分析本章小结五、结论与展望结论创新点展望参考发表文麵前言一、前言基于声学方法的散射层研究散射层指的是水中散射信号较强的水平层，引起这种现象的原因主要是浮游生物等在这一水层的聚居。年，深散射层首次在太平洋被发现，并且其深度具有日变化的特征，即日出时散射层深度下降，日落时散射层深度上升，通常认为散射层主要是由浮游动物构成，其生活习性和捕食行为是散射层垂直迀移的主要形成原因。散射层的水平分布比较广泛，即使北极海区也被证明存在，但是其分布范围不均匀，太平洋海区几乎所有海域都存在散射层，南极海区 却只有少数海域分布。散射层的垂直分布在不同海区表现出更大的差异性，例如，白天时间，太平洋东部即美国西岸沿海海域散射层深度为（米，太平洋赤道附近和亚热带海域为，北极海域为？，大西洋东部海域深度为？，夜晚时间，随着浮游动物的垂直迁移，散射层的垂直分布会变浅。另外，还有一些海域白天会出现特殊的多个散射层分布的现象，如有学者在红海观察到了个散射层，其深度分别为，？，？。造成散射层水平分布和垂直分布在不同海域表现差异性的主要原因可能是海区的海洋环境和浮游生物构成不同研宄散射层的主要方法是测量海水中的悬浮物质，海洋中的悬浮物质包括悬浮泥沙、浮游动物、浮游植物等。随着科学技术的发展，对悬浮物质的观测方法也不断发展，上世纪八十年代之前，观测悬浮物质主要靠较传统的直接法，即对不同位置的海域进行多个深度的采水，然后通过抽滤、清洗、干燥、称重等繁杂的过程来计算得到海水中悬浮物质的浓度，这种方法不仅效率低，精度较差，而且其在空间和时间上的分辨率也比较低，无法对海水的运动进行实时的观测。除了传统的直接法，对海水中悬浮物浓度以及其运动状态的研宄方法还有基于光学方法的光学后向散射技术（光学后向散射仪）、激光小角度前向散射技术（现场激光粒度仪），基于声学方法的后向散射技术。光学后向散射仪的量程受限，只基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层有满足悬浮物浓度低于时，海水浊度和悬浮物浓度之间才会有线性的关系。现场激光粒度仪体积较大，测量过程中会对水体有扰动，无法准确测量水体的悬浮物浓度。当水体中悬浮物浓度有剧烈的时空变化特征时，基于光学方法的悬浮物测量方法无法准确的刻画这些过程。全称声学多普勒流速剖面仪（），是一种被广泛应用于海流测量的声学仪器。其工作原理是向水中发射固定频率的声波短脉冲，这些声脉冲碰到水中的散射体（浮游生物、泥沙等）时将发生散射，散射体反射回的声波被接收到，当散射体有相对运动时，其反射的声波在频率上有一定的频移，称为多普勒效应。根据多普勒效应和回波信号，便可以反演水中散射体的运动，进而得到流速。若对声信号的传播损失、海水吸收校正之后，就可以将回波强度换算为后向散射强度（）后向散射强度与水中悬浮物浓度的关系可以通过瑞利散射原理）求得，表达式为：（式中为悬浮物浓度。相对于传统的直接法和光学方法，利用反演水中悬浮物的浓度和其运动规律具有测量时间短、测量范围大、不干扰原流场等特点。近年来，利用反演悬浮物浓度及其运动规律，研究浮游生物分布及其迁移规律等问题成为新兴的热点。、等人利用高频测得的回声强度数据对几个潮周期内的悬浮物浓度进行了反演；。国内，汪亚平，程鹏率先利用在青岛胶州湾海域进行了走航式断面观测；，并与浊度计的数据进行了对比分析，发现两者的误差在走航状态和低悬沙浓度条件下基本相同，而且后向散射强度与水样悬沙浓度之间存在较好的相关性，证明了在测量悬浮物浓度方面的可靠性。浮游动物属于测流所利用 的散射体一类，是散射层的主要组成成分，所以利用的后向散射强度数据可以用来研宄浮游动物的丰度和垂直迁移过程。吕连港等利用的回声强度数据，研宄了台湾海峡北部海域的后向散射强度变化规律，发现了此海域的后向散射强度具有明显的日变化特征，并发现其不仅与温度梯度有关，而且与浮游动物的迁移、水体中叶绿素的含量等因素有关。前言多波束测深系统作为一种 高效、高精度的海洋勘探设备，是水下地形地貌测量最主要的仪器之一，在军事和民用方面都有广泛的需求。