本發(fā)明涉及海洋中尺度渦水下表層和次表層聲道構建，具體涉及一種構建海洋中尺度渦影響表層和次表層聲道的方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、聲波是人類迄今為止已知唯一適合在海水中遠距離傳播的能量形式，海洋聲學是開發(fā)和利用海洋不可替代的技術手段,其在水下探測、導航、定位、通訊等領域所起的作用與無線電波在空氣中所起的作用相近。在民用方面，水聲可用于海底地形測繪、自然資源勘探等；在軍用方面，水聲可用于水下通信、水聲偵聽和探測、水聲干擾、目標定位和導航等，為水下軍事活動提供必要保障。而水聲傳播特性與海洋環(huán)境特性密切相關。表層聲道主要存在于海表下一定厚度的混合層中，其通常位于海洋表面以下100?m深度范圍內。層中聲速呈弱正梯度分布，海面附近小掠射角聲線在混合層中由于折射而反轉，并在海面處反射，此過程不斷重復，使得聲能量被限制在海洋表層，從而形成波導式的傳播，因而這種聲道被稱之為表層聲道（或混合層聲道）。次表層聲道主要存在于海表面以下數(shù)百米深度。次表層聲道的形成機理類似于深海聲道，聲線由于折射被束縛在聲速極小值所在深度的聲道軸上下一定厚度的水層內，形成聲能的匯聚區(qū)。這種聲道軸的特點是其上層聲速隨壓力的增大呈負梯度分布，而下層則是負梯度分布。

2、中尺度渦是一種能量大、流速大，且隨時間變化的環(huán)流，空間水平尺度為百公里量級，其鉛直結構可延伸至水下一千米，在數(shù)十到數(shù)百公里的水平距離上聚集著海水的動能，具備的顯著的非線性特征使它們具備在海洋中運輸熱量、鹽的能力。研究表明，中尺度渦的存在會通過改變混合層深度和厚度來影響聲波在表層聲道中的傳播。由于海洋中溫度的垂直差異較大，海洋上層的聲速結構受到中尺度渦的影響顯著，因此水聲學者們深入地研究了中尺度渦對聲波傳播的影響。在物理機制上，中尺度渦攜帶的龐大動能能夠充分混合中尺度渦區(qū)域內的海水，使得混合層加深。而其旋轉方向的不同又能分別在中尺度渦旋中心產生冷核和暖核，其擾動也隨著離開中尺度渦旋中心的距離增大而減弱，從而產生不同的聲學效果。

3、研究表明，中尺度渦對水下聲速場的影響可延伸至水下1000?m深度，從而改變海洋上層的聲學性質分布，而這個深度是覆蓋了潛艇活動的整個范圍，對潛艇的隱蔽、聲吶探測等軍事活動具有重大影響。另一方面，由于中尺度渦改變了海洋上層的聲學性質分布模式，在一定情況下能夠形成表面聲道和次表層聲道，從而實現(xiàn)聲波的遠距離傳播。

4、因此，中尺度渦對表層聲道影響具有較高研究價值且具有一定挑戰(zhàn)性與難度，其對于提高海洋中尺度渦聲學效應利用和提升水下戰(zhàn)場環(huán)境保障能力具有重要意義。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術問題：針對現(xiàn)有技術的上述問題，提供一種構建海洋中尺度渦影響表層和次表層聲道的方法及系統(tǒng)，本發(fā)明旨在獲取中尺度渦對表層聲道影響，準確地獲取中尺度渦對應的表層和次表層聲道變異性特征。

2、為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為：

3、一種構建海洋中尺度渦影響表層和次表層聲道的方法，包括下述步驟：

4、s1，根據(jù)輸入的argo浮標數(shù)據(jù)集和soda3.4.2氣候態(tài)數(shù)據(jù)集獲取指定區(qū)域在指定時間內的水文參數(shù)；

