[发明专利]深海热液口温度场原位在线声学检测方法

摘要

本发明涉及一种深海热液口温度场原位在线声学检测方法。现有的深海热液口测温的主要手段无法对热液流体的温度场准确测量。本发明方法首先将使同层的其中一个水声换能器作为声源发声，其余十五个水声换能器作为接受端接受声波信号，由此计算出每条路径上的声波传播时间；然后计算声波传播路径的平均温度值t；最后重建海底热液口温度场，具体是将所在平面划分为多个网格，利用数据层析还原算法计算每个网格内的平均温度，从而得到温度场。本发明采用一种非接触式的声学热液温度场原位测量，可以克服传统接触式测量的缺点，在高温、腐蚀、多悬浮颗粒的恶劣环境下连续实时测量，提高热液口热通量测量的准确度。

主权项

1.深海热液口温度场原位在线声学检测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤(1)、将三十二个水声换能器分为两层设置在支架上，层高为05.m，每一层有十六个水声换能器，十六个水声换能器组成围合成正方形，正方形的每边上设置四个水声换能器，每条边上水声换能器的间距为0.3m；步骤(2)、用扫频范围为18kHz～23kHz，声压级为69dB的扫频信号源发射卡驱动第一层任意一个水声换能器发射声波信号，同层其余15个水声换能器都作为接收水声换能器接收声信号，分别将这15个接收水声换能器接收到的声波信号与发射水声换能器发射的声波信号进行互相关函数分析R(n)=Σk=0k=Nf1*(k)·f2(k+n)]]>其中R(n)为互相关函数，N为采样点数，可根据所需的测量精度设定，f₁(k)是发送水声换能器发送的声源信号，f₂(k)是接收水声换能器采集到的离散声波信号，互相关函数取得最大值的延迟时间即为声波的传播时间；再通过切换电路把按照逆时针方向确定的紧临上一个水声换能器的下一个水声换能器作为发射声波信号的水声换能器，同层其余十五个水声换能器作为接收声波信号的水声换能器，再次利用互相关函数计算声波的传播时间，以此类推，直到完成第二层中的最后一个水声换能器作为发射声波信号的水声换能器时的互相关函数分析；这样切换电路共切换三十一次形成一个完整的周期；步骤(3)、计算声波传播路径的平均温度值t，c(D，S，t)＝c(0，S，t)+(16.23+0.253t)D+(0.213-0.1t)D²+[0.016+0.0002(S-35)](S-35)tD式中：c(0，S，t)＝1449.05+45.7t-5.21t²+0.23t³-(1.333-0.126t+0.009t²)(S-35)其中c(D，S，t)为声波在海水介质中的速度，D为被测平面的深度，单位为Km；t＝T/10，T为海水温度，单位为℃，S为含盐量的千分数；在固定的热液口盐度和被测海平面的深度均可视为常数，因此声速变化主要与温度有关；步骤(4)、利用数据层析还原算法重建海底热液口温度场；建立同层平面中十六个水声换能器之间的九十六条声波传播路径的声学测量模型，将被测正方形平面划分为8×8共六十四个网格区域，假定每块区域上的温度分布相同，网格区域标记为m，Δs为声波通过每一块区域的长度，则可建立如下关系：Tn=Σi=1maiΔsni]]>其中，m＝64，n＝96，Tn是第n条声波传播路径上的声波飞渡时间，a_i是第i个网格区域上声速的倒数，Δs_ni是声波在第n条传播路径通过第i个网格区域的长度，a_i与Δs_ni都是常数，a_i是各路径上温度的特征函数，是要计算的值，写成矩阵形式，得到如下的方程组：AX＝t其中A=ΔS11ΔS12...ΔS1mΔS21ΔS22...ΔS2m.........ΔSn1ΔSn2...ΔSnm]]>X=a1a2...am,]]>t=T1T2...Tn]]>矩阵A是已知的，矩阵t中的元素为步骤(2)中得到的声波传播时间，对于此线性方程组，由总体最小二乘方法可得到变量X，进而求出声波在每一块网格区域上传播速度的倒数，利用步骤(3)中速度与温度的关系式，可重建出海底热液口截面温度场；所述的总体最小二乘方法为：(A+ΔA)X＝t+Δt其中，ΔA表示声波在网格中传播路径长度的噪声矩阵，Δt表示声波在网格中传播路径上飞渡时间测量数据的噪声向量，则(A+ΔA)X＝t+Δt可以表述为：[At+ΔAΔt]X-1=0]]>或者(W+ΔW)M＝0其中，W＝(A t)，ΔW＝(ΔA Δt)，M＝(X -1)^T，W为增广输入数据矩阵，ΔW是叠加于增广数据矩阵的噪声，M是增广权向量；这样，(A+ΔA)X＝t+Δt总体最小二乘解可以简单表示为求解一个解向量M_tls，使得mm||ΔA Δt||_F或min||ΔW||_F为最小，对增广输入数据矩阵W进行奇异值分解，得到：W=UΣVH=Σj=1nσjujvjH]]>其中，σ_j是第j个奇异值，∑＝diag(σ₁，…，σ_n+1)，则总体最小二乘解为：MTLS=S-(p)(i+1,1)/S-(p)(1,1),i=1,···,pS(p)=Σj=1pΣi=1n+1-pσj2vji(vji)H]]>得出解向量M_tls后再计算变量X，求出声波在每一块网格区域上传播速度的倒数，利用步骤(3)中速度与温度的关系式，可精确地重建出海底热液口截面温度场。