多波束发展初期，仅仅被用作水深及地形的测量，近年来，随着多波束系统的技术愈加成熟，其应用范围也更加广泛，寻找海底沉船；，探测鱼群分布；（），甚至被用来研宄海底冷泉；和海洋内波；，并取得了很好的效果，特别是近几年来，其成像结果在海底生境调查、地质分类等研宄中都得到了广泛的应用；。随着技术的发展、硬件运算速度的提高、磁盘存储空间的快速增长，多波束测量开始了三位一体的全海底空间测量：海底测深、海底反向散射强度与水体的回声强度。多波束测深仪的测量原理是先向水下发射窄带脉冲声信号，信号经过海底及水体中散射体的散射后，反向散射信号被多波束系统接收。通过对回波的强度和到达角度及到达时间进行估计，可以获得海底的深度信息，通过水体回波强度和 角度及到达时间，可以得到水体的垂直方向的回波强度信息。目前，利用 多波束对海底散射的研宄比较多。年挪威计算中心的等利用多波束测深系统的反向散射强度数据对海底地质进行了特征提取和统计分类研宄。唐秋华等；在探讨多波束测深系统反向散射强度与海底地质类型的关系基础上，研宄了海底地形、中央波束区反射信号等各种因素对反向散射强度的影响，另外，他还将多个条带的反向散射强度进行数据拼接、镶嵌，最后形成海底声像图，对探测海底的地形、海底的目标物和海底地质类型等研究提供了参考。多波束水体中 的影像数据在近年来得到了广泛的应用，等琍用多波束数据研宄了海洋中气泡的分布，气泡是引起声波散射的重要组成部分。等将多波束系统和水下摄影技术相结合，对水生植物的丰富度和分布情况进行了研宄。利用多波束水体散射声强数据，对缅因州西部海湾的春季产卵的大西洋鳕鱼的丰度和分布等进行了研究 等用 多波束声呐 的水体散射声强数据分析了行船对鱼群的分布和鱼群的空间行为的影响。而目前，利用多波束水体数据反演散射层的分布等研宄还很少。基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层西太平洋声散射层研究现状西太平洋地理环境及水文环境：厕轉、赤道舰二、南赤道暖流：图西太平洋亚洲地区海底地形及主要洋流分布图西太平洋即太平洋西部，其亚洲部分大致的地理范围是第二岛链以西的太平洋地区，与中 国东海和南海北部相邻，对于我国具有重要的战略军事意义。西太平洋海域有丰富 的能源资源和金属矿产，另外 西太平洋海域海洋生物 资源、海盐、海水资源以及海洋能力资源也相当丰富。太平洋环流的研究较大西洋少，其亚洲 部分主要洋流有赤道逆流、北 赤道暖流、南赤道暖流、黑潮 暖流、北太平洋暖流、千岛寒流等，其分布情况在图中已经做了标注。其中，对我国影响最大的是黑潮暖流，其路径是太平洋的北 赤道暖流到达菲律宾后向北经过台湾省东部，沿琉球群岛向东北方向日本的九州岛流去，在日本北海道附近与自堪察加半岛沿千岛群岛向西南流的千岛寒流相遇，这也是日本渔业发达的主要原因。、，一刖西太平洋菲律宾以东、南海和东海洋面上，夏秋之间，在 高温、高湿条件 下产生超低压中心，通常会形成猛烈的热带风暴，即 台风，对我国的气候环境以及人民生活造成重要的影响。这一海域，有黑潮的起源地，也有副热带逆流的起始地，还是西北太平洋涡旋的活跃区，而且南海水通过吕宋海峡可达此海域，因此，这里的海洋水文状况极其复杂。从图可以看出，西太平洋亚洲区域地形结构复杂，海岸比较曲折，大陆东缘有突出的半岛，有一系列岛弧，形成了众多 的边缘海。从北向南有白令海、鄂霍次克海、日本海、黄海、东海和南海。岛群外缘有一系列海沟，有堪察加海沟、千岛海沟、日本海沟，南有东加海沟、克马德克（）海沟等。岛链以外西太平洋海域海水深度都比较深，平均都在以上。北太平洋中层水（）在所研究海域有重要的作用，观测区域断面的温度分布图中，至深度，温度等值线由北向南逐渐抬升，即水温北高南低。这是由于低纬度的信风和中纬度的西风带在海表产生辐聚和下降流，同时信风在热带产生辐散和上升流。，：一 图北太平洋断面的温度分布基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层副梭地低压带纬西风撕海水辐聚下降户海水辖散上升又八西、风中副极地低压带與图温度等值线倾斜的机制示意图观测区域断面的盐度分布表明在几百米深存在盐度最小值，且最小盐度的深度由北向南逐渐变浅，体现了北太平洋中层水的低盐特征。