5、s2，將argo浮標數(shù)據(jù)集的水文參數(shù)利用mackenzie聲速經驗公式計算指定區(qū)域的argo聲速剖面，將soda3.4.2氣候態(tài)數(shù)據(jù)集的水文參數(shù)利用mackenzie聲速經驗公式計算指定區(qū)域的聲速背景場，對通過argo浮標數(shù)據(jù)集計算得到的argo聲速剖面進行質量控制去除壞數(shù)據(jù)得到argo聲速剖面數(shù)據(jù)集；

6、s3，根據(jù)輸入的中尺度渦軌跡數(shù)據(jù)集提取中尺度渦的特征；

7、s4，基于中尺度渦的特征和argo浮標位置與時間完成argo聲速剖面數(shù)據(jù)集、中尺度渦軌跡數(shù)據(jù)集的時空匹配和合并，并進行垂直和水平平滑得到中尺度渦水下聲速特征以及中尺度渦水下聲速特征構成的中尺度渦擾動聲速場；

8、s5，將中尺度渦的特征構成的中尺度渦水下聲場、聲速背景場分別插值到指定的深度上，將中尺度渦水下聲場減去聲速背景場分離聲速背景場，再進行一年四個季節(jié)的聲速異常特征提取，從而得到中尺度渦水下聲速擾動結構；

9、s6，將中尺度渦水下聲速特征構成的中尺度渦擾動聲速場輸入到bellhop聲學工具箱的射線模型中以計算得到中尺度渦水下聲道聲線模型和中尺度渦水下聲壓場，將聲速背景場輸入到bellhop聲學工具箱的射線模型以計算得到氣候態(tài)水下聲壓場；將中尺度渦水下聲壓場減去氣候態(tài)水下聲壓場得到中尺度渦影響下的聲傳播損失異常數(shù)據(jù)；

10、s7，結合中尺度渦影響下的聲傳播損失異常數(shù)據(jù)和中尺度渦水下聲速擾動結構，提取海洋中尺度渦影響表層和次表層聲道的特征。

11、可選地，步驟s1中的水文參數(shù)包括海水的溫度、鹽度和深度。

12、可選地，步驟s2中mackenzie聲速經驗公式的函數(shù)表達式為：

13、，

14、上式中，表示聲速，表示海水的溫度，表示海水的鹽度，表示海水的深度。

15、可選地，步驟s2中對通過argo浮標數(shù)據(jù)集計算得到的argo聲速剖面進行質量控制去除壞數(shù)據(jù)得到argo聲速剖面數(shù)據(jù)集包括：對通過argo浮標數(shù)據(jù)集計算得到的argo聲速剖面計算聲速標準差，并將三倍聲速標準差之外的argo聲速剖面刪除，從而以實現(xiàn)質量控制去除壞數(shù)據(jù)得到argo聲速剖面數(shù)據(jù)集。

16、可選地，步驟s4包括：

17、s4.1，針對包括中尺度渦的中心坐標、出現(xiàn)時間、半徑、極性和振幅的中尺度渦的特征，利用中尺度渦的中心坐標、出現(xiàn)時間與半徑計算出每個中尺度渦的影響范圍與時間，再依據(jù)argo浮標記錄的位置與時間，將argo聲速剖面數(shù)據(jù)集與中尺度渦數(shù)據(jù)集進行時空匹配；

18、s4.2，依據(jù)中尺度渦的中心坐標和其2倍半徑范圍內的argo浮標坐標，得到每個中尺度渦水下聲速剖面相對于中尺度渦旋中心的徑向歸一化坐標，然后將具有相同特征的中尺度渦水下的聲速剖面依據(jù)歸一化坐標整合到同一中尺度渦中；

19、s4.3，多次設置滑動窗口大小，根據(jù)每次垂向、水平平滑處理的平滑結果尋找最佳滑動窗口大小，并采用垂向、水平方向的最佳滑動窗口大小分別進行垂向、水平平滑處理，從而得到由不同聲速背景場下、不同振幅的中尺度渦水下聲速特征，以及中尺度渦水下聲速特征構成的中尺度渦擾動聲速場。

