CN101726626B - 深海热液口速度场原位在线声学检测方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

深海热液口速度场原位在线声学检测方法

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)

$R\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{k=N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_1^{*}\left(k\right)\·f_2(k+n)$

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

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：

${\mathrm{TOF}}_{i-j}=\frac{L_{i-j}}{c_{i-j}+v_{i-j}}---\left(1\right)$

其中，TOF_i-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，L_i-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，c_i-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，v_i-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：

${\mathrm{TOF}}_{j-i}=\frac{L_{j-i}}{c_{j-i}-v_{j-i}}---\left(2\right)$

其中，TOF_j-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，L_j-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，c_j-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，v_j-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。

公式(1)和(2)中的L_i-j，L_j-i，c_i-j，c_j-i，v_i-j，v_j-i都是标量，且L_i-j＝L_j-i，c_i-j＝c_j-i，v_i-j＝v_j-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ΔT_i-j。

${\mathrm{\ΔT}}_{i-j}={\mathrm{TOF}}_{i-j}-{\mathrm{TOF}}_{j-i}=\frac{L_{i-j}}{c_{i-j}+v_{i-j}}-\frac{L_{j-i}}{c_{j-i}-v_{j-i}}=\frac{{-2L}_{i-j}{v}_{i-j}}{{c_{i-j}}^2-{v_{i-j}}^2}---\left(3\right)$

由于测量对象v_i-j比c_i-j小3个数量级以上，分母中v_i-j ²项可忽略，可得出：

${\mathrm{\ΔT}}_{i-j}={\mathrm{TOF}}_{i-j}-{\mathrm{TOF}}_{j-i}=\frac{{-2L}_{i-j}{v}_{i-j}}{c_{i-j}^2}---\left(4\right)$

由于海底热液流动主要是由密度差形成的浮力流，则热液流动方向是沿海底热液口垂直向上，取垂直向上方向为三维笛卡儿坐标系中的z轴正向，则有

v_i-j＝w_i-jcosθ_i-j    (5)

其中，w_i-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，θ_i-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：

${\mathrm{\ΔT}}_{i-j}=\frac{{-2L}_{i-j}{w}_{i-j}{\cos \mathrm{\θ}}_{i-j}}{c_{i-j}^2}---\left(6\right)$

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(垂直方向)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。

${\mathrm{\ΔT}}_p=\underset{k=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{pk}}{w}_k$

其中，s＝m²，p＝1，2，…，3n²/4，ΔT_p是第p条声波传播路径上的声波飞渡时间差， $a_{\mathrm{pk}}=-\frac{2{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{pk}}}{c^2}{L}_{\mathrm{pk}},$ θ_pk为第k个网格内第p条路径与z轴正方向的夹角，L_pk是声波在第p条传播路径通过第k个网格区域的长度，θ_pk、L_pk都是常数，w_k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，

$A=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& ...& a_{1k}\\ a_{21}& a_{22}& ...& a_{2k}\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ a_{p1}& a_{p2}& ...& a_{\mathrm{pk}}\end{array}\right]$

$W=\left[\begin{array}{c}{w}_1\\ w_2\\ .\\ .\\ .\\ w_K\end{array}\right],$ $\mathrm{\ΔT}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔT}}_1\\ {\mathrm{\ΔT}}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔT}}_p\end{array}\right]$

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。

本发明采用一种非接触式的热液口速度场声学原位测量，可以克服传统测量的缺点，在高温、腐蚀、多悬浮颗粒的恶劣环境下连续实时测量，提高热液口热通量测量的准确度。为科学家研究洋壳散热量、建立大洋环流模型、研究热液对临近海域海洋物理特性影响提供帮助。

附图说明

图1为水声换能器测速装置三维示意图；

图2为第i个和第j个声换能器声学路径热液流速计算二维平面图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理、结构做进一步的说明。