北太平洋中层水源于高玮度地区的鄂霍次克中层水和阿拉斯加中层水。其温度范围？，因富含溶解氧而表明它 能够经常获得氧的补充。其突出特征是低盐，不但是北半球所有中层水团中盐度最低，而且比著名的南极中层水团 的盐度也低，在全球大洋所有中层水团 中盐度最低。丨 图北太平洋断面的盐度度分布刖目？图北太平洋断面的溶解氧分布（）从图可以看出，北太平洋中层水的溶解氧分布由北向南逐渐抬升，溶解氧分布是影响浮游动物水平分布差异的重要原因之一。，、飞邮。：，：、图北太平洋中层水范围（虚线）和源地基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层西太平洋的主要生物构成生物多样性是人类赖以生存的条件，经济的持续稳定发展也需要依靠生物多样性的保证。生物多样性不仅为人类提供生存所必须的食物、能源、工业原料等，而且对维持生态平衡也起着关键性的作用。占地球表面积的海洋中生物含量很庞大，而且海洋生境比陆地或淡水生境具有更多的生物门类和特有门类，海洋系统比陆地系统具有更大的生物多样性，所以，研宄、保护海洋中生物的 多样性有利于人类的生存和整个生态系统的平衡。西太平洋区是全球海洋生物种源中心，很多海洋生物类群的最高物种多样性都出现于该区域。年林茂等记录和编入西太平洋共个主要浮游动物类群 种（含亚种），隶属于科属，其中桡足类科属种，栉水母类科属种冰母类科属种，浮游软体动物科 属种，糠虾类科 属 种，介形类科属种，磷下类科属种，十足类科属种，毛颚类科属种和被囊类科 属种。表西太平洋和中 国浮游动物主要类群及其种数类群（门、纲或目）世界西太平洋中国海域母类 栉水母类浮游软体动物 介形类 梭足类 糠虾类 磷虾类十足类 毛颗类被囊类 总计 表示数据待确定前言通过表可以看出，西太平洋的浮游动物种类丰富。除了浮游动物之外，西太平洋的鱼类分布也很丰富。焦燕等研宄了西太平洋羊鱼科鱼类、鲽形目鱼类、狗母鱼类以及海鲶的多样性特征、动物地理学特点。通过上述研宄可以发现，西太平洋的鱼类种类丰富，而且其体型大小尺寸差异比较大。西太平洋声散射层研究概况年，深散射层首次在太平洋被发现，太平洋几乎所有海域都存在深散射层。分析了西北太平洋深层散射层（）的大尺度水平变异性。该分析基于对至频率的水体强度和体积散射系数的长期测量。对上述海洋区域的不同区域，提出了散射系数的深度和频率依赖性。发现结构中最显着的变化发生在大规模水体或具有不同水文特征的海洋之间 的边界处。相比之下，在普遍的水域和海洋中，的深度频率结构保持相对稳定。等分析了西太平洋地区（，）个深水区域的声体积散射强度数据，结果显示，体积散射系数值范围约至，对于不同 区域，此系数变化比较大，越往南的 区域，散射系数更小，并且更难以观察到明确的散射层存在。散射层最强的 区域在日本本州东北部的地区，其厚度达到英尺，峰值散射系数接近。散射强度水平显示出与纬度的依赖性，并且与生物的有机生产力存在较强的相关性。等分别在冬季和夏季，利用等声学仪器对西太平洋的深散射层进行了观察，并用 多种方法对浮游动物量进行了估算，发现了散射强度与浮游动物量以及其迁移规律之间的关系，分析了此海域浮游动物的构成。国内对于西太平洋散射层的研宄比较少，吕连港等利用 年月至年月期间船载 在西太平洋地区测得的回声强度数据，分析了西太平洋深散射层在纬度上的变化，相对于低纬地区，高纬地区的后向散射强度普遍更大，并分析了造成这种现象的原因，讨论了海洋环境对西太平洋深散射层的影响。基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层西太平洋声散射层研究意义太平洋作为世界上面积最大，水体最深的大洋，其科学研宄意义重大。西太平洋对于我国发展不仅有重要的科学研宄价值，也具有重要的战略军事意义。西太平洋的海流、水团、水文特征等海洋现象与东海、南海北部息 息相关，所以，研究西太平洋的海洋性质对于了解东海和南海北部的许多水文现象是有帮助的。