（信号与信息处理专业论文）海洋热液声学探测的方法研究.pdf

- c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho nt h em e t h o do fa c o u s t i cd e t e c t i o no f u n d e r w a t e rh yd r o t h e r m a l c a n d i d a t e ：l i nf a n g s u p e r vis o r ：a s s o ci a t ep r o f g u ol o n g x ia n g a c a d e m i cd e g r e ea p p ii e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c 2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a ti o n ：m a r c h ，2 01 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y j 一 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：劣卜易 日期：2 010 年弓月以日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ： 脊芳 导师( 签字) ：酃氏、缉 日期：9 _ _ o lo 年善月寥日卫lo 年；月驾日 哈尔滨i ：程人学硕士学位论文 摘要 随着人类对海洋的日益关注，海洋探查与资源的开发技术主题转化为加 快以海洋油、气为主的矿产资源的探测和开发。为了提高海洋资源开发利用 的效率，对海洋探测的高新技术需求越来越强烈。在海洋探测技术中，探测 海底热液更是带来了重大的科学研究意义和经济价值。 本文的理论和仿真部分，列举研究了气泡的频率特性、尺度分布和散射 截面等声学特性，通过这些声学的基本特性，建立海底热液的相关仿真模型。 运用了多种有效的回波处理方法，提高了海洋热液探测模拟系统的性能。使 用动态范围归一化方法，以此来补偿和消除几何损失造成的信号平均幅度的 衰减。利用简化的滤波一预测一反馈修正方法对海底测深结果进行滤波，从而 提高测深精度。通过改进后置图像处理的显示技术，来增强目标回波的视觉 分辨力。 为了验证方法的有效性，设计了模拟探测海洋热液的试验方案，进行了 水池试验研究和湖上试验研究。在水池试验中，以静态方式来探测水下模拟 气幕，分析水池实验数据，了解气幕的基本特性，确立了利用回波起伏强度 信息探测水下气幕的可行性。调试和改进了海底热液模拟性试验硬件系统的 各种性能，在湖上试验中，测试了通过改进的走航式模拟气幕方法实时探测 的性能，为在大洋中利用声学回波方法探测海底热液提供了技术支持。 综合本论文研究结果表明，利用回波声图、走航探测水下热液的方法和 设计具有可行性。 关键词：海洋热液；回波探测；走航式探测；气泡群；水下气幕 口 i 一 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a bs t r a c t t h r o u g h o u ti t sh i s t o r y , o c e a ne x p l o r a t i o nh a sw i t n e s s e dt h eg r e a tv a l u ef o r h u m a nb e i n g ，i np a r t i c u l a r , t h es u b j e c t so fm a r i n ee x p l o r a t i o na n dr e s o u r c e s e x p l o i t a t i o nh a v et u r n e dt ot h eo i l ，g a s - b a s e dm i n e r a l ，e t c i no r d e r t oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fd e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fm a r i n er e s o u r c e s ，h i 曲t e c h n o l o g i e s o fm a r i n ed e t e c t i o na r en e e d e dm o r ea n dm o r e a m o n ga l lt h et e c h n o l o g i e s ，t h e d e t e c t i o no fs u b m a r i n eh y d r o t h e r m a lh a sm o r es i g n i f i c a n c ea n db r i n g sm o r e ， ， e c o n o m i cv a l u ei nm a r i n ee x p l o r a t i o n t h e o r e t i c a l l y , t h ea c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sf r e q u e n c yr e s p o n s eo f t h e b u b b l e ，s i z ed i s t r i b u t i o na n ds c a t t e r i n gc r o s s s e c t i o na r el i s t e dt ob u i l dt h er e l a t e d m o d e l i n g f u r t h e r m o r e ，t h es i m u l a t i o no ft h es u b m a r i n eh y d r o t h e r m a l ，a c c o r d i n g t ot h et h e o r e t i c a lm o d e l ，i sa c h i e v e d s o m ee f f e c t i v ep r o c e s s i n ga p p r o a c h e s ， e a s i l y b u ta d e q u a t ef o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，a r eu s e d t o i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c eo fs u b m a r i n eh y d r o t h e r m a ld e t e c t i o ns y s t e m t oc o m p e n s a t ea n d