WO2016155383A1 - 一种海底原位热导率的解算方法及其探测装置 - Google Patents

Abstract

一种海底原位热导率的解算方法及其探测装置，属于海底原位热流探测技术领域，通过姿态检测模块检测探针在海底的姿态和运动情况，再通过主控模块控制热脉冲控制模块激发热脉冲对测量单元前端探头的加热丝进行电加热；同时主控模块控制温度采集模块进行海底沉积物温度数据采集后输出到PC机；通过PC机建立有限元数值模型，采用网格加密搜索法进行参数反演。通过姿态检测模块来判断到底情况并进行自动热脉冲控制，同时获取海底沉积物原位环境温度和原位热导率，而且可大大提高海上作业的安全性和海底探测效率；通过建立原位热导率数值反演方法，从而摆脱原位热导率求解所依赖的简化模型解析解的局限性。

Description

一种海底原位热导率的解算方法及其探测装置 技术领域

本发明属于海底原位热流探测技术领域，特别涉及一种海底原位热导率的解算方法及其探测装置。

背景技术

地热学作为地球物理学科的一个重要分支，是一门基础性和应用性都很强的学科，而大地热流测量是获取地球热状态参数的最基本手段，也是地热学研究中最关键的环节。海底热流参数的主要来源是钻孔测温数据(如石油和大洋钻探钻孔)和海底热流探针测量。20世纪80年代初至今，不少学者利用天然气水合物勘探中揭示的似海底反射面(BSR)来估算海底热流。由于石油钻孔主要位于浅水区(如我国南海石油钻孔主要位于水深不超过200m的大陆架上)，大洋钻探钻孔虽然处于深水区域，但是站位数量很少，且由BSR估算的海底热流数据存在较多的不确定性因素。由此可知，探针式海底热流探测成为深水区和洋盆区海底热流调查的主要手段，且探针式探测技术也将是海底热流探测技术的发展方向。

早在20世纪50年代，研究学者利用设计的Bullard型地热探针在北大西洋海域成功地进行了地热探测，开辟了海底热流调查的时代。随着热工测量理论的完善及其技术方法的进步，以及计算机技术和大规模集成电路技术与存储技术的进步和普及应用，经过近半个多世纪的发展，海底热流探针探测技术也得到迅速发展。当今国际上较成熟且被广泛使用的海底热流探针可分为Ewing型(如图1所示)和Lister型(如图2所示)两类。如图1所示，传统的Ewing型探针把装有感温元件1的测量单元2等间距螺旋式外挂在取样管3的不同位置，只能实现海底沉积物的原位地温梯度测量，热导率需要在室内对采集的沉积物样品进行单独测量获得；由于采集沉积物样品时，样品原有结构和含水量不可避免地会有所破坏以及环境温度、压力条件的变化而导致所测热导率误差较大，因此，实验室测得的沉积物热导率一般都需要进行温度、压力及含水量校正。由此可知，传统的Ewing型探针虽然具有测量时间较短(约8分钟)的优点，但是不能直接获得原位热导率，实质上只是一种地温梯度探针。Lister型探针采用热脉冲技术，基于瞬 间加热无限长柱热源(IICS)简化理论模型，处理摩擦生热和热脉冲加热两阶段的温度-时间数据来求解地温梯度和原位热导率，实现了脉冲式原位热流的测量。如图2所示，该类型的探针也被称为“琴弓”型探针，其细管4中安装加热丝5，同时等间距的排列多个(或组)感温元件1，间隔一定距离固定在粗牢的钢矛6上，但是Lister型探针较粗(半径一般达5.0mm)，为尽量满足IICS简化理论模型，要求脉冲加热后，探针在沉积物中需要静止停留25分钟甚至更长，以便测量足够长的温度衰减数据用于解算出可靠的原位地温梯度和原位热导率，从而获得准确的原位热流数据。因此，与Ewing型探针相比，Lister型热流探针的海底探测效率相对较低，且对作业船只的动力定位能力和作业时的海况要求特别苛刻，一旦作业船只偏离探针插入沉积物的位置较远，探针起拔时很容易被拔弯，导致探针受损，这就在很大程度上增大了海上作业风险。

