海底熱液口溫度場聲學測量技術研究.pdf

1、海底火山活動產(chǎn)生了熱液噴口，熱液流體的最高溫度可達400℃，在噴發(fā)的熱液流體和周圍海水之間形成了陡峭的溫度場分布．熱液口周圍溫度場的分布對于海洋環(huán)境監(jiān)測、準確測量熱液熱通量、研究熱液成礦機制及熱液口生物群落，有著重要的科學意義。
　　 由于海底熱液口高溫、高壓、渾濁等惡劣環(huán)境特性，目前國內(nèi)外主要采用熱電偶等接觸式傳感器，測量有限點的熱液口溫度值，尚未建立有效的溫度場監(jiān)測手段。
　　 在國家自然科學基金重點項目“深海熱液原

2、位長期觀測系統(tǒng)方法與技術研究”(編號：40637037)和國家863計劃課題“深海熱液溫度場及速度場原位聲學探測系統(tǒng)的研制”(編號：2007AA092213)的資助下，本文在數(shù)值仿真分析和實驗觀測的基礎上，結合水聲學、信號處理和反問題理論，對海底熱液口溫度場聲學測量技術進行了較為系統(tǒng)的研究，主要研究內(nèi)容與結論有：
　　 1．從數(shù)值模擬和實驗觀測兩方面揭示了高濃度懸浮顆粒物及熱液氣泡群對聲波的衰減規(guī)律。采集了臺灣龜山島淺海熱液區(qū)噴

3、口噪聲，并對其進行了頻譜特性分析，結果表明，實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)值仿真和實驗觀測結果指導下，提出了溫度場聲學測量系統(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的掃頻信號作為發(fā)射聲源．
　　 2．建立多徑信號時延估計問題信號模型。提出一種已知聲源信號直接互相關時延估計方法--ASSCC

4、法，該方法采用已知基準波形，可不考慮發(fā)射信號中的噪聲干擾，避免了噪聲相關對時延估計產(chǎn)生的不利影響，與參照算法相比具有更優(yōu)的時延估計性能．理論分析了多徑信道時延估計的克拉美羅下界，給出了多徑信號條件下的時延估計方差。提出了兩種新穎的水聲換能器聲中心距離及響應時間標定方法，為后續(xù)的系統(tǒng)研制和實驗研究奠定了基礎。
　　 3．詳細研究了溫度場重建算法，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重建方法．前者針對輸入和輸出觀測數(shù)

5、據(jù)中均含有噪聲的溫度場重建問題，進行自適應迭代，提高了算法的魯棒性，使得算法簡單、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，在保留其計算量小等優(yōu)點的同時，增強抗差性，克服了測量粗差可能導致重建結果奇異的問題，保證了溫度場聲學重建方法良好的工程實用性．對影響溫度場圖像重建精度的因素進行了詳細的仿真研究，結果表明溫度場重建精度除受傳感器數(shù)量及位置分布影響之外，與測量區(qū)域大小、網(wǎng)格劃分數(shù)、聲波飛渡時間測量精度及測量粗差等因素都有直接關系

6、．
　　 4．進行海底熱液溫度場聲學測試系統(tǒng)集成研究。根據(jù)系統(tǒng)的實際工況和布放方式，給出了完整的集成方案，提出了新穎的水聲換能器機架結構設計、密封艙結構設計．研制了一套海底熱液口溫度場聲學測量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用標準水聽器作為水下接收/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，進行聲波飛渡時間延遲估計，最后由上位機軟件重建溫度場。
　　 5．開展了海底熱液口溫度場聲學測量系統(tǒng)在水池條件下的模擬實驗。首先，進行了標定實驗

7、，測量得到了每一對水聲換能器的聲中心距離和響應時間值；然后在試驗水池中，測量了模擬溫度場，驗證了聲學測溫方法的可行性。在云南省龍陵縣茄子山水庫熱泉區(qū)，進行了系統(tǒng)湖試應用研究。湖底熱泉位于北緯24°32'33”，東經(jīng)98°47'44”．實驗結果表明，重建溫度場的最大相對誤差為1.11％．
　　 系統(tǒng)的成功研制和湖試應用，說明了海底熱液口溫度場聲學測量方法的可行性，同時積累了一定量的技術和經(jīng)驗，為今后的海底原位測量鋪平了道路。本文的