西太平洋的生物含量丰富，而且是全球海洋生物种源中心，因此，对于此区域的生物类群研宄迫切且重要，然而我国对于管辖海域以外的西太平洋洋区相关生物研究尚未开展。而散射层是可以作为反演海洋生物量和迁移规律的重要方法，所以可以利用散射层的探测作为海洋生态学研宄的重要手段。西太平洋散射层的研宄，不仅有利于海洋水文环境的研宄，还能够为西太平洋生态学研宄提供支持，因此散射层的特性和分布规律受到众多海洋生物和海洋物理学家的重视。本文主要研究内容和结构与中 国近海相比，西太平洋海域的水文调查资料相对较少，而利用声学方法对这一区域海洋特征进行的研宄就更加稀少。本文分别利用走航式的回声强度数据和多波束测深系统水体影像包中的回声强度数据对西太平洋散射层进行了相关研宄，主要包括以下方面：、利用声速剖面仪（）的深度和温度数据对由的回声强度数据和深度数据计算的后向散射强度剖面进行了修正，得到了更为精确的散射层垂向分布；、利用声速剖面对由走航式的回声强度数据计算的后向散射强度时间深度分布进行修正，反演得到散射层的垂向分布特征和日变化特征；、利用多波束测深仪水体影像包中的回声强度数据描述了散射层的垂向分布特征和日变化特征；、分析比较了两种观测方式对西太平洋散射层的观测结果，讨论了两种方前言法的优缺点；、利用走航式的经炜度数据分析了纬度对西太平洋散射层强度和分布的影响。本文一共有五个部分：第一部分是引言，主要介绍了研宄背景、研宄概况和研究意义；第二部分介绍了观测仪器和数据处理方法；第三部分分别利用两种测量方式对西太平洋声散射层进行了分析，并比较了两种方式的优缺点；第四部分研宄了炜度与声散射层强度之间的关系，并分析了原因；第五部分给出了结论和展望。基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层观测二、观测观测仪器介绍和数据来源本文所采用现场观测数据主要来自以下四种仪器。（）数据是由公司的駿马哨兵型下放式声学多普勒流速剖面仪采集的，其耐压水深为，共个凸形换能器，波束角为，并且本身装有压力传感器，可以测量仪器处压力，计算深度。其工作原理是向海水中发射一定频率（）的声信号，当声波遇到海水中的颗粒物时发生反射，然后根据多普勒效应对反射回的声信号进行处理分析，便可得到海水中各层的流速信 息，同时也会得到各层海水的回波强度，通过回波强度可以计算后向散射强度，本次试验过程中与声速仪（）共同下放回收。其配置参数如表所示。表设置参数配置参数（）温度数据和深度数据是采用加拿大公司生产的系列的声速剖面仪（）测得的，的耐压深度同样达到，仪器本身装有温度传感器，压力传感器、电导率传感器和声速传感器，可以直接测得声速，也可以由声速计算公式得到计算声速，其传感器的主要技术参数如表所示。基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层表兮仲配置参数参数名称 （）？（）（）（）（）多波束数据是由多波束测深仪系统（型号），走航连续观测得到的。是一款全海深，高分辨率，高覆盖率的海底测绘多波束测深仪。其声波发射频率是，测量深度为。系列的多波束系统所记录的文件类型是以为后缀的数据文件，其文件中数据包的主要类型有安装参数数据包、定位数据包、姿态传感器数据包、水深数据包、时间旅程与波束指向角数据包、声速剖面数据包、水底影像数据包、水体影像数据包等，我们所利用的是水体影像数据包（）中的数据，主要数据的格式及其所表示的内容如表所示。观测表水体影像数据包的数据格式及内容 （；，（：）（）（）（）（）型多波束测深仪每次激发列波束，其发射角度约？，由图可知，多波束测量过程中，边缘波束位于波束扇面两侧，入射角大，所以边缘波束受船体姿态偏差和误差声速剖面影响较大且明显，而船底垂直正下方的中央波束区附近由于受到镜面反射的影响，多波束换能器接收到的多为反射信号，所以我们不采用边缘波束和中央波束的回波声强数据，我们将采用第列波束的数据进行散射层反演，其波束入射角度左右（由于受到船自身的摇摆，所基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层以其发射角度数据 不稳定）。