综上所述，目前国际上使用的各类探针在实际海底热流测量过程中都存在着不足之处。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是从海底热流探测的特殊性、海上实际作业的安全性、高效性及便捷性考虑，提供一种海底原位热导率的解算方法及其探测装置，克服Ewing型探针不能直接测量原位热导率及Lister型探针测量时间较长不利于海上操作的不足，便于海上作业，同时还可以在较短时间内精确和安全探测海底原位热导率。

为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：一种海底原位热导率的解算方法，包括以下步骤：

(1)通过姿态检测模块检测探针在海底的姿态和运动情况，当判断探针插入并静止于海底沉积物中，主控模块控制热脉冲控制模块激发热脉冲对测量单元前端探头的加热丝进行电加热；

(2)通过主控模块控制与探针电连接的温度采集模块进行海底沉积物温度数据采集；

(3)主控模块对温度数据进行自容处理；

(4)自容的数据通过测量单元与参数设置与数据读取器之间的通讯连接而 输出到PC机；

(5)通过PC机建立有限元TC_FE数值模型，采用网格加密搜索法进行参数反演，步骤如下：

1)设海底沉积物视热导率λ₂₁(λ₂₁为海底沉积物热导率λ与测量单元前端探头体积热容C₁比值,即λ/C₁)和海底沉积物视体积热容C₂₁(C₂₁为海底沉积物体积热容C与测量单元前端探头体积热容C₁比值,即C/C₁)，对求解区域

中两参数都进行m等份剖分,获得初始的(m+1)×(m+1)个网格节点

其中i,j＝1,2,…,m；

2)取λ₁₁＝1.0×10^-4m²·s^-1，利用TC_FE模型计算

时，测量单元前端探头顶端处的T-t温度数据,记为

其中λ₁₁为测量单元前端探头等效热导率λ₁与其等效体积热容C₁的比值,即

由于理论研究表明，λ₁₁的变化对反演结果影响非常小，可忽略不计，因此可依据测量单元前端探头加工材料的经验热导率、体积比热容和热扩散率变化范围值，取值λ₁₁＝1.0×10^-4m²·s^-1。

3)通过PC机进行有限元模拟获得的

和探针在海底沉积物中实测的T-t温度数据(记为(T_meas,t_n))进行归一化处理,获得归一化std.T-t数据：

4)利用最小二乘法,对

与std.T_meas(t_n)进行线性拟合得出：

求解该拟合直线斜率

和相关系数R^i,j,其中相关系数计算表达式如下

5)定义目标函数为

并求解各网格点处的目标函数值

6)找出目标函数值最小的网格点，

如果

(ε为判断是否满足求解要求而设定的阈值)，则接受

为所需要求解的海底沉积物视热物性参数(λ₂₁,C₂₁)，否则，将以

为中心的邻域为求解区域，将网格加密，返回到步骤2)，直到满足

为此，从而解算得到海底沉积物视热物性参数

7)再次利用最小二乘法,对

与T_meas(t_n)进行线性拟合：

根据温度采集模块测得海底沉积物环境温度T₀，

求解其拟合直线斜率

和

其中

根据步骤(1)测得的脉冲加热电流计算得到测量单元前端探头体积生热率A_{0_meas}，根据TC_FE模型得出探头的视体积生热率H_{0_mod}＝A_{0_mod}/C₁，由此可求解得到探头的体积热容

