基于光學圖像序列的海底熱液噴口流場測量方法研究.pdf

1、二十一世紀是海洋的世紀，遼闊的海洋蘊藏著豐富的資源，世界各國正在圍繞大洋海底礦產資源的調查和開發(fā)開展激烈的競爭。海底熱液區(qū)域因其蘊藏的大量的礦產資源和生物資源，已經成為各國海洋調查和研究的重要方面。海底熱液通過獨特結構的煙囪體噴口，源源不斷的將巖漿與海水混合的高溫熱流噴發(fā)至海水中，使得海底巖石圈和海水之間產生了復雜的熱量和化學組分交換過程，這一交換過程涉及眾多科學問題，譬如，熱量輸出通量和物質輸出通量，熱液成礦作用的成礦條件和成礦速率，

2、熱液區(qū)域潮汐作用、構造作用、巖漿作用和地震等地質作用對熱液系統的影響，以及熱液區(qū)域生物族群與熱液環(huán)境的關系等。要深入的開展這些研究，需要獲取最基本、最重要的一個參數就是熱液流速流場。
　　 海底熱液流速的測量作為熱液研究的一個重要方面，經歷了由單點流速測量到測量截面流速，由接觸式向非接觸式的發(fā)展過程。單點流速測量方法獲得的數據的研究價值和實用價值具有一定的局限性，其測量裝置介入熱液區(qū)域對熱液流場產生干擾，此外特殊的高溫和地質環(huán)境

3、對儀器設備使用壽命和觀測效果有著較大影響，目前開展的熱液流速測量主要是非接觸式方法，包括基于聲學技術的熱液測速方法和基于光學成像的熱液測速方法。雖然通過努力獲取到了一些熱液測速的數據，但總體而言對海底熱流流速的研究仍然較少，本文圍繞著國家從近海走向深海的戰(zhàn)略目標，針對我國開展海底熱液研究工作比國外發(fā)達國家起步較晚，存基于光學成像的高分辨率海底熱液流速流場觀測方面尚處于空白的現狀，開展熱液噴口流速流場的圖像測速方法研究，為我國開展海底熱液

4、能量輸出通量等熱液的有關研究提供原始資料和科學依據。
　　 本文分析了海底熱液噴發(fā)時熱液的流體力學性質，根據熱液產生的機制和其流體力學的性質構建了熱液噴發(fā)模擬仿真裝置，存熱液噴發(fā)模型的基礎上構建光學成像與圖像采集系統，選取石墨粒子和炭黑作為示蹤粒子模擬熱液，完成整體系統集成并制定詳細的實驗方案，使用兩種模擬熱液分別進行熱液噴發(fā)仿真，獲得了高質量的模擬熱液的圖像序列，驗證了基于光學成像方法在海底熱液流速監(jiān)測的可行性。
　　

5、 本文通過對圖像測速的常用分析算法分析，介紹了基于灰度的匹配方法、相位相關法和時空互相關法的流速測量算法，并應用MATLAB語言對上述三種算法進行了測速軟件實施，使用所開發(fā)的測速軟件對采集到的圖像進行分析處理，分析結果表明基于灰度的匹配方法得到的流速流場與理論流場分布最相似，并通過將灰度匹配測速軟件對海底熱液圖像進行分析處理，結果表明灰度匹配法的準確性和實用性較高，更加適用于熱液噴口流速流場的圖像測速方法。通過對美國ROV采集的熱液噴口