專利名稱：：深海熱液口溫度場(chǎng)原位在線聲學(xué)檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于深海裝備
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種深海熱液口溫度場(chǎng)原位在線聲學(xué)檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
：對(duì)現(xiàn)代熱液活動(dòng)的溫度場(chǎng)分布原位監(jiān)測(cè)是熱液活動(dòng)研究中的重要內(nèi)容之一，也是研究深海熱液噴口及其周?chē)畈可锶?、探究海底熱液成礦作用機(jī)理的基礎(chǔ)研究工作。溫度場(chǎng)分布又是熱液系統(tǒng)輸入海洋熱通量計(jì)算的重要參數(shù)。但由于熱液活動(dòng)區(qū)的高溫高壓極端環(huán)境限制，現(xiàn)有的測(cè)定熱液口溫度的有效手段和技術(shù)非常有限。迄今為止已經(jīng)開(kāi)發(fā)了可以測(cè)量熱液口點(diǎn)溫度的溫度計(jì)?，F(xiàn)有的手段主要用溫度傳感器陣列進(jìn)行測(cè)量，但傳統(tǒng)的接觸式溫度測(cè)量裝置具有很大的局限性首先，接觸式測(cè)量會(huì)干擾熱液口的溫度；其次，接觸式溫度測(cè)量只能測(cè)量熱液口某些點(diǎn)的溫度，無(wú)法得到熱液區(qū)域二維和三維的溫度場(chǎng)分布數(shù)據(jù)。綜上所述，目前深海熱液口測(cè)溫的主要手段無(wú)法對(duì)熱液流體的溫度場(chǎng)準(zhǔn)確測(cè)量。因此海洋科學(xué)家無(wú)法對(duì)脊-洋反應(yīng)區(qū)內(nèi)整個(gè)溫洋脊剖面的熱能通量進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，只能在現(xiàn)有資料基礎(chǔ)上進(jìn)行一個(gè)恰當(dāng)?shù)墓烙?jì)。目前，國(guó)內(nèi)尚未有一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱液噴口溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)，給出定量溫度信息的方法面市。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)的海底熱液噴口溫度測(cè)量的缺點(diǎn)，提供了一種運(yùn)行穩(wěn)定可靠、測(cè)量準(zhǔn)確快速的深海熱液口溫度場(chǎng)原位在線聲學(xué)檢測(cè)方法。本發(fā)明方法的步驟是步驟(1)、將三十二個(gè)水聲換能器分為兩層設(shè)置在支架上，層高為05.m，每一層有十六個(gè)水聲換能器，十六個(gè)水聲換能器組成圍合成正方形，正方形的每邊上設(shè)置四個(gè)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18kHz23kHz，聲壓級(jí)為69dB的掃頻信號(hào)源發(fā)射卡驅(qū)動(dòng)第一層任意一個(gè)水聲換能器發(fā)射聲波信號(hào)，同層其余15個(gè)水聲換能器都作為接收水聲換能器接收聲信號(hào)，分別將這15個(gè)接收水聲換能器接收到的聲波信號(hào)與發(fā)射水聲換能器發(fā)射的聲波信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)分析<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中R(n)為互相關(guān)函數(shù)，N為采樣點(diǎn)數(shù)，可根據(jù)所需的測(cè)量精度設(shè)定，f工(k)是發(fā)送水聲換能器發(fā)送的聲源信號(hào)，f2(k)是接收水聲換能器采集到的離散聲波信號(hào)，互相關(guān)函數(shù)取得最大值的延遲時(shí)間即為聲波的傳播時(shí)間。再通過(guò)切換電路把按照逆時(shí)針?lè)较虼_定的緊臨上一個(gè)水聲換能器的下一個(gè)水聲換能器作為發(fā)射聲波信號(hào)的水聲換能器，同層其余十五個(gè)水聲換能器作為接收聲波信號(hào)的水聲換能器，再次利用互相關(guān)函數(shù)計(jì)算聲波的傳播時(shí)間，以此類推，直到完成第二層中的最后一個(gè)水聲換能器作為發(fā)射聲波信號(hào)的水聲換能器時(shí)的互相關(guān)函數(shù)分析。這樣切換電路共切換三十一次形成一個(gè)完整的周期；步驟(3)、計(jì)算聲波傳播路徑的平均溫度值t。c(D，S，t)=c(O，S，t)+(16.23+0.253t)D+(0.213-0.lt)D2+(S-35)tD式中c(O，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(zhì)中的速度，D為被測(cè)平面的深度，單位為Km;t=T/10，T為海水溫度，單位為°C，S為含鹽量的千分?jǐn)?shù)。在固定的熱液口鹽度和被測(cè)海平面的深度均可視為常數(shù)，因此聲速變化主要與溫度有關(guān)；步驟(4)、利用數(shù)據(jù)層析還原算法重建海底熱液口溫度場(chǎng)。