又根据λ＝λ₂₁·C₁可求解出海底沉积物热导率λ。

一种实施上述解算方法的探测装置，包括前端探头，探头内置感温元件和加热丝，还包括主控模块、温度采集模块、姿态检测模块和热脉冲控制模块，主控模块由微处理器、通讯接口电路、实时时钟、存储器和直流恒压电源构成，通讯 接口电路、实时时钟、存储器、直流恒压电源分别与微处理器对应电连接，通讯接口电路通过测量单元外壳与数据读取器通讯连接；温度采集模块由恒流源电路、温度信号调理电路和测温电阻桥构成，恒流源电路、温度信号调理电路、热敏电阻分别与测温电阻桥对应电连接，温度信号调理电路与微处理器对应电连接；姿态检测模块由姿态信号调理电路和姿态传感器构成，姿态传感器与姿态信号调理电路电连接，姿态信号调理电路与微处理器对应电连接；热脉冲控制模块由直流恒流电源和脉冲触发电路构成，直流恒流电源、加热丝分别与脉冲触发电路电连接，直流恒流电源与微处理器对应电连接。

主控模块对整个探测装置进行协调控制，主控模块可以控制温度采集模块对整个探测过程即探测装置在海水中下放、插入海底沉积物后摩擦温升与热衰减过程、热脉冲启动后温升与热衰减过程及拔出海底沉积物后在海水中回收至科考船甲板的整个过程进行温度采集。主控模块还可以控制姿态检测模块监测探针在海底作业过程中的姿态和运动情况，并控制热脉冲控制模块激发热脉冲对测量单元前端加热丝进行通电加热，具体的温度探测过程如下：直流恒压电流为测量单元供电、实时时钟记录时间、存储器用于存放程序和数据；热流探针在从作业船下放到海底的过程中，姿态检测模块与温度采集模块在设定的时刻启动采集工作，并保持低频采样；微处理器通过姿态检测模块-监测热流探针在海底作业过程中的姿态和运动情况，当判断探针插入并静止于海底沉积物中时，微处理器启动温度采集模块进入高频采样阶段，记录因测量单元前端温度传感器探头与海底沉积物摩擦而导致的温升曲线；设定的摩擦热记录时间结束后(一般为几分钟)，微处理器启动脉冲触发电路给加热丝提供恒定加热电流，同时通过温度采集模块记录温度变化曲线；记录的所有数据与时间信息都保存在存储芯片中；设定的加热时间结束后，微处理器停止加热，并持续高频采样至设定的高频采样时间结束；此后测量单元进入低频采样模式，同时热流探针回收至作业船。测量单元离开水面进入甲板后，专门的数据读取器通过连接测量单元外壳进行数据读取操作，获取的数据进一步转移至PC机进行热流数据处理与解算。

本发明的创新点在于：不仅具备了Ewing型海底热流探针中测量单元结构上便于海上作业的优势，而且因在其前端探头中增加了加热丝，可通过姿态检测模块来判断到底情况并进行热脉冲控制，从而也具备了自动热脉冲功能，其热脉冲 后的温度数据便可用于本发明中提出的原位热导率数值模拟反演方法进行解算。因此本发明可同时获取海底沉积物地温梯度和原位热导率及原位热流，而且可大大提高海上作业的安全性和海底探测效率；通过建立原位热导率数值反演模型，摆脱了原位热导率求解所依赖的简化模型解析解的局限性。

附图说明

图1是Ewing型海底热流计示意图；

图2是Lister型海底热流计示意图；

图3是海底原位热导率探测装置中测量单元结构示意图；

图4是海底原位热导率探测装置的控制原理框图；

图5是海底原位热导率解算方法流程图；

图6是海底原位热导率探测装置在站位Ind2012HF12实测的温度数据曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。

如图3所示，一种应用于海底原位热导率测量的装置和方法，包括水密抗压仓体、主控模块、温度采集模块、姿态检测模块、热脉冲控制模块，及原位热导率数值反演方法。

所述的水密抗压仓体，包括电池仓1、弹簧组合件2、电池3、黄铜电极4、绝缘套5、外筒6、电路板7、螺母8、内挡圈9、接头10、外挡圈11、端盖12、探头13、O型圈14、O型圈15、O型圈16、垫片17和O型圈18组成。