换能器有效波束图多波束发射接收波束几何形状图（）走航的数据是由公司生产的船载走航连续观测得到的。的型号是系 列，其工作原理与相同，差别在于走航安装在船体底部，可以连续走航观测，主要应用于气候研宄，大洋调查，渔业研宄，深海电缆铺设等方面。本次试验采用的的工作频率为，量程为 ，波束排列采用波束相控阵，波束角度为，此夕卜，仪器还配有标准温度传感器，量程为？，精度为。其配置参数如表所示。观测表走航配置参数配置参数数据处理 确定散射层深度通过不能直接得到体积后向散射强度（），该设备所记录的是回声强度数据，其与后向散射强度之间 的关系表达式为：班（）本文利用的回声信号计算海水，将回波强度转换为海水声体积后向散射强度，其公式为：（）（）（）式中，为修正系数，取典型值；是换能器温度（）；是沿声波波束方向散射体与的距离，（），其中是海面到探测水层的垂直距离，是波束角度，即换能器发射声波方向与中轴线的夹角，本次所使用的波束角为；（），是发射脉冲长度（）；是声波发射功率（），对于本文所采用 的型 号，取；？是海水散射体吸收系数，取典型值；是转换系数（），范围是，典型值为，本文取值为；是观测的回波强度（）；艮是接收器接受信号的最低阈值（），取典型值，试验时其设基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层置参数如表所示，主要包含频率、盲区、层厚等信 息。我们 选取了观测区域四个点的温度剖面，如图所示，从图 中可以看出 深度 附近的温度与海表的温差左右，而我们设置的参数温度为固定值，存在偏差，所以可以利用声速仪的温度数据对公式中的进行修正。温度温度温度温度 ）！：赵麥 赛迷米？卜 （）（）（）（）图观测区域个站点的温度剖面利用 声速剖面仪的深度数据，与的深度数据进行对比，如图所观测时间时间时间时间 ：卜 卜 赵。卩 楚楚 ，（）（）（）（）图观测区域个站点的声速仪与深度对比 驾，？乂气？：，（）浐，（）声速仪深度声速仪深度；芑與 钯？迸兴？：？雄：？（）？（）声速仪深度声速仪深 度图声速仪与深度差随下放深度的变化从图可以看出，由于自身的压力传感器精度较低，所以其与声速基于多波束测深仪和 走航式的西太平洋声学散射层仪对深度的测量偏差还是比较大的，并且随着深度的增加，其偏差逐渐増大，如图所示，在 深度附近其差值接近，这种偏差程度对确定散射层的深度和厚度的有所影响，所以我们可以利 用得到的温度及深度数据对后向散射强度剖面进行修正，其修正后的结果与 原 后向散射强度剖面对比如图所示。（气、乂）各 （链；老 彳 丨 丨 ）（）（）（）（）图修正前后后向散射强度剖面对比 观测？，（）（）喊：丨 深度深度（）（）爱？；深度深度图修正前后后向散射强度差值剖面图为四个站点的后向散射强度剖面，其中红线表示经过温度以及深度修正的后向散射强度剖面，蓝线表示未经过修正的后向散射强度剖面。图中可以看出，整个剖面上，是否经过修正，对后向散射强度数值上的影响不大，但经过修正之后，深水区 的散射层深度有略微的减小，厚度差异不明显。图可以看出，修正前后的后向散射强度差值在深散射层附近是最大的，其他区域相对较小，所以，通过修正可以得到更为精确的散射层强度垂向分布。综上所述，由回波强度计算得到的后向散射强度与温度和深度存在关系，但是并没有温度传感器，而且其深度传感器精度比较低，我们利用一起下放的声速剖面仪（）的温度和深度数据对后向散射强度进行修正，经过修正之后发现第一个散射层基本没有变化，第二个散射层其整体强度变化不大，散射层的厚度基本不变，但是其深度整体减小大约米，通过修正后的后向散射强度深度分布图我们确定第一个散射层深度位于？米，第二个散射层位于？米。基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层多波束测深系统数据处理上文已经提到，由于中央波束受镜面反射的影响较大，边缘波束入射角大，受船体姿态偏差和误差声速剖面影响较大且明显，所以我们选取了第列波束的数据进行散射层反演，其波束入射角度为左右，多波束记录的回声强度数据中已经将球面扩展和传播损失的影响去掉。