[发明专利]深海热液口速度场原位在线声学检测方法

说明书

技术领域

本发明属于深海装备技术领域，涉及一种深海热液口速度场原位在线声学检测方法。

背景技术

对热液流量集中的热液口热通量的测量已成为研究洋壳散热量、建立大洋环流模型、研究它对临近海域海洋物理特性影响等科学问题的一个重要的组成部分。此外热液口热通量的测量也为研究热液本身的特性、它携带的化学组分在海水中对流扩散规律、化学反应、成矿机理、以及热液形成的生态环境等提供重要的依据。热液口热通量的原位测量技术的关键之一就是要在热液出口处的一个控制面(截面)测出热液的速度分布或流量。但由于热液活动区的高温高压极端环境限制，现有的测定热液口速度场的有效手段和技术非常有限。现有的手段主要是通过摄像头观察热液口直径、烟囱的流态来大致估算热液出口的速度分布或流量。海洋科学家无法对脊-洋反应区内整个温洋脊剖面的热能通量进行准确估计，只能在现有资料基础上进行一个恰当的估计。目前，国内尚未有一种能够实现热液喷口速度场原位监测，给出定量速度场信息的方法面市。

发明内容

本发明的目的在于克服传统的海底热液喷口速度或流量测量的缺点，提供了一种运行稳定可靠、测量准确快速的非侵入式、非接触式的深海热液口速度场原位在线声学检测方法，可以改进热液口热通量测量的准确度，为我国热液口热通量测量提供较先进的方法。

本发明方法的步骤是：

步骤(1)在支架上安装两层水声换能器，包括处于同一水平面的下层水声换能器和处于同一水平面的上层水声换能器，支架中每层的四根水平支架杆围合成正方形，正方形的每条边的边长为l，下层与上层间的距离为h，0.2米≤h≤5米；每层的四根水平支架杆上总计装有n个水声换能器，n是4的倍数，对n个水声换能器编号为1，2，…，n，该编号是对同层的n个水声换能器的任意选定；

步骤(2)信号源发射卡驱动下层中编号为1水声换能器发射声波信号，上层的所有水声换能器都作为接收水声换能器接收声信号，分别将上层的所有接收水声换能器接收到的声波信号与下层中编号为1发射水声换能器发射的声波信号进行互相关函数分析，互相关函数取得最大值的延迟时间即为声波的传播时间(TOF)

R(n)=Σk=0k=Nf1*(k)·f2(k+n)]]>

其中R(n)为互相关函数，N为采样点数，根据所需的测量精度设定，f₁(k)是发送水声换能器发送的声源信号，f₂(k)是接收水声换能器采集到的声波信号。

通过切换电路把下层中编号为2水声换能器作为发射声波信号的水声换能器，所述的编号为2水声换能器为下层n个水声换能器中除编号为1水声换能器外任意选定的一个；上层的所有水声换能器作为接收声波信号的水声换能器，再次利用互相关函数计算声波的传播时间。以此类推，直到完成下层中最后一个水声换能器作为发射声波信号的水声换能器，上层的所有水声换能器作为接收声波信号的水声换能器时的互相关函数分析。

步骤(3)将上层的水声换能器作为发射声波信号的水声换能器、下层的所有水声换能器作为接收声波信号的水声换能器，重复步骤(2)，得到声波的传播时间；将本步骤得到的每个声波的传播时间以及步骤(2)得到的每个声波传播时间记为矩阵T中的元素。

步骤(4)海底热液口热液流动的速度场分析

考虑声波传播方向上热液速度分量的存在，当流体流动速度方向与声速传播方向相同时，则有：