建立同層平面中十六個(gè)水聲換能器之間的九十六條聲波傳播路徑的聲學(xué)測(cè)量模型。將被測(cè)正方形平面劃分為8X8共六十四個(gè)網(wǎng)格區(qū)域。假定每塊區(qū)域上的溫度分布相同，網(wǎng)格區(qū)域標(biāo)記為m，As為聲波通過(guò)每一塊區(qū)域的長(zhǎng)度，則可建立如下關(guān)系。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，m=64，n=96，Tn是第n條聲波傳播路徑上的聲波飛渡時(shí)間。^是第i個(gè)網(wǎng)格區(qū)域上聲速的倒數(shù)，ASni是聲波在第n條傳播路徑通過(guò)第i個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的長(zhǎng)度，ai與Asni都是常數(shù)。&是各路徑上溫度的特征函數(shù)，是要計(jì)算的值，寫(xiě)成矩陣形式，得到如下的方程組AX=t射<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>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(shí)間，對(duì)于此線性方程組，由總體最小二乘方法可得到變量X，進(jìn)而求出聲波在每一塊網(wǎng)格區(qū)域上傳播速度的倒數(shù)，利用步驟(3)中速度與溫度的關(guān)系式，可重建出海底熱液口截面溫度場(chǎng)。所述的總體最小二乘方法為(A+AA)X=t+At其中，AA表示聲波在網(wǎng)格中傳播路徑長(zhǎng)度的噪聲矩陣，At表示聲波在網(wǎng)格中傳播路徑上飛渡時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)的噪聲向量。則(A+AA)X=t+At可以表述為(5丄卜?；蛘?W+AW)M=0其中，W二(At)，AW=(AAAt)，M=(X_l)T，W為增廣輸入數(shù)據(jù)矩陣，AW是疊加于增廣數(shù)據(jù)矩陣的噪聲，M是增廣權(quán)向量。這樣，(A+AA)X=t+At總體最小二乘解可以簡(jiǎn)單表示為求解一個(gè)解向量M&，使得minlIAAA11|F或min||AW||F為最小。對(duì)增廣輸入數(shù)據(jù)矩陣W進(jìn)行奇異值分解，得到『="Z"=l>,,f,'=i其中，Oj是第j個(gè)奇異值，E二diag(c^，…，。n+》，《〉《！，則總體最小二乘解為MriS=(p)0.+1,1)/(p)(1,1)，"1,…,P[酬d"f響得出解向量M^后再計(jì)算變量X，求出聲波在每一塊網(wǎng)格區(qū)域上傳播速度的倒數(shù)，利用步驟(3)中速度與溫度的關(guān)系式，可精確地重建出海底熱液口截面溫度場(chǎng)。本發(fā)明采用一種非接觸式的聲學(xué)熱液溫度場(chǎng)原位測(cè)量，可以克服傳統(tǒng)接觸式測(cè)量的缺點(diǎn)，在高溫、腐蝕、多懸浮顆粒的惡劣環(huán)境下連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量，提高熱液口熱通量測(cè)量的準(zhǔn)確度。為科學(xué)家研究洋殼散熱量、建立大洋環(huán)流模型、研究熱液對(duì)臨近海域海洋物理特性影響提供幫助。圖1為同層平面的聲學(xué)路徑和拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)圖。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理、結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明方法所采用的測(cè)溫裝置由水聲換能器、機(jī)架、電纜和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。安裝在機(jī)架上的水聲換能器通過(guò)電纜連接到驅(qū)動(dòng)與前置放大腔、驅(qū)動(dòng)與前置放大腔、信號(hào)采集腔和電池腔組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如圖l所示，是同層平面的聲學(xué)路徑和拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)圖。在平面的每一邊放置四個(gè)水聲換能器，四個(gè)位置處于每條邊五等分處。這樣一個(gè)平面中共有十六個(gè)個(gè)水聲換能器。本發(fā)明方法的具體步驟如下步驟(1)、在支架上共安裝兩層RHS-30水聲換能器，每層RHS-30水聲換能器都處于同一水平面，每層裝有十六個(gè)水聲換能器，層高05.m，每層的支架?chē)铣烧叫危叫蔚拿窟吷显O(shè)置四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)水聲換能器，每條邊上水聲換能器的間距為0.3m，按照逆時(shí)針的順序從Tl換能器到T16換能器均勻布置。步驟(2).