深海热液速度场声学法测量及重建算法研究

发布时间：2020-04-11 09:06

【摘要】：深海热液的研究已经成为海洋科学的一项重要研究内容,对热液活动的热和物质通量的估算是海洋热液活动研究的重要内容之一。从热液系统传输到海洋的热通量的计算取决于对热液区的规模、温度、速度等物理量的研究。因此,对热液口速度场的测量与研究成为对热液口热通量的观测计算的一个重要组成部分。传统的流体速度测量方法有示踪物法、光电法等,然而受人为和环境因素的影响较大,因此需要探索一种通过非侵入式的检测方法来获取长时间热液口的流速以及其它物理量。本文主要研究声学法测量深海热液的速度场和速度场重建算法,主要完成的工作有:首先,对传统测量流速方法进行了综述,详细阐述了声学测速的原理与方法。进而介绍了声学法测量深海热液速度场的方法,以及声学法深海热液原位温度场和速度场测量的实验系统。考虑到热液口可能会呈现各种不同的形态,设计了八种速度场模型:速度梯度较小的宽单峰、速度梯度较大的窄单峰、速度梯度较小的宽双峰、速度梯度较大的窄双峰、四峰、单峰偏置、双峰偏置、四峰偏置用以研究速度场重建算法,以优化速度测量系统的设计。其次,详细研究了速度场重建算法,应用工程数学软件MATLAB对各种速度场模型基于最小二乘法与傅里叶正则化方法进行了重建仿真。研究结果表明:前者在换能器数量较少时重建效果较差,且只能对简单的速度场模型进行重建还原;当换能器数量增多时其重建精度提高,同时可实现对复杂速度场模型的重建还原;后者对各种速度场模型皆能实现较好的还原,且重建精度较高。再次,考虑到实际测量中存在的影响速度场重建精度的各种因素,对各种模型的速度场基于测量区域划分、换能器数量、布置方式以及换能器平面间距、噪声等因素进行了重建仿真研究。结果表明:速度场的重建精度与上述各种因素都有直接关系,当在理想的飞渡时间差之上添加由噪声引起的时间测量误差时,两种重建算法的重建效果皆受一定程度的影响,即两种算法均对飞渡时间差的测量精度有较高要求。最后,对三维速度场的测量基于最小二乘法与傅里叶正则化方法进行了重建仿真与分析比较。结果表明,后者的重建效果较之前者更为理想,重建精度较高;增加声学换能器数量可提高三维速度场的重建精度。同时,研究了非均匀温度场下声波飞渡路径受温度梯度影响而产生的弯曲效应,从而提高速度场的重建精度。
【图文】：

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直向上坐标为 z ，温度测量控制面取 xy 横截面。成的浮力流，因此假设流速主要是 z 向的，x 、 y 向设立两层以上的温度测量控制面，并在相邻两其飞渡时间差（单位为 s ）。设跨层声波飞渡路径本为 z 向，则有 w = v / c o sθ 流向速度（单位为 m / s ），v 为沿声波飞渡路径方如图 2. 1 所示。 .5 ）可得 22 co s 正反差 AB AB BA AB L wt t tc θ = = 单位为 m / s ）为飞渡路径 AB 上的平均垂向速度，就可以得出两个温度测量控制面之间的平均垂量。

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对应的 m 减去 p 而得到。时间表示的时间延迟可由对 h ( n)插值而得到，如式（ 2 . 1 7）所 ∑= = pmpmh (t)h(n)s i nc(tm)^()h t最大值相对应的时间 t 减去 p 后便是 ()1x n与 ()2x n间的时间延方法可以减轻混响对其的影响，而 LM S 自适应滤波则通过一收敛之后给出时延估计，因此这种方法的精度比广义互相关法处理时变信号。但是滤波系数 h ( n)自适应时延估计的收敛速度远远大于广义互相关函数法，因此实时性较差。所以，为了确可以选择用互相关函数法来计算时间延迟，以确定声波的飞渡速度场。学法测速系统构成究深海热液声学法测速的关键技术之时，课题组研发了基于实声学原位测速系统如图 2 .3 所示。
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：P714.1

【参考文献】