CN113359182B - 一种深海热液喷口快速搜寻定位装置、方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深海热液喷口快速搜寻定位装置、方法及系统。该装置包括：接收水听器阵列、波束扫描单元、热液喷口检测单元和热液喷口定向定位单元，所述接收水听器阵列用于采集水声数据，所述波束扫描单元对所述水声数据进行处理得到声信号，所述热液喷口检测单元用于根据所述声信号判断是否存在热液喷口，所述热液喷口定向定位单元用于当存在所述热液喷口时对所述热液喷口进行定位。本发明能够实现深海热液喷口的远距离快速搜寻和精确定位。

Description

一种深海热液喷口快速搜寻定位装置、方法及系统

技术领域

本发明涉及热液喷口定位领域，特别是涉及一种深海热液喷口快速搜寻定位装置、方法及系统。

背景技术

在1977年“阿尔文”号载人潜水器首次在东太平洋海隆的加拉帕戈斯群岛海域发现热液区后，海底热液区以其独特的高温、高压、缺氧环境，丰富的矿藏资源以及独特的生物、基因资源等引起了科学家的震惊以及极大的兴趣。对热液区域的研究具有科学和经济双重意义，而发现热液喷口又是研究的基础。海底热液活动主要分布在洋中脊和弧后盆地，也有部分位于火山弧和板内火山等。从目前发现的热液区或异常区来看，海底热液的分布极不均匀，其中太平洋分布最多，大西洋次之，北冰洋和印度洋较少。据统计，对全球洋中脊地球系统的热液探测不到10％。

国际上有许多寻找热液喷口的方法，其中地球物理方法和水文方法是海底热液探测中较为成熟的方法，能够探测到几千米范围内的热液异常状况。他们主要利用热液活动区和上覆水体的物理和化学异常，通过海底热流测量、热液活动区热液柱的CH₄、³He和Mn异常观测、热液柱的硅氧异常观测、热液柱的CTD异常观测、地磁异常、海底照相、侧扫声纳、多波束测量、OBS观测、深潜调查等手段，实现对海底热液活动区的探测和分布调查。对热液活动区探测的技术手段归集起来，主要分为两大类：近距离探测和走航式调查。近距离探测利用深拖或水下航行器携带CTD、MAPR、化学探测系统、侧扫声纳等，对目标区进行精细探测。走航式调查是指船只在保证正常行驶的情况下，搭载多波束或单波束声纳对海底进行大面积扫描，搜索海底热液喷口。对比两大类探测手段，近距离探测的优点在于探测精度高，缺点是工作效率低；走航式调查的优点在于范围广，缺点是探测精度低、误差率高。由此可见，在深海洋中脊复杂地形下，如何实现较大范围内快速有效探测到热液喷口，又能精确地发现热液喷口位置，成为深海热液探测的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种深海热液喷口快速搜寻定位装置、方法及系统，能够实现深海热液喷口的远距离快速搜寻和精确定位。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种深海热液喷口快速搜寻定位装置包括：接收水听器阵列、波束扫描单元、热液喷口检测单元和热液喷口定向定位单元，所述接收水听器阵列用于采集水声数据，所述波束扫描单元对所述水声数据进行处理得到声信号，所述热液喷口检测单元用于根据所述声信号判断是否存在热液喷口，所述热液喷口定向定位单元用于当存在所述热液喷口时对所述热液喷口进行定位。

一种深海热液喷口快速搜寻定位方法包括：

获取船舶航行轨迹；

根据所述船舶航行轨迹确定当船舶到达指定位置后，将接收水听器阵列布放入海中；

通过所述接收水听器阵列采集水声数据；

对所述水声数据进行处理，得到声信号；

根据所述声信号，判断热液喷口是否存在；

若是，对所述热液喷口进行定位；

若否，返回至通过所述接收水听器阵列采集水声数据步骤。

可选地，所述对所述水声数据进行处理，得到声信号，具体包括：

通过波束扫描单元对所述水声数据进行处理，对于不同的波束指向，生成相应的声信号。

可选地，所述根据所述声信号，判断热液喷口是否存在，具体包括：

通过热液喷口检测单元对波束扫描单元的输出的声信号进行判断，所述判断具体为判断所述声信号是否大于检测门限。

可选地，所述对所述热液喷口进行定位，具体包括：

通过热液喷口定向定位单元对所述声信号进行定向，得到定向信息；

获取海底深度信息；

通过所述定向信息和所述海底深度信息通过三角几何关系进行解算，得到热液喷口的相对位置；

获取船载GPS测量的经纬度；

根据所述热液喷口的相对位置和所述经纬度采用坐标变换，得到热液喷口的绝对位置。

一种深海热液喷口快速搜寻定位系统包括：

船舶航行轨迹获取模块，用于获取船舶航行轨迹；

接收水听器阵列布放模块，用于根据所述船舶航行轨迹确定当船舶到达指定位置后，将接收水听器阵列布放入海中；

水声数据采集模块，用于通过所述接收水听器阵列采集水声数据；

水声数据处理模块，用于对所述水声数据进行处理，得到声信号；

热液喷口判断模块，用于根据所述声信号，判断热液喷口是否存在；

热液喷口定位模块，用于当存在热液喷口时，对所述热液喷口进行定位；

返回模块，用于当不存在热液喷口时，返回至水声数据采集模块。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种深海热液喷口快速搜寻定位装置，通过接收水听器阵列采集水声数据，波束扫描单元对水声数据进行处理得到声信号，热液喷口检测单元根据所述声信号判断是否存在热液喷口，当存在热液喷口时热液喷口定向定位单元对热液喷口进行定位，从而能够实现深海热液喷口的远距离快速搜寻和精确定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明深海热液喷口快速搜寻定位装置组成示意图；