用掃頻范圍為18kHz23kHz，聲壓級(jí)為69dB的掃頻信號(hào)源發(fā)射卡驅(qū)動(dòng)第Tl個(gè)水聲換能器發(fā)射聲波信號(hào)，同層其余15個(gè)水聲換能器(T2至T16)都作為接收水聲換能器接收聲信號(hào)，分別將T2至T16接收水聲換能器接收到的聲波信號(hào)與發(fā)射水聲換能器Tl發(fā)射的聲波信號(hào)利用公式(1)進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)分析<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中R(n)為互相關(guān)函數(shù)，N為采樣點(diǎn)數(shù)，可根據(jù)所需的測(cè)量精度設(shè)定，f工(k)是發(fā)送水聲換能器發(fā)送的聲源信號(hào)，f2(k)是接收水聲換能器采集到的離散聲波信號(hào)，互相關(guān)函數(shù)取得最大值的延遲時(shí)間即為聲波的傳播時(shí)間(TOF)。再通過(guò)切換電路把第2個(gè)水聲換能器T2作為發(fā)射聲波信號(hào)的水聲換能器，其余同層15個(gè)作為接收聲波信號(hào)的水聲換能器，再次利用公式(1)計(jì)算聲波的傳播時(shí)間，以此類推，直到完成第二層中的第16個(gè)水聲換能器作為發(fā)射聲波信號(hào)的水聲換能器時(shí)的互相關(guān)函數(shù)分析。這樣切換電路共切換31次才是一個(gè)完整的周期。每個(gè)測(cè)量周期的時(shí)間約為l分鐘。步驟(3)、計(jì)算聲波傳播路徑的平均溫度值t。已知聲波在海水中的傳播速度與溫度、鹽度和深度有關(guān)，關(guān)系式如下c(D，S，t)=c(O，S，t)+(16.23+0.253t)D+(0.213-0.lt)D2+(S-35)tD其中c(0，S，t)=1449.05+45.7t_5.21t2+0.23t3_(l.333-0.126t+0.009t2)(S-35)c(D，S，t)是聲波在某種海水介質(zhì)中的速度，單位為m/s;D為被測(cè)平面的深度，單位為Km;t=T/10，液口鹽度和被測(cè)海平面的深度均可視為常數(shù)，聲速變化主要與溫度有關(guān)。利用式(2)中溫度與聲速的關(guān)系得出這些有效傳播路徑的平均溫度值。步驟(4)、利用數(shù)據(jù)層析還原算法重建海底熱液口溫度場(chǎng)。建立如圖(2)所示的同層16個(gè)水聲換能器，96條聲波傳播路徑的聲學(xué)測(cè)量模型。水聲換能器對(duì)稱分布在正方形控制面上，被測(cè)空間劃分為8X8共64個(gè)網(wǎng)格區(qū)域。假定每塊區(qū)域上的溫度分布相同，網(wǎng)格區(qū)域標(biāo)記為m，As為聲波通過(guò)每一塊區(qū)域的長(zhǎng)度，則可建立如下關(guān)系。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，m=64，n=96，Tn是第n條聲波傳播路徑上的聲波飛渡時(shí)間，^是第i個(gè)網(wǎng)格區(qū)域上聲速的倒數(shù)，ASni是聲波在第n條傳播路徑通過(guò)第i個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的長(zhǎng)度，它們都是常數(shù)，取決于測(cè)溫系統(tǒng)裝置和各水聲換能器的安裝位置。&是各路徑上溫度的特征函數(shù)，是要計(jì)算的值，寫(xiě)成矩陣形式，得到如下的方程組AX=t(4)其中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>方程(4)中，矩陣A是已知的，矩陣t中的元素為步驟(2)中利用公式(1)得到的聲波傳播時(shí)間，對(duì)于此線性方程組，由方法一即最小二乘法求解可得到變量X，求出聲波在每一塊網(wǎng)格區(qū)域上傳播速度的倒數(shù)，利用式(2)中速度與溫度的關(guān)系式，可重建出海底熱液口截面溫度場(chǎng)。最小二乘作為一種數(shù)據(jù)擬合方法，在求解矩陣方程AX=t時(shí)，僅假設(shè)方程右端n條路徑飛渡時(shí)間矩陣t中的測(cè)量數(shù)據(jù)存在誤差。而在實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中，聲波在網(wǎng)格中的傳播路徑長(zhǎng)度矩陣A和飛渡時(shí)間矩陣t中同時(shí)存在誤差，因此最小二乘方法具有局限性。更合理的方法是同時(shí)考慮A、t二者的擾動(dòng)。本實(shí)施例中優(yōu)先采用GolubGH，LoanCFV等人提出的總體最小二乘方法求解矩陣反問(wèn)題，使得來(lái)自A、t的噪聲擾動(dòng)影響最小?？傮w最小二乘的求解方法如下，考慮矩陣方程(A+AA)X=t+At(5)其中，AA表示聲波在網(wǎng)格中傳播路徑長(zhǎng)度的噪聲矩陣，At表示聲波在網(wǎng)格中傳播路徑上飛渡時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)的噪聲向量。式(5)可以表述為(W+AW)M=0(7)其中，W=(At)，AW=加于增廣數(shù)據(jù)矩陣的噪聲，M是增廣權(quán)向:單表示為求解一個(gè)解向量Mtls，使得min數(shù)據(jù)矩陣W進(jìn)行奇異值分解，得到(6)(△AAt)，M=(X-1)T，W為增廣輸入數(shù)據(jù)矩陣，AW是疊l:。