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海洋热液/冷泉区气泡声学探测技术研究

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第一章绪论

1.1研究背景与意义

1.2热液/冷泉探测技术成果

1.3国内外海洋热液/冷泉区声波探测技术研究现状

1.4本文主要研究思路及内容

第二章 海洋热液/冷泉区气泡声学探测理论研究

2.1 热液/冷泉区特性分析

2.2 水下声波特性

2.3 海水中声波速度

2.4 海水中气泡声学特性

2.5 海水中气泡的共振频率

2.6 海水中气泡的后向散射强度

2.7 海水中气泡的后向散射Medwin模型

2.8 本章小结

第三章 海洋热液/冷泉的声学探测实验平台

3.1 水声探测实验平台设计

3.2 信号发射模块设计

3.3 信号接收端模块设计

3.4 水下声学数据采集软件平台设计

3.5 本章小结

第四章 热液/冷泉区气泡流量流速的声学探测实验研究

4.1 水声实验器材性能测试

4.2 超声波发射信号的波形选择

4.3 气泡流量探测实验研究

4.4 气泡流速探测实验研究

4.5 气泡浓度计算

4.6 本章小结

第五章 水下目标定位及成像技术实验研究

5.1 水下目标定位原理分析

5.2 水下目标回波亮点模型

5.3 水下目标识别实验

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1论文总结

6.2工作展望

致谢

参考文献

附录

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摘要

目前,海洋热液/冷泉系统及其相关领域成为了海洋探测领域中世界各国研究的热点。海洋热液活动产生了丰富的矿产资源以及培育了独特的特异生物群落资源;海洋冷泉区常含有巨大资源前景和引发环境灾害的天然气水合物,并且经常蕴育一些特异生物群落,这些特异生物群落可依赖冷泉区的流体化学成分而生存。因此,对海洋热液/冷泉系统及其相关领域的探测具有重大的资源和环境效益。
  海底热液喷口上方喷出的大量热液会形成热液羽状流,在一些热液的喷口,经常会生成大量的气泡,气泡内气体的主要化学成分包括H2S、CH4以及CO2等气体;海底冷泉喷口上方也经常有大量气泡,这些气泡聚集形成大片的气泡幕,气泡内气体的主要成分是CH4和CO2。因此,可以根据热液/冷泉喷口都有大量气泡喷出这一物理特征,简化研究思路和方法,把热液/冷泉的探测和定位转化为热液/冷泉喷口气泡各项参数的探测。
  本文主要依据国家自然科学基金重点项目“海洋热液/冷泉远距离探测及定位技术研究”,在进行了大量的仿真模拟和实验总结的基础上,结合水声学、信号处理等理论,对水下气泡的共振频率、后向散射强度、流速、流量、浓度和水下目标的定位、识别等方面进行了较为系统的研究分析,主要研究内容有:
  第一章:介绍了国内外海洋热液/冷泉活动区气泡的探测方法、研究现状和已取得的一些有重要价值的成果;根据热液/冷泉区喷口都有大量气泡生成这一物理特征,简化了项目的研究思路,把热液/冷泉的探测定位转化为对水下气泡关键参数的探测和定位。
  第二章:对水下声波特性和气泡的声学特性进行了分析;根据水下声波速度的有关经验公式,结合实验室水箱实验的相关因素,得出了实验室中水下声波的速度;进行了相关实验,验证了水下气泡的共振频率;总结了水下气泡的不同后向散射模型,并根据实际实验条件对模型的适用性和特点进行了分析。
  第三章:搭建了水声实验探测的硬件平台、设计了一套水声探测软件系统。硬件系统包括声波发射模块、接收模块和滤波模块,发射模块的设计包括信号发生器和发射换能器的选型和参数设置、功率放大器的电路设计;接收模块主要是根据实验室条件和气泡特性选择合适的接收水听器的型号以及前置信号放大器;软件系统主要是基于LabVIEW的NI声学信号采集系统的设计,用LabVIEW实现了声学信号的接收、存储和滤波等功能。
  第四章:对主要的水声探测设备换能器和水听器进行了相关性能测试实验,对换能器发射的超声波声场进行了数值模拟,为后续的水声实验奠定了基础。采用透射声波法,对不同流量下的气泡幕进行了声波探测,得出透射声压幅值和气泡流量的关系式,由透射声压幅值可反演出气泡的流量;此外,根据相关流量法,对不同高度的气泡声波信号进行互相关分析,计算出了气泡幕的上升速度,并且对相关条件下气泡浓度的计算进行了分析说明。
  第五章:介绍了水声测向和基于最小二乘法的定位算法,并开展了相关的定位实验进行了定位算法的验证;根据水下目标回波亮点模型,对水下刚性、柔性目标进行了探测,得到了水下刚性球体(钢球)的三维声学散点图和柔性物体(气球)的轮廓图,并对刚性目标和柔性目标的回波强度和回波波形进行了对比,总结出刚性目标和柔性目标回波强度、波形的差异。
  第六章:对全文进行总结,总结出论文研究内容的不足之处和需要改进的地方。

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