图2为本发明深海热液喷口快速搜寻定位方法流程图；

图3为三角几何关系示意图；

图4为本发明深海热液喷口快速搜寻定位系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

声学在海洋热液探测过程中扮演着举足轻重的角色。热液黑烟囱喷口在向外喷射热液时，必然会产生轰隆噪声。曾有学者利用一对水听器构成的海底热液噪声测量系统记录了洋中脊热液黑烟囱喷口的噪声，在Juan de Fuca Ridge 热液喷口连续测量了48小时。这种热液噪声可以通过海水传播到很远的地方。这为我们大范围快速探测和定位热液喷口提供了可能。因此，本发明提出“一种深海热液喷口快速搜寻定位装置、方法及系统”，突破现有热液探测面临的困难，充分发挥声波远距离探测和定位的技术优势，实现深海热液喷口的远距离快速搜寻和精确定位。

图1为本发明深海热液喷口快速搜寻定位装置组成示意图。如图1所示，一种深海热液喷口快速搜寻定位装置包括：接收水听器阵列1、波束扫描单元 2、热液喷口检测单元3和热液喷口定向定位单元4，所述接收水听器阵列1 用于采集水声数据，所述波束扫描单元2对所述水声数据进行处理得到声信号，所述热液喷口检测单元3用于根据所述声信号判断是否存在热液喷口，所述热液喷口定向定位单元4用于当存在所述热液喷口时对所述热液喷口进行定位。

图2为本发明深海热液喷口快速搜寻定位方法流程图。如图2所示，一种深海热液喷口快速搜寻定位方法包括：

步骤101：获取船舶航行轨迹；

步骤101在进行时需要根据历史资料，确定热液搜寻目标靶区，并制定船舶航行轨迹。

地质学家可以根据海底地形特征和地壳活动情况，大致确定热液喷口可能存在的区域，称为热液搜寻目标靶区。热液搜寻目标靶区通常较大，而本发明布放的接收水听器阵列，覆盖范围是有限的。为了能够对目标靶区进行全覆盖搜寻，需要结合本发明方法的覆盖范围，合理制定船舶航行轨迹，做到不遗漏。

步骤102：根据所述船舶航行轨迹确定当船舶到达指定位置后，将接收水听器阵列布放入海中。

步骤103：通过所述接收水听器阵列采集水声数据。

步骤104：对所述水声数据进行处理，得到声信号，具体包括：

通过波束扫描单元对所述水声数据进行处理，对于不同的波束指向，生成相应的声信号。

多个水听器构成阵列，可以进行波束形成，生成大量不同指向的波束。对于某个指向的波束，只有该指向的声信号被保留，其它方向的声信号被抑制掉。这个优点像滤波器，只保留某个频率的信号，其它频率信号被抑制掉一样。由于可以生成大量不同指向的波束，水声数据接收到之后，就可以通过不同指向的波束，生成不同指向的声信号。如果某个方向正好有热液喷口，那么热液喷口发出的声音，到达阵列后，只有这个方向上的声信号无损通过，其它方向的噪声信号被抑制。而对于其它波束，它对准其它方向，因此也会抑制掉热液喷口辐射的声音。

步骤105：根据所述声信号，判断热液喷口是否存在，具体包括：

通过热液喷口检测单元对波束扫描单元的输出的声信号进行判断，所述判断具体为判断所述声信号是否大于检测门限。

步骤106：若是，对所述热液喷口进行定位。

若否，返回至通过所述接收水听器阵列采集水声数据步骤。

步骤106具体包括：

步骤1061：通过热液喷口定向定位单元对所述声信号进行定向，得到定向信息；

步骤1062：获取海底深度信息；

步骤1063：通过所述定向信息和所述海底深度信息通过三角几何关系进行解算，得到热液喷口的相对位置；

步骤1064：获取船载GPS测量的经纬度；

步骤1065：根据所述热液喷口的相对位置和所述经纬度采用坐标变换，得到热液喷口的绝对位置。

图3为三角几何关系示意图；在确定存在热液喷口后，对相应波束扫描单元输出的声信号，通过目标方位估计算法(如最大似然估计器)进行目标方位估计，确定热液喷口相对于水听器阵列的俯仰角θ和方位角α。海底深度可以通过单波束测深仪实时测量，或者通过已有多波束地形图直接读取。水听器阵列的深度可以通过相应的深度传感器测量得到。海底深度减去水听器阵列深度，得到两者之间的深度差∆z。深度差、热液喷口水平距离、热液喷口与水听器阵列，共同构成直角三角形。热液喷口水平距离

