【摘要】：深海熱液的研究已經(jīng)成為海洋科學(xué)的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容,對(duì)熱液活動(dòng)的熱和物質(zhì)通量的估算是海洋熱液活動(dòng)研究的重要內(nèi)容之一。從熱液系統(tǒng)傳輸?shù)胶Ｑ蟮臒嵬康挠?jì)算取決于對(duì)熱液區(qū)的規(guī)模、溫度、速度等物理量的研究。因此,對(duì)熱液口速度場(chǎng)的測(cè)量與研究成為對(duì)熱液口熱通量的觀測(cè)計(jì)算的一個(gè)重要組成部分。傳統(tǒng)的流體速度測(cè)量方法有示蹤物法、光電法等,然而受人為和環(huán)境因素的影響較大,因此需要探索一種通過非侵入式的檢測(cè)方法來獲取長(zhǎng)時(shí)間熱液口的流速以及其它物理量。本文主要研究聲學(xué)法測(cè)量深海熱液的速度場(chǎng)和速度場(chǎng)重建算法,主要完成的工作有:首先,對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量流速方法進(jìn)行了綜述,詳細(xì)闡述了聲學(xué)測(cè)速的原理與方法。 進(jìn)而介紹了聲學(xué)法測(cè)量深海熱液速度場(chǎng)的方法,以及聲學(xué)法深海熱液原位溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。考慮到熱液口可能會(huì)呈現(xiàn)各種不同的形態(tài),設(shè)計(jì)了八種速度場(chǎng)模型:速度梯度較小的寬單峰、速度梯度較大的窄單峰、速度梯度較小的寬雙峰、速度梯度較大的窄雙峰、四峰、單峰偏置、雙峰偏置、四峰偏置用以研究速度場(chǎng)重建算法,以優(yōu)化速度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 其次,詳細(xì)研究了速度場(chǎng)重建算法,應(yīng)用工程數(shù)學(xué)軟件MATLAB對(duì)各種速度場(chǎng)模型基于最小二乘法與傅里葉正則化方法進(jìn)行了重建仿真。研究結(jié)果表明:前者在換能器數(shù)量較少時(shí)重建效果較差,且只能對(duì)簡(jiǎn)單的速度場(chǎng)模型進(jìn)行重建還原;當(dāng)換能器數(shù)量增多時(shí)其重建精度提高,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜速度場(chǎng)模型的重建還原;后者對(duì)各種速度場(chǎng)模型皆能實(shí)現(xiàn)較好的還原,且重建精度較高。 再次,考慮到實(shí)際測(cè)量中存在的影響速度場(chǎng)重建精度的各種因素,對(duì)各種模型的速度場(chǎng)基于測(cè)量區(qū)域劃分、換能器數(shù)量、布置方式以及換能器平面間距、噪聲等因素進(jìn)行了重建仿真研究。結(jié)果表明:速度場(chǎng)的重建精度與上述各種因素都有直接關(guān)系,當(dāng)在理想的飛渡時(shí)間差之上添加由噪聲引起的時(shí)間測(cè)量誤差時(shí),兩種重建算法的重建效果皆受一定程度的影響,即兩種算法均對(duì)飛渡時(shí)間差的測(cè)量精度有較高要求。 最后,對(duì)三維速度場(chǎng)的測(cè)量基于最小二乘法與傅里葉正則化方法進(jìn)行了重建仿真與分析比較。結(jié)果表明,后者的重建效果較之前者更為理想,重建精度較高;增加聲學(xué)換能器數(shù)量可提高三維速度場(chǎng)的重建精度。同時(shí),研究了非均勻溫度場(chǎng)下聲波飛渡路徑受溫度梯度影響而產(chǎn)生的彎曲效應(yīng),從而提高速度場(chǎng)的重建精度。
【圖文】：

直 向 上 坐標(biāo) 為 z ，溫度 測(cè) 量 控制 面 取 xy 橫截 面 。成 的 浮力 流 ， 因 此假 設(shè) 流 速主 要 是 z 向的 ，x 、 y 向設(shè) 立兩 層 以 上的 溫 度 測(cè)量 控 制 面 ，并 在 相 鄰兩 其 飛 渡時(shí) 間 差 （ 單位 為 s ）。設(shè)跨 層 聲 波飛 渡 路 徑 本為 z 向 ，則 有 w = v / c o sθ 流向 速 度 （ 單 位 為 m / s ），v 為沿 聲 波 飛渡 路 徑 方 如圖 2. 1 所示 。 .5 ） 可 得 22 co s 正反 差 AB AB BA AB L wt t tc θ = = 單 位 為 m / s ） 為 飛 渡 路 徑 AB 上 的 平 均 垂 向 速 度， 就 可以 得 出 兩個(gè) 溫 度 測(cè)量 控 制 面 之間 的 平 均垂 量 。

對(duì)應(yīng) 的 m 減去 p 而得 到 。 時(shí) 間 表示 的 時(shí)間 延 遲 可由 對(duì) h ( n)插值 而得 到 ， 如 式（ 2 . 1 7） 所 ∑= = pmpmh (t)h(n)s i nc(tm)^()h t最 大值 相對(duì) 應(yīng) 的 時(shí) 間 t 減去 p 后便 是 ()1x n與 ()2x n間的 時(shí)間 延 方 法 可以 減 輕 混響 對(duì) 其 的影 響 ， 而 LM S 自 適應(yīng) 濾 波 則通 過 一 收斂 之 后 給 出時(shí) 延 估 計(jì)， 因 此 這種 方 法 的 精度 比 廣 義互 相 關(guān) 法 處 理時(shí) 變 信 號(hào)。 但 是 濾 波系 數(shù) h ( n)自適 應(yīng) 時(shí)延 估 計(jì) 的收 斂 速 度 遠(yuǎn)遠(yuǎn) 大 于 廣義 互 相 關(guān) 函數(shù) 法 ， 因 此 實(shí) 時(shí) 性較 差 。 所 以， 為 了 確 可以 選 擇 用 互相 關(guān) 函 數(shù)法 來 計(jì) 算時(shí) 間 延 遲 ，以 確 定 聲波 的 飛 渡 速度 場(chǎng) 。 學(xué) 法 測(cè)速 系 統(tǒng)構(gòu) 成 究 深 海熱 液 聲 學(xué)法 測(cè) 速 的關(guān) 鍵 技 術(shù)之 時(shí) ， 課 題組 研 發(fā) 了基 于 實(shí) 聲 學(xué)原 位 測(cè) 速 系統(tǒng) 如 圖 2 .3 所示 。
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：P714.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2623411