這樣，矩陣方程(5)的總體最小二乘解可以簡(jiǎn)AAAt|lp或minlIAW|lf為最小。對(duì)增廣輸入解為其中，Oj是第j個(gè)奇異值，E二diag(、，(8)》，《>《！則總體最小二乘X5-(，+1,1)"-(/))(1，1)，/=i，…,(9)得出解向量M^后再計(jì)算變量X，求出聲波在每一塊網(wǎng)格區(qū)域上傳播速度的倒數(shù)，利用式(2)中速度與溫度的關(guān)系式，可精確地重建出海底熱液口截面溫度場(chǎng)。權(quán)利要求深海熱液口溫度場(chǎng)原位在線聲學(xué)檢測(cè)方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟(1)、將三十二個(gè)水聲換能器分為兩層設(shè)置在支架上，層高為05.m，每一層有十六個(gè)水聲換能器，十六個(gè)水聲換能器組成圍合成正方形，正方形的每邊上設(shè)置四個(gè)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(jí)為69dB的掃頻信號(hào)源發(fā)射卡驅(qū)動(dòng)第一層任意一個(gè)水聲換能器發(fā)射聲波信號(hào)，同層其余15個(gè)水聲換能器都作為接收水聲換能器接收聲信號(hào)，分別將這15個(gè)接收水聲換能器接收到的聲波信號(hào)與發(fā)射水聲換能器發(fā)射的聲波信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)分析<mrow><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mi>N</mi></mrow></munderover><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>*</mo></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mi>n</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>其中R(n)為互相關(guān)函數(shù)，N為采樣點(diǎn)數(shù)，可根據(jù)所需的測(cè)量精度設(shè)定，f1(k)是發(fā)送水聲換能器發(fā)送的聲源信號(hào)，f2(k)是接收水聲換能器采集到的離散聲波信號(hào)，互相關(guān)函數(shù)取得最大值的延遲時(shí)間即為聲波的傳播時(shí)間；再通過(guò)切換電路把按照逆時(shí)針?lè)较虼_定的緊臨上一個(gè)水聲換能器的下一個(gè)水聲換能器作為發(fā)射聲波信號(hào)的水聲換能器，同層其余十五個(gè)水聲換能器作為接收聲波信號(hào)的水聲換能器，再次利用互相關(guān)函數(shù)計(jì)算聲波的傳播時(shí)間，以此類推，直到完成第二層中的最后一個(gè)水聲換能器作為發(fā)射聲波信號(hào)的水聲換能器時(shí)的互相關(guān)函數(shù)分析；這樣切換電路共切換三十一次形成一個(gè)完整的周期；步驟(3)、計(jì)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+(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(zhì)中的速度，D為被測(cè)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?jǐn)?shù)；在固定的熱液口鹽度和被測(cè)海平面的深度均可視為常數(shù)，因此聲速變化主要與溫度有關(guān)；步驟(4)、利用數(shù)據(jù)層析還原算法重建海底熱液口溫度場(chǎng)；建立同層平面中十六個(gè)水聲換能器之間的九十六條聲波傳播路徑的聲學(xué)測(cè)量模型，將被測(cè)正方形平面劃分為8×8共六十四個(gè)網(wǎng)格區(qū)域，假定每塊區(qū)域上的溫度分布相同，網(wǎng)格區(qū)域標(biāo)記為m，Δs為聲波通過(guò)每一塊區(qū)域的長(zhǎng)度，則可建立如下關(guān)系<mrow><mi>Tn</mi><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>m</mi></munderover><msub><mi>a</mi><mi>i</mi></msub><mi>Δ</mi><msub><mi>s</mi><mi>ni</mi></msub></mrow>其中，m＝64，n＝96，Tn是第n條聲波傳播路徑上的聲波飛渡時(shí)間，ai是第i個(gè)網(wǎng)格區(qū)域上聲速的倒數(shù)，Δsni是聲波在第n條傳播路徑通過(guò)第i個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的長(zhǎng)度，ai與Δsni都是常數(shù)，ai是各路徑上溫度的特征函數(shù)，是要計(jì)算的值，寫(xiě)成矩陣形式，得到如下的方程組AX＝t其中<