如图1所示，装置由上层B和下层A两层RHS-30水声换能器组成，每层装有十六个RHS-30水声换能器，同层的十六个RHS-30水声换能器都处于同一水平面，上层与下层之间的层高1m(0.2米到5米之间的任意高度都适合做速度场还原实验)，下层RHS-30水声换能器按照顺时针的顺序从第一个RHS-30水声换能器到第十六个RHS-30水声换能器均匀布置，上层RHS-30水声换能器也按照顺时针的顺序从第一个RHS-30水声换能器到第十六个RHS-30水声换能器均匀布置。

如图2所示，下层的第i个和上层的第j个水声换能器声学路径热液流速计算二维平面图。通过每对水声换能器之间声波路径上的流速计算，可以计算出Z轴正向热液的法向速度，i和j为1～16任一的一个数。

本发明方法的具体步骤如下：

步骤(1)如图1在支架上共安装上、下两层RHS-30水声换能器，每层RHS-30水声换能器都处于同一水平面，每层装有十六个RHS-30水声换能器，上、下之间距离为1m(0.2米到5米之间的任意高度都适合做速度场还原实验)，每层的水平支架杆围合成正方形，正方形的每边上设置四个RHS-30水声换能器，每条边上RHS-30水声换能器的间距为0.3m，下层RHS-30水声换能器按照顺时针的顺序从第一个RHS-30水声换能器到第十六个RHS-30水声换能器均匀布置，上层RHS-30水声换能器也按照顺时针的顺序从第一个RHS-30水声换能器到第十六个RHS-30水声换能器均匀布置。每层安装的水声换能器可以不是十六个，每条边上的水声换能器数目 可以不相等，且可以不均匀布置。本实例只是针对其中一个最优情形加以说明。

步骤(2)用扫频范围为18kHz～23kHz，声压级为69dB的扫频信号源(其它一些合适的信号源及其频率和声压级也可以测量)发射卡驱动下层中第一个水声换能器发射声波信号T1，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第一个水声换能器T1发射的声波信号进行互相关函数分析

$R\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{k=N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_1^{*}\left(k\right)\·f_2(k+n)---\left(1\right)$

其中R(n)为互相关函数，N为采样点数，可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离散声波信号，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)。

再通过切换电路把第二个水声换能器T2(为计算方便，取顺时针方向紧邻T1的水声换能器作为T2)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，再次利用互相关函数计算声波的传播时间，

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；完成步骤(2)和步骤(3)切换电路共切换31次，记为一个测量周期，该测量周期所需的时间约为1分钟。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：

${\mathrm{TOF}}_{i-j}=\frac{L_{i-j}}{c_{i-j}+v_{i-j}}---\left(2\right)$

其中，TOF_i-j是下层中第i个作为发射声波的水声换能器和上层中第j个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，L_i-j是下层中第i个作为发射声波的水声换能器和上层中第j个作为接收声波的水声换能器的声中心距离，c_i-j是下层中第i个作为 发射声波的水声换能器和上层中第j个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，v_i-j是下层中第i个作为发射声波的水声换能器和上层中第j个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：

${\mathrm{TOF}}_{j-i}=\frac{L_{j-i}}{c_{j-i}-v_{j-i}}---\left(3\right)$

其中，TOF_j-i是上层中第j个作为发射声波的水声换能器和下层中第i个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，L_j-i是上层中第j个作为发射声波的水声换能器到下层中第i个作为接收声波的水声换能器的声中心距离，c_j-i是上层中第j个作为发射声波的水声换能器和下层中第i个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，v_j-i是上层中第j个作为发射声波的水声换能器和下层中第i个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。

公式(2)和(3)中的L_i-j，L_j-i，c_i-j，c_j-i，v_i-j，v_j-i都是标量，且L_i-j＝L_j-i，c_i-j＝c_j-i，v_i-j＝v_j-i。

