声学法深海热液温度场测量及重建算法研究.pdf

声学法深海热液温度场测量及重建算法研究.pdf

《声学法深海热液温度场测量及重建算法研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《声学法深海热液温度场测量及重建算法研究.pdf（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第3l卷第lO期2010年lO月仪器仪表学报ChineseJournalofScientificInstrumentVoL31No10Oct20lO声学法深海热液温度场测量及重建算法研究木毛洁1，吴友凤1，樊炜12，潘华辰1（1杭州电子科技大学机械工程学院杭州310018；2浙江大学流体与传动国家重点实验室杭州310027）摘要：

介绍了利用声学方法测量深海热液温度场的基本原理。

对单峰温度场模型和双峰温度场模型，采用最小二乘法进行重建仿真，给出了重建温度场的i维图和等温线图，计算了重建温度场的绝对误差、相对误差和均方根误差。

比较了增加声学测量路径后单峰温度场模型的重建结果。

仿真结果表明：

最小二乘法具有较高的重建精度，增加声学测量路径能有效地提高温度场重建精度。

湖试实验结果表明，最小二乘法可基本还原单峰温度场。

关键词：

声学测温；深海热液；重建算法；最小二乘法中图分类号：

TB52文献标识码：

A国家标准学科分类代码：

5705099Acoustictemperaturefieldmeasurementindeep-seahydrothermalventsandreconstructionalgorithmMaoJie，WuYoufeng，FanWei，PanHuachen（，SchoolofMechanicalEngineering，HangzhouDianziUniversity，Hangzhou310018，China；2TheStateKeyLabofFluidPowerTransmissionandControl，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，China）Abstract：

Thebasicprincipleofacoustictemperaturefieldmeasurementindeepseahydrothermalventsisintro-ducedBasedonsingleanddoublepeakedtemperaturefieldmodels，thereconstructionofthetemperaturefieldsusingleastsquaremethodispresentedrheabsoluteerrorrelativeerrorandrootmeansquareerrorofthereconstructedtemperaturefieldsaregivenSimulationresultshowsthatleastsquaremethodhasgoodreconstructionaccuracyintemperaturefieldreconstructionFurthermore，increasingacousticmeasurementpathscouldimpmvethereconstructionaccuracyeffectivelyLakeexperimentresultshowsthatleastsquaremethodcouldreconstructsinglepeakedternperaturefieldinahydrothermalventKeywords：

acoustictemperaturemeasurement；deepseahydrothermalvent；reconstructionalgorithm；leastsquaremethod1引言深海热液的研究是当代海洋科学研究中的热点研究领域之一。

深海热液的温度场分布和变化发展对海洋生物化学环境、大洋环流及全球气候有着重要的影响引。

因此，海底热液温度场原位长期监测是热液研究中的重要内容。

国内外目前测量热液口温度均采用接触式测量方法。

如拖曳式走航连续探测和原位热电偶式或电阻式热探测器测量一1。

非接触式原位测温方法目前尚未见实际应用于海底热液温度场测量中。

燃烧过程研究中利用火焰光能【5刮和声学法进行非接触i维温度场在线测量纠已有大量的研究。

温度场重建算法有很多，如：

最b-乘法J玑”o、基于二维余弦函数的傅里叶级数展开的正则化方法一1等。

日本g如大学的Lu、Wakai刘等人从理论上研究表明考虑温度梯度对声波传播路径的影响所产生的测量误差，以及利用最收稿日期：

200812ReceivedDate：

200812基金项目：

国家863计划（2007AA092213）、浙江省科技计划钱江人才计划（2008R10020）资助项目万方数据仪器仪表学报第31卷b-乘法及迭代技术，可以提高温度场重建精度。