电池仓1包括弹簧组合体2、黄铜电极4、电池3和绝缘套5。绝缘套5把黄铜电极4与外筒6隔离开来，防止电池3与外筒6短路。

电池仓1和外筒6螺纹连接，其中电池仓1和外筒6之间安装有O型圈18用于轴向水密。

探头13、端盖12、外挡圈11、接头10、内挡圈9，通过螺母8依次紧固连接起来，其中探头13和端盖12之间安装有O型圈14用于轴向水密，端盖12和外挡圈11之间安装有O型圈15用于轴向水密。

外筒6和接头10通过螺纹连接，其中外筒6和接头10之间安装有O型圈16用于轴向水密。

电路板7安装在外筒6内部，通过螺丝与螺母8的一端连接，其中电路板7的安装端和螺母8的安装端之间安装有垫片17，用于绝缘。

电池仓1和外筒6的外径为30mm，测量单元总长度为200mm。探头直径为5mm，探头长度为40mm。

整个水密抗压仓体采用316L不锈钢加工。

所述的水密抗压仓体主要由电池仓、外筒、铜棒、探头仓、绝缘套等串接而成。

所述的电池仓包括电池仓外壳、负极弹簧组合片、阳极黄铜芯和电池组成，为整个设备供电。绝缘套把黄铜阳极与外壳隔离开来，使得电池电极不与外壳接触。

所述的铜棒直径(2a)设计为3-8mm，其内装有温度传感器(铂金属热电阻或者热敏电阻)，对温度进行探测。装在测量单元前端探头仓内。

所述探头仓长度(L)为30-50mm，仓内装有铜棒组件。

电池仓和外筒组成的密封舱，其外径(φc)为20-50mm，(Lc)长度约为190-300mm。电池仓与外筒使用螺纹结构进行连接。

铜棒连着端盖与外筒的接头用螺母连接起来，采用O型密封圈进行轴向水密。端盖与外筒连接，两者之间用O型密封圈进行轴向水密。接头与外筒连接中有O型密封圈进行轴向水密。铜棒与端盖间有O型密封圈，用于轴向水密。

水密抗压仓体的金属部件采用316L不锈钢或TA10钛合金加工而成。

水密抗压仓体的密封全部使用O型密封圈，截面径均为3mm。

所述的主控模块、温度采集模块、姿态检测及热脉冲控制模块安装于水密抗压仓体内部。

一种海底原位热导率的解算方法，包括以下步骤：

(1)通过姿态监测模块监测探针在海底的姿态和运动情况，当判断探针插入并静止于海底沉积物中7～10分钟后，主控模块控制热脉冲控制模块激发热脉冲对测量单元前端探头中的加热丝进行电加热；

Lister型探针通常有一根4-6米长、10cm粗的细管。细管中安装加热丝，同 时等间距的排列多个(或组)热敏电阻，间隔一定距离固定在粗牢的钢矛上。其作业特点如下：当探针插入并稳定静止在海底沉积物之后，先测量摩擦热导致的升温及其之后的衰减过程，等摩擦热基本衰减完后，再启动热脉冲，脉冲加热时间大概10～20秒，然后停止加热。脉冲加热导致的升温及其之后的热衰减过程的温度同样也被记录下来。因此Lister型探针通常被简化为瞬间加热无限长柱热源(IICS)模型，然后根据其对应的解析解来处理所测得的温度数据从而得到原位热导率及热流参数。

(2)通过主控模块控制与测量单元连接的温度采集模块进行海底沉积物温度数据采集；

(3)主控模块对温度数据进行自容处理；

(4)自容的数据通过测量单元与参数设置与数据读取器之间的通讯连接而输出到PC机；

参数设置与数据读取器是一套独立的集成电路，专用于对测量单元进行参数设置和数据读取等操作。它们之间的通讯是通过串口通讯，不是USB。数据读取器从测量单元读取到数据后，再通过USB通讯将数据发送至PC机。