如果将两飞渡时间相减：

${\mathrm{TOF}}_{i-j}-{\mathrm{TOF}}_{j-i}=\frac{L_{i-j}}{c_{i-j}+v_{i-j}}-\frac{L_{j-i}}{c_{j-i}-v_{j-i}}=\frac{{-2L}_{i-j}{v}_{i-j}}{{c_{i-j}}^2-{v_{i-j}}^2}---\left(4\right)$

由于测量对象v_i-j比c_i-j小3个数量级以上，分母中v_i-j ²项可忽略，可得出：

${\mathrm{\ΔT}}_{i-j}={\mathrm{TOF}}_{i-j}-{\mathrm{TOF}}_{j-i}=\frac{{-2L}_{i-j}{v}_{i-j}}{c_{i-j}^2}---\left(5\right)$

其中ΔT_i-j是下层中第i个水声换能器和上层中第j个水声换能器之间声波传播路径上声波飞渡时间差。由于海底热液流动主要是由密度差形成的浮力流，则可以假设热液流动方向是沿海底热液口垂直向上，取其为三维笛卡儿坐标系中的z轴正向，如图2，则有

v_i-j＝w_i-jcosθ_i-j        (6)

其中，w_i-j是下层中第i个水声换能器和上层中第j个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，θ_i-j是下层中第i个水声换能器和上层中第j个水声换能器之间声波传播路径与z轴正向的夹角。

由公式(5)和(6)可得：

${\mathrm{\ΔT}}_{i-j}=\frac{{-2L}_{i-j}{w}_{i-j}{\cos \mathrm{\θ}}_{i-j}}{c_{i-j}^2}---\left(7\right)$

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(垂直方向)速度场。

建立上、下两层平面中32个水声换能器之间的192条声波传播路径的速度场声学测量模型。将被测立体空间划分为8×8共64个立体网格区域。网格区域标记为s，则可建立如下关系。

${\mathrm{\ΔT}}_p=\underset{k=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{pk}}{w}_k---\left(8\right)$

其中，s＝64，p＝1，2，…，192，ΔT_p是第p条声波传播路径上的声波飞渡时间差， $a_{\mathrm{pk}}=-\frac{2{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{pk}}}{c^2}{L}_{\mathrm{pk}},$ θ_pk为第k个网格内第p条路径与z轴正方向的夹角，L_pk是声波在第p条传播路径通过第k个网格区域的长度，θ_pk、L_pk都是常数，w_k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                   (9)

其中，

$A=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& ...& a_{1k}\\ a_{21}& a_{22}& ...& a_{2k}\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ a_{p1}& a_{p2}& ...& a_{\mathrm{pk}}\end{array}\right],$ $W=\left[\begin{array}{c}{w}_1\\ w_2\\ .\\ .\\ .\\ w_K\end{array}\right],$ $\mathrm{\ΔT}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔT}}_1\\ {\mathrm{\ΔT}}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{\ΔT}}_p\end{array}\right]$

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，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。

Claims (1)

1.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，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

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：

其中，TOF_i-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，L_i-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，c_i-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，v_i-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：

其中，TOF_j-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，L_j-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，c_j-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，v_j-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；

L_i-j，L_j-i，c_i-j，c_j-i，v_i-j，v_j-i都是标量，且L_i-j＝L_j-i，c_i-j＝c_j-i，v_i-j＝v_j-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ΔT_i-j；

由于测量对象v_i-j比c_i-j小3个数量级以上，分母中v_i-j ²项可忽略，可得出： 

取垂直向上方向为三维笛卡儿坐标系中的z轴正向，则有

v_i-j＝w_i-j cosθ_i-j    (5)

其中，w_i-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，θ_i-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：

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；

其中，s＝m²，p＝1，2，…，3n²/4，ΔT_p是第p条声波传播路径上的声波飞渡时间差，

θ_pk为第k个网格内第p条路径与z轴正方向的夹角，L_pk是声波在第p条传播路径通过第k个网格区域的长度，θ_pk、L_pk都是常数，w_k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

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。 

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