最小二乘法重建温度场是最直观也是最易实现的温度场重建I算法。

I声学法测量温度场可实现原位非接触长期测量的优l点。

将声学测温原理应用于深海热液温度场测量当中，“l发展适合海底热液温度场测量的原位非接触温度场测量l系统。

运用最b-乘法通过计算仿真研究单峰和双峰温。

2I度场模型下不同声学测肇路径对重建精度的影响，并以l此作为实验系统声学换能器布放依据。

最后将最b-乘I法应用于云南腾冲水下热泉单峰温度场的声学测量重I建，重建结果表明最小二乘法在实际应用中可基本还原单峰温度场。

从理论到工程实际应用表明了最小二乘法重建声学测量热液温度场的可行性。

F2基于最小二乘法的声学温度场测量重建声波在深海中的传播速度与静压力、温度、盐度的公式如下“：

C（D，S，t）=C（0，S，t）+（1623+0253t）D+（021301t）D2+0016+00002（S一35）（s一35）tD

（1）式中：

C（0，S，t）=144905+457t一521t2+023t3+（13330126t+0009t2）（S一35）；C是声波在某种海水介质中的速度，单位为ms；D为被测平面的深度，单位为km；t=TIO，其中r为温度，单位为，|s为含盐量的千分数。

从式

（1）可知，盐度对声速的影响较小，在固定的热液口盐度和被测海平面的深度均可视为常数，声速变化主要与温度有关。

声波从发射传感器到接收传感器之间的飞渡时间Tot（timeofhying）为“：

s8s7图1声学路径及网格划分ig1AcousticpathsandmeshpartitionTon=菇；（3）与声波传播时间的实测值r。

之差为：

占=rIro=r一口“省i（4）最小二乘法是令方程式（4）的平方和最小，令丢；（气一；戈t口E）2=0，可得到方程：

A7AX：

At（5）式中：

X=（菇l菇。

）7，t=（rlf。

）7，A为mIt矩阵。

方程（5）的解为：

X=（A7A）qAt（6）这样，便求出了每一网格的空间特性，即声波在该网格内传播时声速的倒数，利用声速与温度的函数关系，即可求出该网格内的平均温度，将求得的温度值作为该区域几何中心点的温度，再利用插值算法即可得到整个二维温度场。

=卜dz（扪3温度场重建仿真式中：

戈表示声波路径上的空间特性，即声波速度的倒数，它与空间的平均温度相对应。

dZ是声波传播路径的微分。

对于二维温度分布的测量，将测量的平面区域划分为n个网格，各个网格中热液的平均温度分别为Z（i=l，2，n）。

在测量区边界布置多个声波发射和接收装置，对于距形测量区考虑同侧上声波只在网格外围边界传递，因此去除同侧声波路径。

设最后形成m条声波传播路径。

一种典型的声学测量路径及测量区域网格划分如图1所示，虚线为划分的网格，测量区域中的实线为声学测量路径，图1中，I=16，m=24。

用口“表示第k条路径通过第i个网格的长度，表示第i个网格内声波平均速度的倒数，它与第i个网格的平均温度相对应，由方程

（2），声波沿第k（k=1，2，m）条路径的传播时间，可表示为：

假定测量区在水下1000m处，即D=1深度，盐度S=45，则：

C=023t3512t2+445f+1478397（7）取截面为2m2m的矩形区域作为测量区域。

1）假定有单峰温度场模型，其温度场分布函数为：

r（戈，Y）=2+33sin（051rx）sin（05try）（8）重建单峰温度场首先采用如图l所示的每边2个声学换能器，四面共8个声学测量点对称分布，24条测量路径的典型声学测量模型。

测量区域均分为44共16个网格。

其次加密声学换能器至每边4个，四面共16个声学测量点对称分布，共形成96条声学测量路径，测量区域均分为88共64个网格。

模型温度场和重建温度场的三维图和等温线图如图2和图3所示。

万方数据第lo期毛洁等：

声学法深海热液温度场测量及重建算法研究234l图2单峰温度场=三维显示图Fig2Threedimensionaldisplayofasingle-peakedmmperaturefield2）假定有双峰温度场模型，其分布函数为：

r（髫，），）=2“2-COS万28似）8-COil,（等吖）（9）用最小二乘法在96路径64网格基础上重建温度场，其模型温度场和重建温度场的三维图和等温线图如图4和图5所示。

（a）单峰模型温度场（a）Single-peakedtemperaturefieldmodel长，m（b）24路径16网