整个传播距离可以通过以下公式求得：（）（）其中，。表示整个传播距离，代表声速，代表采样频率。根据求得的传播距离和数据包中的波束入射角度数据，可以求得每一个波束发生散射时的深度。（）（）其中表示散射深度，为波束入射角。表中的第四行和第五行记录了多波束的工作时间，其精度精确到了毫秒，将时间转换成当地时区的时间，通过上述过程得到的深度，以及多波束数据包中的回波强度数据，可以得到回波强度在时间和深度上的分布。走航式 数据处理由于走航在判断回波的水层深度时没有考虑到声速的变化，其默认的声速是换能器位置处的声速值，所以我们可以利用声速剖面对走航的第层水体深度进行修正。我们选取节所采用 的个站点，利用声速剖面仪实测的声速和深度数据，得到图所示的个声速剖面，可以发现，个站点由都具有负声速梯度，即随着深度增加，声速逐渐减小，图中可以看出，其声速从左右减小到左右。而走航在判断回波的水层深度时没有考虑到声速的变化，其默认的声速是换能器位置处的声速值。当接受回声时间一定时，负观测声速梯度使得走航设置的深度和 实际深度之间的差值随着层数的增加而逐渐增大，而的量程为 ，受声速剖面的影响比较大，所以可以利用声速剖面对走航的第层水体深度进行修正，其公式为：（）其中，表示修正之后的第层水体到之间的垂直距离，冬为第层水体到默认的垂直距离，为换能器位置的声速，也是计算深度时默认的声速值，、为第层水体到换能器的平均声速值。选取了四个站点所测量的声速剖面，如图所示。声速（）声速（？，逆？）基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层声速（声速（），赵表？图四个站点 的声速剖面图将四个站点 内的声速数据按照深度进行平均，可以得到 内平均声速剖面，如图所示。声速（）：，赵 挺 图平均声速剖面同样，走航式的声体积后向散射强度也不 能由直观测接导出，用导出层四个波束平均的原始回声强度数据后，可以得到平均的回声强度数据，再根据公式，可以得出后向散射强度数据：（）（）（）其中，表示后向散射强度，是与自身相关的常数取值为，是转换系数，取值，是由导出来的回声强度数据，信号的本底值，取值，为海水的吸收系数，是沿波束方向到第层水层的长度，其计算休整之后的公式为：（）（）其中为盲区长度，本次试验采用的安装在船底部，距海面左右，而数据中为，所以其盲区长度取值，为脉冲长度，可以根据声波发射频率和声速求得，为设置的层深，本次试验为，为四个换能器发射波束与中心的夹角，为。基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层西太平洋声散射层研究三、西太平洋声散射层研究多波束测深系统反演散射层通过节，我们确 定了西太平洋散射层的垂向分布，即上层散射层深度位于？米，深层散射层位于？米。数据点比较少，无法得到散射层随时间的变化规律，我们 利用多波束测深仪测得的水体回声 强度数据反演散射层的垂向分布和时间规律。将数据按时间平均为每组，可以得到整个航次的回声 强度时间深度分布，如图所示。？！；：把？：電丨丨卜：，：日期图多波束测深系统的散射强度时间深度分布图由于其他试验需要，多波束测深仪系统被关闭，或由于多波束本身数据误差比较大，剔 除了几段时间的数据，即图中白色部分。从图中可以 明确的看出，在整个航线上都存在着两个声散射层。其中一个散射层位于深度？左右，其散射强度具有强烈的日变化特征，而另一个散射层位于深度？左右，其强度日变化特征与上散射层相反。基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层将每天同一时刻的散射强度数据进行平均，得到的多波束散射强度时间变化规律图，如图所示。？一一 、“。，？一。