20、可選地，步驟s4.2包括：

21、s4.2.1，依據(jù)觀測時間為同一天、中尺度渦的中心坐標和其兩倍半徑的范圍內的argo浮標坐標，得到每個中尺度渦配對的argo聲速剖面；

22、s4.2.2，將配對后的argo聲速剖面全部投影到以對應中尺度渦的渦旋中心為原點的坐標系下，其中為落在第個中尺度渦內的第個argo聲速剖面與渦旋中心的距離，為z軸坐標；

23、s4.2.3，根據(jù)下式計算第個中尺度渦內的各個argo聲速剖面的徑向歸一化距離：

24、，

25、上式中，為第k個argo聲速剖面的徑向歸一化距離，，為第個中尺度渦的半徑，其中，為落到第個中尺度渦內的數(shù)量；

26、s4.2.4，將各個argo聲速剖面的徑向歸一化距離按照大小在渦心坐標系下進行排列，然后根據(jù)合成渦旋的半徑整合到同一中尺度渦中。

27、可選地，步驟s6中將中尺度渦水下聲速特征構成的中尺度渦擾動聲速場輸入到bellhop聲學工具箱的射線模型中以計算得到中尺度渦水下聲道聲線模型和中尺度渦水下聲壓場、將聲速背景場輸入到bellhop聲學工具箱的射線模型以計算得到氣候態(tài)水下聲壓場時，包括判斷中尺度渦水下聲速特征構成的中尺度渦擾動聲速場中是否存在表層聲道，若中尺度渦水下聲速特征構成的中尺度渦擾動聲速場中存在表層聲道，則將聲源設置在海表面，否則若中尺度渦水下聲速特征構成的中尺度渦擾動聲速場中存在次表層聲道，則將聲源設置在次表層聲道軸所在深度，并在bellhop聲學工具箱的射線模型中基于運行類型r進行聲線模擬時和基于運行類型c進行聲傳播損失計算，從而得到中尺度渦水下聲道聲線模型和中尺度渦水下聲壓場或者氣候態(tài)水下聲壓場。

28、此外，本發(fā)明還提供一種構建海洋中尺度渦影響表層和次表層聲道的系統(tǒng)，包括相互連接的微處理器和存儲器，所述微處理器被編程或配置以執(zhí)行所述構建海洋中尺度渦影響表層和次表層聲道的方法。

29、此外，本發(fā)明還提供一種計算機可讀存儲介質，該計算機可讀存儲介質中存儲有計算機程序或指令，該計算機程序或指令被編程或配置以通過處理器執(zhí)行所述構建海洋中尺度渦影響表層和次表層聲道的方法。

30、此外，本發(fā)明還提供一種計算機程序產品，包括計算機程序或指令，該計算機程序或指令被編程或配置以通過處理器執(zhí)行所述構建海洋中尺度渦影響表層和次表層聲道的方法。

31、和現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明主要具有下述優(yōu)點：本發(fā)明包括根據(jù)輸入的argo浮標數(shù)據(jù)集和soda3.4.2氣候態(tài)數(shù)據(jù)集獲取指定區(qū)域在指定時間內的水文參數(shù)；將水文參數(shù)利用mackenzie聲速經驗公式計算獲取對應的聲速剖面，并通過質量控制篩選掉包含壞點的剖面，得到argo聲速剖面數(shù)據(jù)集；根據(jù)輸入的中尺度渦軌跡數(shù)據(jù)集提取中尺度渦的特征，基于中尺度渦的特征和argo浮標位置與時間完成argo聲速剖面數(shù)據(jù)集、中尺度渦軌跡數(shù)據(jù)集的時空匹配，得到中尺度渦水下聲速特征，本發(fā)明通過分離聲速背景場，利用滑動平滑排除干擾，以獲取準確的中尺度渦對應的聲速擾動特征，本發(fā)明基于中尺度渦水下聲速場，利用bellhop聲學射線模型構建海洋中尺度渦發(fā)生下表層和次表層聲道的特征，為中尺度渦影響表層和次表層的效應提供參考，為研究不同中尺度渦水下表層和次表層聲道的變異性特征提供理論支撐。