[发明专利]深海热液口速度场原位在线声学检测方法

摘要

本发明涉及一种深海热液口速度场原位在线声学检测方法。现有的测定热液口速度场无法对热液出口的速度分布作出准确测量。本发明方法首先使下层中编号为1的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，计算两者之间声波的传播时间。其次重复上述过程得到下层中每个水声换能器与上层中所有水声换能器之间的声波传播时间。然后以上层水声换能器发射声波，下层所有水声换能器接收声波，计算得到上层中每个水声换能器与下层的所有水声换能器之间的声波传播时间。最后利用数据层析还原算法重建海底热液口二维平均法向速度场。本发明采用一种非接触式测量，在恶劣环境下连续实时测量，提高热液口热通量测量准确度。

主权项

深海热液口速度场原位在线声学检测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：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，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 R ( n ) = Σ k = 0 k = N f 2 * ( k ) · f 2 ( 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当流体流动速度方向与声速传播方向相同时，则有： TOF i - j = L i - j c i - j + v i - j - - - ( 1 ) 其中，TOFi-j是下层中编号为i作为发射声波的水声换能器和上层中编号为j作为接收声波的水声换能器时声波传播路径上的声波飞渡时间，i，j＝1，2，3…n，Li-j是下层中编号为i作为发射声波的水声换能器和上层中编号为j作为接收声波的水声换能器的声中心距离，ci-j是下层中编号为i作为发射声波的水声换能器和上层中编号为j作为接收声波的水声换能器之间声波传播路径上的平均声速，vi-j是下层中编号为i作为发射声波的水声换能器和上层中编号为j作为接收声波的水声换能器之间声波传播路径上流体流动的速度分量；当流体流动速度方向与声速传播方向相反时，则有： TOF j - i = L j - i c j - i - v j - i - - - ( 2 ) 其中，TOFj-i是上层中编号为j作为发射声波的水声换能器和下层中编号为i作为接收声波的水声换能器时声波传播路径上的声波飞渡时间，Lj-i是上层中编号为j作为发射声波的水声换能器到下层中编号为i作为接收声波的水声换能器的声中心距离，cj-i是上层中编号为j作为发射声波的水声换能器和下层中编号为i作为接收声波的水声换能器之间声波传播路径上的平均声速，vj-i是上层中编号为j作为发射声波的水声换能器和下层中编号为i作为接收声波的水声换能器之间声波传播路径上流体速度分量；Li-j，Lj-i，ci-j，cj-i，vi-j，vj-i都是标量，且Li-j＝Lj-i，ci-j＝cj-i，vi-j＝vj-i，从而可计算得到下层中编号为i水声换能器和上层中编号为j水声换能器之间声波传播路径上声波飞渡时间差ΔTi-j； ΔT i - j = TOF i - j - TOF j - i = L i - j c i - j + v i - j - L j - i c j - i - v j - i = - 2 L i - j v i - j c i - j 2 - v i - j 2 - - - ( 3 ) 由于测量对象vi-j比ci-j小3个数量级以上，分母中vi-j2项可忽略，可得出： ΔT i - j = TOF i - j - TOF j - i = - 2 L i - j v i - j c i - j 2 - - - ( 4 ) 取垂直向上方向为三维笛卡儿坐标系中的z轴正向，则有vi-j＝wi-j cosθi-j (5)其中，wi-j是下层中编号为i水声换能器和上层中编号为j水声换能器之间声波传播路径上的热液流动的平均法向速度，θi-j是下层中编号为i水声换能器和上层中编号为j水声换能器之间声波传播路径与z轴正向的夹角；由公式(4)和(5)可得： ΔT i - j = - 2 L i - j w i - j cos θ i - j c i - j 2 - - - ( 6 ) 步骤(5)、利用数据层析还原算法重建海底热液口二维平均法向速度场；建立下、上两层平面之间所有水声换能器的3n2/4条声波传播路径的速度场声学测量模型；所述的声学测量模型为将被测立体空间划分成m2个长方体网格，其中每个长方体体积为(l/m)×(l/m)×h；网格区域标记为s，则可建立如下关系； ΔT p = Σ k = 1 s a pk w k 其中，s＝m2，p＝1，2，…，3n2/4，ΔTp是第p条声波传播路径上的声波飞渡时间差， a pk = - 2 cos θ pk c 2 L pk , θpk为第k个网格内第p条路径与z轴正方向的夹角，Lpk是声波在第p条传播路径通过第k个网格区域的长度，θpk、Lpk都是常数，wk是第k个网格内声波平均法向速度，写成矩阵形式，得到如下的方程组：AW＝ΔT (7)其中 A = a 11 a 12 . . . a 1 k a 21 a 22 . . . a 2 k . . . . . . . . . a p 1 a p 2 . . . a pk , W = w 1 w 2 . . . w K , ΔT = ΔT 1 ΔT 2 . . . ΔT p 矩阵A是已知的，矩阵ΔT中的各元素可通过步骤(3)中测得的声波传播时间矩阵T计算得出，对于此线性方程组，由总体最小二乘方法可得到变量W，即求出声波在每一块网格区域上平均法向速度，从而可重建出海底热液口热液流动的法向速度场。