海底熱液口溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量技術(shù)研究.pdf

1、海底火山活動(dòng)產(chǎn)生了熱液噴口，熱液流體的最高溫度可達(dá)400℃，在噴發(fā)的熱液流體和周?chē)Ｋg形成了陡峭的溫度場(chǎng)分布．熱液口周?chē)鷾囟葓?chǎng)的分布對(duì)于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、準(zhǔn)確測(cè)量熱液熱通量、研究熱液成礦機(jī)制及熱液口生物群落，有著重要的科學(xué)意義。
　　 由于海底熱液口高溫、高壓、渾濁等惡劣環(huán)境特性，目前國(guó)內(nèi)外主要采用熱電偶等接觸式傳感器，測(cè)量有限點(diǎn)的熱液口溫度值，尚未建立有效的溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段。
　　 在國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“深海熱液原

2、位長(zhǎng)期觀測(cè)系統(tǒng)方法與技術(shù)研究”(編號(hào)：40637037)和國(guó)家863計(jì)劃課題“深海熱液溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)原位聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)的研制”(編號(hào)：2007AA092213)的資助下，本文在數(shù)值仿真分析和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合水聲學(xué)、信號(hào)處理和反問(wèn)題理論，對(duì)海底熱液口溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論有：
　　 1．從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)兩方面揭示了高濃度懸浮顆粒物及熱液氣泡群對(duì)聲波的衰減規(guī)律。采集了臺(tái)灣龜山島淺海熱液區(qū)噴

3、口噪聲，并對(duì)其進(jìn)行了頻譜特性分析，結(jié)果表明，實(shí)際海底熱液口噪聲的頻率成分主要分布在3kHz以下的低頻段．特別地，在數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果指導(dǎo)下，提出了溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)最優(yōu)工作頻率的選擇依據(jù)和方法。綜合考慮了環(huán)境噪聲和聲波信號(hào)在高濃度懸浮顆粒物海水中的衰減特性，最終確定采用頻率范圍為18kHz-23kHz的掃頻信號(hào)作為發(fā)射聲源．
　　 2．建立多徑信號(hào)時(shí)延估計(jì)問(wèn)題信號(hào)模型。提出一種已知聲源信號(hào)直接互相關(guān)時(shí)延估計(jì)方法--ASSCC

4、法，該方法采用已知基準(zhǔn)波形，可不考慮發(fā)射信號(hào)中的噪聲干擾，避免了噪聲相關(guān)對(duì)時(shí)延估計(jì)產(chǎn)生的不利影響，與參照算法相比具有更優(yōu)的時(shí)延估計(jì)性能．理論分析了多徑信道時(shí)延估計(jì)的克拉美羅下界，給出了多徑信號(hào)條件下的時(shí)延估計(jì)方差。提出了兩種新穎的水聲換能器聲中心距離及響應(yīng)時(shí)間標(biāo)定方法，為后續(xù)的系統(tǒng)研制和實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 3．詳細(xì)研究了溫度場(chǎng)重建算法，提出了基于總體最小二乘法和基于抗差最小二乘法的溫度場(chǎng)重建方法．前者針對(duì)輸入和輸出觀測(cè)數(shù)

5、據(jù)中均含有噪聲的溫度場(chǎng)重建問(wèn)題，進(jìn)行自適應(yīng)迭代，提高了算法的魯棒性，使得算法簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好；后者繼承并發(fā)展了經(jīng)典最小二乘法的思想，在保留其計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，增強(qiáng)抗差性，克服了測(cè)量粗差可能導(dǎo)致重建結(jié)果奇異的問(wèn)題，保證了溫度場(chǎng)聲學(xué)重建方法良好的工程實(shí)用性．對(duì)影響溫度場(chǎng)圖像重建精度的因素進(jìn)行了詳細(xì)的仿真研究，結(jié)果表明溫度場(chǎng)重建精度除受傳感器數(shù)量及位置分布影響之外，與測(cè)量區(qū)域大小、網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)、聲波飛渡時(shí)間測(cè)量精度及測(cè)量粗差等因素都有直接關(guān)系

6、．
　　 4．進(jìn)行海底熱液溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)試系統(tǒng)集成研究。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際工況和布放方式，給出了完整的集成方案，提出了新穎的水聲換能器機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)．研制了一套海底熱液口溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器作為水下接收/發(fā)射換能器，使用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采樣多路信號(hào)，進(jìn)行聲波飛渡時(shí)間延遲估計(jì)，最后由上位機(jī)軟件重建溫度場(chǎng)。
　　 5．開(kāi)展了海底熱液口溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)在水池條件下的模擬實(shí)驗(yàn)。首先，進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

7、，測(cè)量得到了每一對(duì)水聲換能器的聲中心距離和響應(yīng)時(shí)間值；然后在試驗(yàn)水池中，測(cè)量了模擬溫度場(chǎng)，驗(yàn)證了聲學(xué)測(cè)溫方法的可行性。在云南省龍陵縣茄子山水庫(kù)熱泉區(qū)，進(jìn)行了系統(tǒng)湖試應(yīng)用研究。湖底熱泉位于北緯24°32'33”，東經(jīng)98°47'44”．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，重建溫度場(chǎng)的最大相對(duì)誤差為1.11％．
　　 系統(tǒng)的成功研制和湖試應(yīng)用，說(shuō)明了海底熱液口溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量方法的可行性，同時(shí)積累了一定量的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，為今后的海底原位測(cè)量鋪平了道路。本文的