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>S</mi><mn>11</mn></msub></mtd><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>S</mi><mn>12</mn></msub></mtd><mtd><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo></mtd><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>S</mi><mrow><mn>1</mn><mi>m</mi></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>S</mi><mn>21</mn></msub></mtd><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>S</mi><mn>22</mn></msub></mtd><mtd><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo></mtd><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>S</mi><mrow><mn>2</mn><mi>m</mi></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd><mtd><mo>.</mo></mtd><mtd></mtd><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd><mtd><mo>.</mo></mtd><mtd></mtd><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd><mtd><mo>.</mo></mtd><mtd></mtd><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>S</mi><mrow><mi>n</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mtd><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>S</mi><mrow><mi>n</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mtd><mtd><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo></mtd><mtd><mi>Δ</mi><msub><mi>S</mi><mi>nm</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow><mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>a</mi><mi>m</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow><mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>T</mi><mi>n</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>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(shí)間，對(duì)于此線性方程組，由總體最小二乘方法可得到變量X，進(jìn)而求出聲波在每一塊網(wǎng)格區(qū)域上傳播速度的倒數(shù)，利用步驟(3)中速度與溫度的關(guān)系式，可重建出海底熱液口截面溫度場(chǎng)；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(wǎng)格中傳播路徑長(zhǎng)度的噪聲矩陣，Δt表示聲波在網(wǎng)格中傳播路徑上飛渡時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)的噪聲向量，則(A+ΔA)X＝t+Δt可以表述為<mrow><mo>[</mo><mfencedopen='('close=')'><mtable><mtr><mtd><mi>A</mi></mtd><mtd><mi>t</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>+</mo><mfencedopen='('close=')'><mtable><mtr><mtd><mi>ΔA</mi></mtd><mtd><mi>Δt</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>]</mo><mfencedopen='('close=')'><mtable><mtr><mtd><mi>X</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>-</mo><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>或者(W+ΔW)M＝0其中，W＝(At)，ΔW＝(ΔAΔt)