自容处理就是测量单元在水下的工作全部由微处理器自主控制，不需要在线控制或者人工控制，自容式工作指的是一个操作或者采集过程中的自动化方式，表明设备为自主操控。

探针指的是整套海底热流探测系统(也俗称海底热流探针)，热流探针支撑杆上外挂的为测量单元，测量单元前端针头(内置有感温元件和加热丝)称为前端探头。

自容的数据需要先下载到PC机，然后通过FEPG软件建立的有限元数值模型(TC_FE)进行热导率数值反演解算。这个中间需要用到数据读取器将数据中转，而不是测量单元直接将数据导入PC机。

(5)通过PC机建立的有限元TC_FE数值模型，采用网格加密搜索法进行参数反演，步骤如下：

在进行原位热导率数值反演前,针对本问题的特征,进行了参数归一化、灵敏度及极值分析,发现本问题可描述成带边界约束的参数优化问题,且所需优化求解的参数只有沉积物视热导率(λ₂₁,为沉积物热导率λ与探针体积热容C₁比值,即 λ/C₁)和沉积物视体积热容(C₂₁,为沉积物体积热容C与探针体积热容C₁比值,即C/C₁)。对此,采用网格加密搜索法进行参数反演,具体步骤概况如下：

Step.01:设海底沉积物视热导率λ₂₁(λ₂₁为海底沉积物热导率λ与测量单元前端探头体积热容C₁比值,即λ/C₁)和海底沉积物视体积热容C₂₁(C₂₁为海底沉积物体积热容C与测量单元前端探头体积热容C₁比值,即C/C₁)，对求解区域

中两参数都进行m等份剖分,获得初始的(m+1)×(m+1)个网格节点

其中i,j＝1,2,…,m；

Step.02:取λ₁₁＝1.0×10^-4m²·s^-1，利用TC_FE模型计算

时，测量单元前端探头顶端处的T-t温度数据,记为

其中λ₁₁为测量单元前端探头等效热导率λ₁与其等效体积热容C₁的比值,即

由于理论研究表明，λ₁₁的变化对反演结果影响非常小，可忽略不计，因此可依据测量单元前端探头加工材料的经验热导率、体积比热容和热扩散率变化范围值，取值λ₁₁＝1.0×10^-4m²·s^-1。

Step.03:通过PC机进行有限元模拟获得的

和探针在海底沉积物中实测的T-t温度数据(记为(T_meas,t_n))进行归一化处理,获得归一化std.T-t数据：

Step.04:利用最小二乘法,对

与std.T_meas(t_n)进行线性拟合得出：

求解该拟合直线斜率

和相关系数R^i,j,其中相关系数计算表达式如下

Step.05:定义目标函数为

并求解各网格点处的目标函数值

Step.06:找出目标函数值最小的网格点，

如果

(ε为判断是否满足求解要求而设定的阈值)，则接受

为所需要求解的海底沉积物视热物性参数(λ₂₁,C₂₁)，否则，将以

为中心的邻域为求解区域，将网格加密，返回到步骤2)，直到满足

为此，从而解算得到海底沉积物视热物性参数

Step.07:再次利用最小二乘法,对

与T_meas(t_n)进行线性拟合：

根据温度采集模块测得海底沉积物环境温度T₀，

求解其拟合直线斜率

和

其中

根据测得的脉冲加热电流计算得到测量单元前端探头体积生热率A_{0_meas}，根据TC_FE模型得出探头的视体积生热率H_{0_mod}＝A_{0_mod}/C₁，由此可求解得到探头的体积热容