：时间图多波束测深系统观测的回声强度平均日变化从图中可以更为明显的看到两个散射层的日变化特征，并且可以清 楚的看到两个散射层之间在点前后和点前后垂直方向的强度变化规律，白天上散射层强度低，夜晚上散射层强度高，而深散射层强度变化规律与上散射层相反。黎明时刻，散射体向深水迀移，傍晚时刻，散射体向浅水迁移，散射体的迀移现象造成了上散射层和深散射层的垂向分布规律和强度日变化规律。走航式 反演散射层与利用 多波束测深系统的水体回声强度数据反演散射层一样，可以利用走航式的回声 强度数据对西太平洋的散射层垂向分布和时间变化规律进行反演。根据节将回声强度数据按照公式（）进行深度修正后得到后向散射强度数据，由于的量程为，而且超过 米的深度受海底反射的影响较大，所以深度取？，然后按照每取一个后向散射强度平均值，可以得到整个航次后向散射强度的时间深度分布，如图所示，由于西太平洋声散射层研究走航的工作要求船速低于节，而实际测量过程中船速不稳定，并且会左右摇摆，导致数据的稳定性不高，本文利用导出的数据包中的流速相关数据，将小于的数据剔除，即图中白色区域。，！，：期图走航式的散射强度时间深度分布图从图中也可以 明显的看出，利用走航式得到 的后向散射强度时间深度分布中也可以清晰的看到两个散射层的存在，第一个散射层位于深度以内，其散射强度具有强烈的日变化特征，而另一个散射层位于深度？，其强度日变化特征与上散射层相反。月号至月 号为浅海区域，在深度 附近可以看到一个强烈 的散射层，这是声波在海底的反射信号被接收导致的，而在 附近还有一个强度稍弱的散射层，这是海底的二次回波信号，的测深作用也是基于这个原理得出的。走航式工作时对船速的要求是节，从图中可以看到，某些区域的散射强度从上到下都很小，这可能是由于当时船速一直过大或者船体倾斜角度过大等原因导致的，为了更清楚的看到散射层的日变化特征，选择数据比较良好的月日至月 日天的同一时刻的后向散射强度数据进行平均，得到 的散射强度时间深度变化规律图，如图所示。基于多波束测深仪和走航式的 西太平洋声学散射层 咖；。彳！：时间图走航式观测的散射强度平均日变化从图中可以更为清晰的看到走航式反演的两个散射层的日变化特征，表现为：白天上散射层的散射强度相对于夜晚要弱很多，而深散射层的强度日变化特征与上散射层相反；两个散射层的强度变化发生在点前后和点前后。黎明时刻，散射体向深水迁移，造成上散射层强度减弱，深散射层强度增 强，傍晚时刻，散射体向浅水迁移，深散射层强度减弱，上散射层强度增强。散射体的迁移是导致散射层垂向分布规律和强度日变化特征的主要原因，并且可以发现，相对于深散射层的日变化特征，上散射层的日变化特征更为明显。两种观测方式的对比研究两种观测方式的结果对比及优缺点通过图和可以发现，多波束测深系统和走航式的回声强度数据均能很好地反演得到两个散射层的垂向分布特征和日变化特征。其反演结果也较为一致，及两个散射层分别位于？和，并且两个散射层具有相反的日变化特征。另外，通过多波束测深系统观测的散射强度平均日变化图可以发现，黎明时 分，发生迁移的散射体并不是全部移动到了附近的深散射西太平洋声散射层研宄层区域，其中有一部分只迁移到了以浅的水深处便不再向下迁移，还有一部分散射体向更深处迁移，最深的甚至达到 米附近，这导致深散射层的厚度增加，同样，傍晚时分，散射体由深散射层向上散射层迁移，深散射层的厚度减小，而走航式由于受到量程的限制和海底反射的影响，无法精确的刻画这一现象。利用多波束测深系统的水体影像反演散射层分布，相对于传统的方法有一些优势：（）从图和可以看出，多波束系统反演散射层在垂向上的细节刻画更明显；（）受海底反射的干扰小，可测量深度更大；（）有更多的辅助数据，可以研究其相互作用，比如海底数据等。但是也相对有一些缺点：（）数据量大，处理速度慢；（）不同型号的多波束测深仪所得到的数据格式不同，所以没有相对通用的程序进行处理。双散射层散射体大小分布研究通过节和节可以得知，无论是走航式还是多波束测深仪，都可以 明显的看到两个散射层的垂向分布和变化规律特征，而多波束发射信号，波长约为，走航式发射信号频率，波长约为，两个仪器均能看到双散射层，说明散射层中颗粒大小分布不均。