，M＝(X-1)T，W為增廣輸入數(shù)據(jù)矩陣，ΔW是疊加于增廣數(shù)據(jù)矩陣的噪聲，M是增廣權(quán)向量；這樣，(A+ΔA)X＝t+Δt總體最小二乘解可以簡(jiǎn)單表示為求解一個(gè)解向量Mtls，使得mm||ΔAΔt||F或min||ΔW||F為最小，對(duì)增廣輸入數(shù)據(jù)矩陣W進(jìn)行奇異值分解，得到<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mi>UΣ</mi><msup><mi>V</mi><mi>H</mi></msup><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><msub><mi>σ</mi><mi>j</mi></msub><msub><mi>u</mi><mi>j</mi></msub><msubsup><mi>v</mi><mi>j</mi><mi>H</mi></msubsup></mrow>其中，σj是第j個(gè)奇異值，∑＝diag(σ1，…，σn+1)，則總體最小二乘解為<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>M</mi><mi>TLS</mi></msub><mo>=</mo><msup><mi>S</mi><mrow><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1,1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msup><mi>S</mi><mrow><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mrow><mo>(</mo><mn>1,1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>,</mo><mi>p</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msup><mi>S</mi><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow></msup><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>p</mi></munderover><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>p</mi></mrow></munderover><msubsup><mi>σ</mi><mi>j</mi><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>v</mi><mi>j</mi><mi>i</mi></msubsup><msup><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>v</mi><mi>j</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>)</mo></mrow><mi>H</mi></msup></mtd></mtr></mtable></mfenced>得出解向量Mtls后再計(jì)算變量X，求出聲波在每一塊網(wǎng)格區(qū)域上傳播速度的倒數(shù)，利用步驟(3)中速度與溫度的關(guān)系式，可精確地重建出海底熱液口截面溫度場(chǎng)。F2009101546106C00033.tif全文摘要本發(fā)明涉及一種深海熱液口溫度場(chǎng)原位在線聲學(xué)檢測(cè)方法。現(xiàn)有的深海熱液口測(cè)溫的主要手段無(wú)法對(duì)熱液流體的溫度場(chǎng)準(zhǔn)確測(cè)量。本發(fā)明方法首先將使同層的其中一個(gè)水聲換能器作為聲源發(fā)聲，其余十五個(gè)水聲換能器作為接受端接受聲波信號(hào)，由此計(jì)算出每條路徑上的聲波傳播時(shí)間；然后計(jì)算聲波傳播路徑的平均溫度值t；最后重建海底熱液口溫度場(chǎng)，具體是將所在平面劃分為多個(gè)網(wǎng)格，利用數(shù)據(jù)層析還原算法計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的平均溫度，從而得到溫度場(chǎng)。本發(fā)明采用一種非接觸式的聲學(xué)熱液溫度場(chǎng)原位測(cè)量，可以克服傳統(tǒng)接觸式測(cè)量的缺點(diǎn)，在高溫、腐蝕、多懸浮顆粒的惡劣環(huán)境下連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量，提高熱液口熱通量測(cè)量的準(zhǔn)確度。文檔編號(hào)G01K11/00GK101699236SQ200910154610公開(kāi)日2010年4月28日申請(qǐng)日期2009年11月19日優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日發(fā)明者吳友鳳,吳民忠,張祝軍,樊煒,毛潔,潘華辰,蔡勇,陳鷹申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)