又根据λ＝λ₂₁·C₁可求解出海底沉积物热导率λ。

又因为λ₁＝λ₁₁·C₁,λ＝λ₂₁·C₁,C＝C₂₁·C₁,据此则可求解实际探头热导率,沉积物热导率及体积热容,到此,探头及沉积物的热物性参数都已求解完毕。

一种实施上述解算方法的探测装置，包括前端探头，探头内置感温元件和加热丝，还包括主控模块、温度采集模块、姿态检测模块和热脉冲控制模块，主控模块由微处理器、通讯接口电路、实时时钟、存储器和直流恒压电源构成，通讯接口电路、实时时钟、存储器、直流恒压电源分别与微处理器对应电连接，通讯接口电路通过测量单元外壳与数据读取器通讯连接；温度采集模块由恒流源电路、温度信号调理电路和测温电阻桥构成，恒流源电路、温度信号调理电路、热敏电阻分别与测温电阻桥对应电连接，温度信号调理电路与微处理器对应电连接；姿态检测模块由姿态信号调理电路和姿态传感器构成，姿态传感器与姿态信号调理电路电连接，姿态信号调理电路与微处理器对应电连接；热脉冲控制模块由直流恒流电源和脉冲触发电路构成，直流恒流电源、加热丝分别与脉冲触发电路电连接，直流恒流电源与微处理器对应电连接。

具体的温度探测过程如下：直流恒压电流为测量单元供电、实时时钟记录时间、存储器用于存放程序和数据；热流探针在从作业船下放到海底的过程中，姿态检测模块与温度采集模块在设定的时刻启动采集工作，并保持低频采样；微处理器通过姿态检测模块-监测热流探针在海底作业过程中的姿态和运动情况，当判断探针插入并静止于海底沉积物中时，微处理器启动温度采集模块进入高频采样阶段，记录因测量单元前端温度传感器探头与海底沉积物摩擦而导致的温升曲线；设定的摩擦热记录时间结束后(一般为几分钟)，微处理器启动脉冲触发电路给加热丝提供恒定加热电流，同时通过温度采集模块记录温度变化曲线；记录的所有数据与时间信息都保存在存储芯片中；设定的加热时间结束后，微处理器停止加热，并持续高频采样至设定的高频采样时间结束；此后测量单元进入低频采样模式，同时热流探针回收至作业船。测量单元离开水面进入甲板后，专门的数据读取器通过连接测量单元外壳进行数据读取操作，获取的数据进一步转移至PC机后通过FEPG软件建立的有限元数值模型(TC_FE)进行热导率数值反演解算。

图5为该装置在站位Ind2012HF12实测的温度/姿态-时间数据，表1为该装置利用站位Ind2012HF12实测的数据值解算的热导率值。

表1 印度洋Ind2012HF12站位原位热导率探测结果

图6中数据显示了Ind2012HF12站位完整的海底热流测量过程，图中的数据由3个不同的测量单元测得。图中下部的连续曲线为3个测量单元测得的温度连续变化曲线；图中部的散点表示测量单元姿态的变化。缓慢下降的温度曲线表明，在热流探针从海面下放到海底过程中，海水温度是不断下降的；在距离海底20m左右，热流探针会停止一段时间，接着以自由落体方式垂直插入海底沉积物中；插入沉积物中静止后，可以看到姿态曲线变成了一条直线，表明姿态不再发生变化；此时，由于摩擦升温，测温单元可以记录到温度有一个升高的脉冲，此后温度逐渐下降并最终与周围海底沉积物温度相同；温度曲线中的第二个升高脉冲为测量单元启动加热丝加热导致，此阶段中记录到的温度升高和下降数据将用于解算海底沉积物热导率；热导率测量结束后，热流探针再度被拔出沉积物，并收回作业船上，此时通过姿态检测模块可以知道热流探针在小幅度的动态摇摆中上升。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1. 一种海底原位热导率的解算方法，其特征是：包括以下步骤：

   (1)通过姿态监测模块监测探针在海底的姿态和运动情况，当判断探针插入并静止于海底沉积物中7～10分钟后，主控模块控制热脉冲控制模块激发热脉冲对测量单元前端探头中的加热丝进行电加热；