并且可以发现，夜晚在深散射层区域仍然存在后向散射强度相对于邻近深度更大的情况，只不过其后向散射强度值相较于白天要小一些。通过图和图可知，散射层强度昼夜变化规律主要是由于散射体的昼夜迁移现象所导致，即有一部分散射体在黎明时分向深海迁移，在傍晚时分向浅海迁移。有学者在南海海域通过生物拖网试验发现，傍晚散射层的变化是由于深海鱼类以及一些虾类和头足类迁移到上层引起的，而这些生物白天会迁移到下层，深散射层区域也存在一些没有迁移习性的生物。通过节可以得知西太平洋的生物构成种类比较多，浮游动物种类丰富与多样，其中挠足类、栉水母类、磷虾类、浮游软体动物和被囊类比率比较大，鱼类种类也比较丰富。代鲁平等对西太平洋菲律宾海以内的浮游动物丰度和生物量水平分布做了研究，发现浮游动物在此海区内有广泛的分布，并且其种类也比较多样。朱清澄等对西基于多波束测深伩和走航式的西太平洋声学散射层北太平洋的浮游动物分布和秋刀鱼类鱼场分布之间的关系做了相关研宄，通过对秋刀鱼胃含物分析，发现其摄食等级为挠足类箭虫类虾类端足类浮蚕类异体住囊虫，而从节中可以看到，西太平洋的前几类浮游动物都有大量分布，而挠足类、箭虫类、虾类、毛颚类等都有昼夜迁移的习性；】。引起浮游动物迁移的主要原因有三种假说：第一种光驱动假说，其认为浮游动物有某种光感受机制，通过垂直迁移运动保持他们生活在最合适的光强环境中；第二种逃避捕食者假说，其认为垂直迁移的行为是浮游动物的一种防御机制；第三种能量和资源利用假说，其认为垂直迁移是浮游动物针对不同的能量代谢因子或者资源被动做出的适应性反应。浮游动物的这种昼夜垂直迁移现象，引起鱼类等体型更大的捕食者的迁移，所以两个散射层中散射体的大小分布不均，所以 即使多波束测深仪和走航式的波长不同，分辨率不同，但是通过多波束和走航式均能看到两个散射层以及散射层的迁移现象。此外，由于深散射层中还存在一部分不具有昼夜迁移习性的浮游动物和鱼类等，所以夜晚在深散射层区域后向散射强度仍然相对于邻近深度更大。本章小结本章分别利用 多波束测深仪系 统水体数据包中 的回声强度数据和走航式的回声强度数据对西太平洋的散射层进行了反演，得到了以下结论：（）两种方法均能观测到双散射层的存在，并能刻画出其垂向分布特征和日变化特征，证明 了利用 多波束系统回声强度数据反演散射层的可行性。通过利用多波束反演散射层发现，深散射层不止是强度存在日变化特征，其厚度也存在日变化的特性。黎明时分，散射体向深散射层迁移时，由于其迁移的深度不同，导致深散射层的厚度增加。傍晚时分，散射体向上层迁移，深散射层的厚度减小。（）讨论了两种方法均能观测到双散射层垂向分布和昼夜迁移的原因。西太平洋广泛存在多种有昼夜迁移习性的浮游动物，这些浮游动物在两个散射层之间的迁移导致了其猎食者（如鱼类等）的在两个散射层之间的迁移和分布规律，西太平洋声散射层研宄由于浮游动物和鱼类等个体大小差异较大，所以发射声波波长不同 的多波束测深仪和走航式均能看到这两个散射层的存在和垂直迁移。基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层纬度对散射层 强度的影响研宄四、散射层强度随纬度变化研究散射层随纬度的变化规律研究从图可以看出，整个航次中上散射层和深散射层的后向散射强度大小随着时间的不同而有所变化，时间不同，船所在的位置也不同，本节利用走航式的经炜度数据和回声强度数据，对散射层的强度变化和纬度之间的关系进行了研宄。墨 闩期（月）图整个航次祎度变化图图为整个航次的炜度变化图，可以看出，整个航次的纬 度变化比较大，纬度最大为左右，最低为左右，依据时间可以看出，月日至月日为较平稳的高纬度海域，月日至月日为低纬 度海域，对比图可以发现，高讳度海域散射层的强度要大于低纬度海域，为了得到更为精确地结论，选取了月日：至月日：，月日：至月日：，月 日：至月日：三个时间段的数据，其中前两个时间段为高祎 度海域，第三个时间段为低纬度海域。为了得到不同深度 散 射层 强度对纬 度变化的响应，选取了？，基于多波束测深仪和走航式的西太平洋声学散射层？，？三个深度区 间 的后向散射强度数据进行