海底热液口温度场声学测量技术研究

摘要

海底火山活动产生了热液喷口，热液流体的最高温度可达400℃，在喷发的热液流体和周围海水之间形成了陡峭的温度场分布．热液口周围温度场的分布对于海洋环境监测、准确测量热液热通量、研究热液成矿机制及热液口生物群落，有着重要的科学意义。
　　 由于海底热液口高温、高压、浑浊等恶劣环境特性，目前国内外主要采用热电偶等接触式传感器，测量有限点的热液口温度值，尚未建立有效的温度场监测手段。
　　 在国家自然科学基金重点项目“深海热液原位长期观测系统方法与技术研究”(编号：40637037)和国家863计划课题“深海热液温度场及速度场原位声学探测系统的研制”(编号：2007AA092213)的资助下，本文在数值仿真分析和实验观测的基础上，结合水声学、信号处理和反问题理论，对海底热液口温度场声学测量技术进行了较为系统的研究，主要研究内容与结论有：
　　 1．从数值模拟和实验观测两方面揭示了高浓度悬浮颗粒物及热液气泡群对声波的衰减规律。采集了台湾龟山岛浅海热液区喷口噪声，并对其进行了频谱特性分析，结果表明，实际海底热液口噪声的频率成分主要分布在3kHz以下的低频段．特别地，在数值仿真和实验观测结果指导下，提出了温度场声学测量系统最优工作频率的选择依据和方法。综合考虑了环境噪声和声波信号在高浓度悬浮颗粒物海水中的衰减特性，最终确定采用频率范围为18kHz-23kHz的扫频信号作为发射声源．
　　 2．建立多径信号时延估计问题信号模型。提出一种已知声源信号直接互相关时延估计方法--ASSCC法，该方法采用已知基准波形，可不考虑发射信号中的噪声干扰，避免了噪声相关对时延估计产生的不利影响，与参照算法相比具有更优的时延估计性能．理论分析了多径信道时延估计的克拉美罗下界，给出了多径信号条件下的时延估计方差。提出了两种新颖的水声换能器声中心距离及响应时间标定方法，为后续的系统研制和实验研究奠定了基础。
　　 3．详细研究了温度场重建算法，提出了基于总体最小二乘法和基于抗差最小二乘法的温度场重建方法．前者针对输入和输出观测数据中均含有噪声的温度场重建问题，进行自适应迭代，提高了算法的鲁棒性，使得算法简单、稳定性好；后者继承并发展了经典最小二乘法的思想，在保留其计算量小等优点的同时，增强抗差性，克服了测量粗差可能导致重建结果奇异的问题，保证了温度场声学重建方法良好的工程实用性．对影响温度场图像重建精度的因素进行了详细的仿真研究，结果表明温度场重建精度除受传感器数量及位置分布影响之外，与测量区域大小、网格划分数、声波飞渡时间测量精度及测量粗差等因素都有直接关系．
　　 4．进行海底热液温度场声学测试系统集成研究。根据系统的实际工况和布放方式，给出了完整的集成方案，提出了新颖的水声换能器机架结构设计、密封舱结构设计．研制了一套海底热液口温度场声学测量系统。系统采用标准水听器作为水下接收/发射换能器，使用高速数据采集系统同步采样多路信号，进行声波飞渡时间延迟估计，最后由上位机软件重建温度场。
　　 5．开展了海底热液口温度场声学测量系统在水池条件下的模拟实验。首先，进行了标定实验，测量得到了每一对水声换能器的声中心距离和响应时间值；然后在试验水池中，测量了模拟温度场，验证了声学测温方法的可行性。在云南省龙陵县茄子山水库热泉区，进行了系统湖试应用研究。湖底热泉位于北纬24°32'33”，东经98°47'44”．实验结果表明，重建温度场的最大相对误差为1.11％．
　　 系统的成功研制和湖试应用，说明了海底热液口温度场声学测量方法的可行性，同时积累了一定量的技术和经验，为今后的海底原位测量铺平了道路。本文的研究成果在水质监测、核物理研究、化学工程及农业工程领域同样具有广阔的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 海底热液口温度检测技术的发展

1.2.1 接触式温度测量法

1.2.2 非接触式温度测量法

1.3 声学法温度测量技术在国内外的研究现状和发展

1.3.1 锅炉炉膛声学法测温技术在国内外的研究现状和发展

1.3.2 海洋声层析技术在国内外的研究现状和发展

1.4 基于声学的热液观测技术在国内外的研究现状和发展

1.5 海底热液口温度场声学测量方法的技术难点

1.6 本文研究思路和内容安排

1.7 本章小结

2 海底热液口环境声波传播特性研究

2.1 引言

2.2 海底声信道分析

2.2.1 均匀介质中线性声波的波动方程

2.2.2 声波通过海底热液区的波动方程

2.2.3 海水中的声速度

2.2.4 海底水流对声波飞渡时间的影响及其抵消方法

2.2.5 富含悬浮颗粒物海水中的声波衰减

2.2.6 气泡对声波信号的吸收和散射

2.2.7 海底热液口环境噪声

2.3 温度场声学测量系统的最佳工作频率研究

2.3.1 问题描述

2.3.2 最优工作频率选择

2.3.3 实验和结果分析

2.4 多途效应及其对策

2.5 温度梯度场中的声线传播路径模型

2.6 本章总结

3 声波时间延迟估计技术研究

3.1 引言

3.2 时间延迟数学模型

3.3 时间延迟估计算法

3.3.1 已知信号直接相关法时间延迟估计

3.3.2 广义相关法时间延迟估计

3.4 时间延迟估计算法的仿真计算与结果分析

3.5 多径信道时延估计的克拉美罗下界(CRLB)

3.6 换能器响应时间及声中心距离标定方法研究

3.6.1 标定方法一

3.6.2 标定方法二

3.7 本章小结

4 二维温度场重建技术研究

4.1 引言

4.2 温度场重建算法

4.2.1 基于最小二乘法的温度场重建算法

4.2.2 基于总体最小二乘法的温度场重建算法

4.2.3 基于抗差最小二乘法的温度场重建算法

4.3 影响温度场重建精度的因素分析

4.3.1 模型函数

4.3.2 重建温度场质量评价参数

4.3.3 无输入误差时三种算法的比较分析

4.3.4 水声换能器数量和位置分布的影响

4.3.5 网格划分对温度场重建的影响

4.3.6 测量面积不同对温度场重建精度的影响

4.3.7 声学数据测量粗差对温度场重建精度的影响

4.4 本章小结

5 海底热液口温度场声学测量系统的设计和实现

5.1 引言

5.2 温度场声学测量系统的机械设计

5.2.1 水声换能器机架

5.2.2 水密耐压舱

5.3 温度场声学测量系统的电路设计

5.3.1 声波飞渡时间测量系统

5.3.2 声源自动切换电路模块

5.3.3 水声换能器选择

5.4 温度场声学测量系统的软件设计

5.4.1 串口通信软件模块

5.4.2 数据采集模块

5.4.3 数据存储模块

5.4.4 信号发生模块

5.4.5 上位机前面板

5.5 本章总结

6 海底热液口温度场声学测量系统的实验研究

6.1 引言

6.2 水池实验

6.2.1 水声换能器声中心距离及响应时间标定实验

6.2.2 冷态温度场测量实验

6.2.3 单峰温度场测量实验

6.2.4 实验结果

6.3 云南省龙陵县茄子山水库热泉区温度场实验研究

6.3.1 实验过程和方法

6.3.2 实验结果

6.3.3 实验结果分析

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 论文总结

7.2 论文主要创新点

7.3 工作展望

参考文献

作者简历