   (2)通过主控模块控制与测量单元连接的温度采集模块进行海底沉积物温度数据采集；

   (3)主控模块对温度数据进行自容处理；

   (4)自容的数据通过测量单元与参数设置与数据读取器之间的通讯连接而输出到PC机；

   (5)通过PC机建立的有限元TC_FE数值模型，采用网格加密搜索法进行参数反演，步骤如下：

   1)设海底沉积物视热导率λ₂₁和海底沉积物视体积热容C₂₁，其中λ₂₁为海底沉积物热导率λ与测量单元前端探头体积热容C₁比值,即λ/C₁，C₂₁为海底沉积物体积热容C与测量单元前端探头体积热容C₁比值,即C/C₁,对求解区域

   

   中两参数都进行m等份剖分,获得初始的(m+1)×(m+1)个网格节点

   

   其中i,j＝1,2,…,m；

   2)取λ₁₁＝1.0×10^-4m²·s^-1，利用TC_FE模型计算

   

   时，测量单元前端探头顶端处的T-t温度数据,其中T为温度，t为时间，记为

   

   其中λ₁₁为测量单元前端探头等效热导率λ₁与其等效体积热容C₁的比值,即

   

   由于理论研究表明，λ₁₁的变化对反演结果影响非常小，可忽略不计，因此可依据测量单元前端探头加工材料的经验热导率、体积比热容和热扩散率变化范围值，取值λ₁₁＝1.0×10^-4m²·s^-1；

   3)通过PC机进行有限元模拟获得的

   

   和探针在海底沉积物中实测的 T-t温度数据(记为(T_meas,t_n))进行归一化处理,获得归一化std.T-t数据：

   

   

   4)利用最小二乘法,对

   

   与std.T_meas(t_n)进行线性拟合得出：

   

   求解该拟合直线斜率

   

   和相关系数R^i,j,其中相关系数计算表达式如下

   

   5)定义目标函数为

   

   并求解各网格点处的目标函数值

   

   i,j＝1,2,…,m；

   6)找出目标函数值最小的网格点，

   

   如果

   

   (ε为判断是否满足求解要求而设定的阈值)，则接受

   

   为所需要求解的海底沉积物视热物性参数(λ₂₁,C₂₁)，否则，将以

   

   为中心的邻域为求解区域，将网格加密，返回到步骤2)，直到满足

   

   为此，从而解算得到海底沉积物视热物性参数

   

   7)再次利用最小二乘法,对

   

   与T_meas(t_n)进行线性拟合：

   

   根据温度采集模块测得海底沉积物环境温度T₀，

   求解其拟合直线斜率

   

   和

   

   其中

   

   根据步骤(1)测得的脉冲加热电流计算得到测量单元前端探头体积生热率A_{0_meas}，根据TC_FE模型得出探头的视体积生热率H_{0_mod}＝A_{0_mod}/C₁，由此可求解得到探头的体积热容

   

   又根据λ＝λ₂₁·C₁可求解出海底沉积物热导率。
2. 一种实施权利要求1的海底原位热导率的探测装置，包括前端探头，探头内置感温元件和加热丝，其特征是：还包括主控模块、温度采集模块、姿态检测模块和热脉冲控制模块，主控模块由微处理器、USB接口电路、实时时钟、存储器和直流恒压电源构成，USB接口电路、实时时钟、存储器、直流恒压电源分别与微处理器对应电连接，USB接口电路通过USB插口与PC机通讯连接；温度采集模块由恒流源电路、温度信号调理电路和测温电阻桥构成，恒流源电路、温度信号调理电路、热敏电阻分别与测温电阻桥对应电连接，温度信号调理电路与微处理器对应电连接；姿态检测模块由姿态信号调理电路和姿态传感器构成，姿态传感器与姿态信号调理电路电连接，姿态信号调理电路与微处理器对应电连接；热脉冲控制模块由直流恒流电源和脉冲触发电路构成，直流恒流电源、加热丝分别与脉冲触发电路电连接，直流恒流电源与微处理器对应电连接。

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