[發明專利]深海熱液口溫度場原位在線聲學檢測方法

無效

• 申請號: 200910154610.6
• 申請日: 2009-11-19
• 公開（公告）號: CN101699236A
• 公開（公告）日: 2010-04-28
• 發明（設計）人: 陳鷹;樊煒;潘華辰;毛潔;蔡勇;張祝軍;吳民忠;吳友鳳
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01K11/24
• 分類號: G01K11/24
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

1.深海熱液口溫度場原位在線聲學檢測方法，其特征在于該方法包括 如下步驟：

步驟(1)、將三十二個水聲換能器分為兩層設置在支架上，層高為0.5m， 每一層有十六個水聲換能器，十六個水聲換能器組成圍合成正方形，正方 形的每邊上設置四個水聲換能器，每條邊上水聲換能器的間距為0.3m；

步驟(2)、用掃頻范圍為18kHz～23kHz，聲壓級為69dB的掃頻信號源 發射卡驅動第一層任意一個水聲換能器發射聲波信號，同層其余15個水聲 換能器都作為接收水聲換能器接收聲信號，分別將這15個接收水聲換能器 接收到的聲波信號與發射水聲換能器發射的聲波信號進行互相關函數分析

R(n)=Σk=0k=Nf1*(k)·f2(k+n)]]>

其中R(n)為互相關函數，N為采樣點數，可根據所需的測量精度設定， f₁(k)是發射水聲換能器發送的聲源信號，f₂(k)是接收水聲換能器采集到 的離散聲波信號，互相關函數取得最大值的延遲時間即為聲波的傳播時間；

再通過切換電路把按照逆時針方向確定的緊臨上一個水聲換能器的下 一個水聲換能器作為發射聲波信號的水聲換能器，同層其余十五個水聲換 能器作為接收聲波信號的水聲換能器，再次利用互相關函數計算聲波的傳 播時間，以此類推，直到完成第二層中的最后一個水聲換能器作為發射聲 波信號的水聲換能器時的互相關函數分析；這樣切換電路共切換三十一次 形成一個完整的周期；

步驟(3)、計算聲波傳播路徑的平均溫度值t，

c(D，S，t)＝c(0，S，t)+(16.23+0.253t)D

+(0.213-0.1t)D²+[0.016

+0.0002(S-35)](S-35)tD

式中：

c(0，S，t)＝1449.05+45.7t-5.21t²

+0.23t³-(1.333-0.126t

+0.009t²)(S-35)

其中c(D，S，t)為聲波在海水介質中的速度，D為被測平面的深度，單位 為Km；t＝T/10，T為海水溫度，單位為℃，S為含鹽量的千分數；在固 定的熱液口鹽度和被測海平面的深度均可視為常數，因此聲速變化主要與 溫度有關；

步驟(4)、利用數據層析還原算法重建海底熱液口溫度場；

建立同層平面中十六個水聲換能器之間的九十六條聲波傳播路徑的聲 學測量模型，將被測正方形平面劃分為8×8共六十四個網格區域，假定每 塊區域上的溫度分布相同，網格區域標記為m，Δs為聲波通過每一塊區域 的長度，則可建立如下關系：

Tn=Σi=1maiΔsni]]>

其中，m＝64，n取1至96，Tn是第n條聲波傳播路徑上的聲波飛渡時 間，a_i是第i個網格區域上聲速的倒數，Δs_ni是聲波在第n條傳播路徑通過 第i個網格區域的長度，a_i與Δs_ni都是常數，a_i是各路徑上溫度的特征函數， 是要計算的值，寫成矩陣形式，得到如下的方程組：

AX＝t

其中

A=ΔS11ΔS12...ΔS1mΔS21ΔS22...ΔS2m.........ΔSn1ΔSn2...ΔSnm]]>

X=a1a2...am,]]>t=T1T2...Tn]]>

矩陣A是已知的，矩陣t中的元素為步驟(2)中得到的聲波傳播時間， 對于此線性方程組，由總體最小二乘方法可得到變量X，進而求出聲波在 每一塊網格區域上傳播速度的倒數，利用步驟(3)中速度與溫度的關系式， 可重建出海底熱液口截面溫度場；

所述的總體最小二乘方法為：

(A+ΔA)X＝t+Δt

其中，ΔA表示聲波在網格中傳播路徑長度的噪聲矩陣，Δt表示聲波在 網格中傳播路徑上飛渡時間測量數據的噪聲向量，則(A+ΔA)X＝t+Δt可以 表述為：

[At+ΔAΔt]X-1=0]]>

或者

(W+ΔW)M＝0

其中，W＝(At)，ΔW＝(ΔAΔt)，M＝(X-1)^T，W為增廣輸入數據矩 陣，ΔW是疊加于增廣數據矩陣的噪聲，M是增廣權向量；這樣， (A+ΔA)X＝t+Δt總體最小二乘解可以簡單表示為求解一個解向量M_TLS，使 得min||ΔAΔt||_F或min||ΔW||_F為最小，對增廣輸入數據矩陣W進行奇異值分 解，得到：

W=UΣVH=Σj=1nσjujvjH]]>

其中，σ_j是第j個奇異值，∑＝diag(σ₁，…，σ_n+1)，則總體最小二 乘解為：

MTLS=S-(p)(i+1,1)/S-(p)(1,1),i=1,...,pS(p)=Σj=1pΣi=1n+1-pσj2vji(vji)H]]>

得出解向量M_TLS后再計算變量X，求出聲波在每一塊網格區域上傳播 速度的倒數，利用步驟(3)中速度與溫度的關系式，可精確地重建出海底熱 液口截面溫度場。