在此基础上，根据水听器阵列姿态角和方位角α，进行坐标旋转变换，得到热液喷口相对于水听器阵列的位置。再进一步，结合船载GPS测量的经纬度，再次进行坐标变换，可以得到热液喷口的绝对经纬度。

图4 为本发明深海热液喷口快速搜寻定位系统结构图。如图4 所示，一种深海热液喷口快速搜寻定位系统包括：

船舶航行轨迹获取模块201，用于获取船舶航行轨迹；

接收水听器阵列布放模块202，用于根据所述船舶航行轨迹确定当船舶到达指定位置后，将接收水听器阵列布放入海中；

水声数据采集模块203，用于通过所述接收水听器阵列采集水声数据；

水声数据处理模块204，用于对所述水声数据进行处理，得到声信号；

热液喷口判断模块205，用于根据所述声信号，判断热液喷口是否存在；

热液喷口定位模块206，用于当存在热液喷口时，对所述热液喷口进行定位；

返回模块207，用于当不存在热液喷口时，返回至水声数据采集模块。

已有的走航式调查，通过船载多波束或单波束声纳对海底进行大面积扫描，根据回波信号的异常来搜索海底热液喷口。它们属于主动探测，回波信号异常主要是热液羽状流中的气泡层引起的。虽然安装在水下航行器上的侧扫声纳或高频多波束(200kHz左右)，能够较好的反映出热液羽状流引起的回波信号异常，但是对于全海深多波束或单波束声纳(12kHz左右)，热液羽状流引起的回波信号异常非常微弱，导致热液喷口探测精度低、误差率高。与之相比，本发明提出的方法虽然也是走航式调查，但是探测原理完全不同。本发明属于被动探测，利用水听器阵列探测热液喷口的辐射噪声。由于声波在海水中可以传播很远的距离，因此本发明可以实现较大范围的探测，并且可以在发现热液喷口后，进行定向和定位。由此可见，与已有的走航式调查相比，本发明可以解决如下难题：如何实现较大范围内快速有效探测到热液喷口，又能精确地发现热液喷口位置。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种深海热液喷口快速搜寻定位装置，其特征在于，包括：接收水听器阵列、波束扫描单元、热液喷口检测单元和热液喷口定向定位单元，所述接收水听器阵列用于采集水声数据，所述波束扫描单元对所述水声数据进行处理得到声信号，所述热液喷口检测单元用于根据所述声信号判断是否存在热液喷口，所述热液喷口定向定位单元用于当存在所述热液喷口时对所述热液喷口进行定位。

2.一种深海热液喷口快速搜寻定位方法，其特征在于，所述深海热液喷口快速搜寻定位方法应用于权利要求1所述的深海热液喷口快速搜寻定位装置，包括：

获取船舶航行轨迹；

根据所述船舶航行轨迹确定当船舶到达指定位置后，将接收水听器阵列布放入海中；

通过所述接收水听器阵列采集水声数据；

对所述水声数据进行处理，得到声信号；

根据所述声信号，判断热液喷口是否存在；

若是，对所述热液喷口进行定位；

若否，返回至通过所述接收水听器阵列采集水声数据步骤。

3.根据权利要求2所述的深海热液喷口快速搜寻定位方法，其特征在于，所述对所述水声数据进行处理，得到声信号，具体包括：

通过波束扫描单元对所述水声数据进行处理，对于不同的波束指向，生成相应的声信号。

4.根据权利要求2所述的深海热液喷口快速搜寻定位方法，其特征在于，所述根据所述声信号，判断热液喷口是否存在，具体包括：

通过热液喷口检测单元对波束扫描单元的输出的声信号进行判断，所述判断具体为判断所述声信号是否大于检测门限。

5.根据权利要求2所述的深海热液喷口快速搜寻定位方法，其特征在于，所述对所述热液喷口进行定位，具体包括：

通过热液喷口定向定位单元对所述声信号进行定向，得到定向信息；

获取海底深度信息；

通过所述定向信息和所述海底深度信息通过三角几何关系进行解算，得到热液喷口的相对位置；

获取船载GPS测量的经纬度；

根据所述热液喷口的相对位置和所述经纬度采用坐标变换，得到热液喷口的绝对位置。

6.一种深海热液喷口快速搜寻定位系统，其特征在于，包括：

船舶航行轨迹获取模块，用于获取船舶航行轨迹；

接收水听器阵列布放模块，用于根据所述船舶航行轨迹确定当船舶到达指定位置后，将接收水听器阵列布放入海中；

水声数据采集模块，用于通过所述接收水听器阵列采集水声数据；

水声数据处理模块，用于对所述水声数据进行处理，得到声信号；

热液喷口判断模块，用于根据所述声信号，判断热液喷口是否存在；

热液喷口定位模块，用于当存在热液喷口时，对所述热液喷口进行定位；

返回模块，用于当不存在热液喷口时，返回至水声数据采集模块。

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