e l i m i n a t et h ea t t e n u a t i o n ，c a u s e db yg e o m e t r i cl o s si na v e r a g em a g n i t u d e ，t h e d y n a m i cr a n g en o r m a l i z a t i o ni se m p l o y e d f u r t h e r m o r e ，a ni m p r o v e dd y n a m i c f i l t e r , u s i n gt h et h o u g h to ff i l t e r f o r e c a s t f e e d b a c k ，i sd e s i g n e dt o i n c r e a s et h e p r e c i s i o n o fs e a b e d b a t h y m e t r y f i n a l l y , t h r o u g h t h em o d i f i e d d i s p l a y i n g t e c h n o l o g yf o rt h ep o s t i m a g ep r o c e s s i n g ，t h ev i s u a lr e s o l u t i o no ft a r g e te c h oi s e n h a n c e d f o rt h et e s to ft h ea b i l i t yo fa c o u s t i cr e m o t ed e t e c t i o n ，as c h e m et o m i n i a t u r et h em a r i n eh y d r o t h e r m a ld e t e c t i o ni se s t a b l i s h e d m e a n w h i l e ，p o o lt r i a l a n dl a k et r i a la r ed e s i g n e da n da n a l y s i s e d d u r i n gt h ep o o le x p e r i m e n t ，t h e u n d e r w a t e rb u b b l ed o u di sd e t e c t e ds t a t i c a l l y b a s i ca c o u s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h eb u b b l ec l o u da r es t u d i e dw i t ha c q u i r e dd a t a t h e nt h ef e a s i b i l i t yo fd e t e c t i n g u n d e r w a t e rb u b b l ec l o u d ，t h r o u g ht h ef l u c t u a t i o no fe c h oi n t e n s i t yi n f o r m a t i o n ，i s c h e c k e d u p o nt h et e s t i n ga n dt h ed e b u g g i n go fh a r d w a r e ，t h el a k et r i a li sc a r r i e d o u t t h u s ，t h ep e r f o r m a n c eo fi m p r o v e dw a l k p r o p e l l e db u b b l ep r o b em e t h o di s t 哈尔滨翻掣人学硕七学侮论文 t e s t e d t h a tc h e c k so u tt h ev e r a c i t yo fd y n a m i cd e t e c t i o n i tw i l lb eat e c h n i c a l s u p p o r to ft h es u b m a r i n eh y d r o t h e r m a l d e t e c t i o nb a s e do na c o u s t i cr e m o t e s e n s i n gi nt h es e a t h er e s u l to ft h i sd i s s e r t a t i o ns h o w st h a tt h ed e t e c t i o no fs u b m a r i n e h y d r o t h e r m a li n f o r m a t i o nt h r o u g he c h os o u n dw a l k - p r o p e l l e dc u r t a i np r o b ei s h i g l l l ye f f e c t i v ea n dv e r yf e a s i b l e k e yw o r d s ：s u b m a r i n eh y d r o t h e r m a l ；a c o u s t i ce c h od e t e c t i o n ；w a l k p r o p e l l e d p r o b e ；b u b b l ec l o u d ；u n d e r w a t e ra i rc u r t a i n ， 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 立题意义和背景1 1 2 海洋热液探测的成果2 1 2 1 国外海洋热液探测的成果2 1 2 2 国内海洋热液探测的成果3 1 3 声学探测海洋热液的方法进展4 1 4 本论文主要研究内容：6 第2 章热液声学探测技术基础8 2 1 气泡的散射特性分析8 2 2 海水中气泡的声学特性1 1 2 2 1 气泡的频率特性1 1 2 2 2 散射截面盯。1 2 2 2 3 气泡的尺度分布1 3 2 3 海底气幕的仿真模型一1 5 2 4 回波声图仿真设计“1 7 2 5 热液探测系统设计参数1 9 2 5 1m 序列波形设计2 1 2 5 2 动态范围归一化2 3 2 5 3 回波测深数据滤波处理方法”2 4 2 5 4 后置数据图像处理的显示技术”2 9 2 6 本章小结3 1 第3 章热液探测系统的设计”3 2 3 1 硬件系统框图3 2 3 2 热液探测的水声发射机设计3 2 3 2 1 水声发射机总体设计”3 3 3 2 2 系统详细设计3 3 3 3 热液探测接收机滤波放大电路设计”3 7 哈尔滨翻犟人学硕士学何论文 3 3 1 放大电路设计3 8 3 3 2 滤波器电路设计4 0 3 4 显控程序设计4 1 3 5 本章小结4 8 第4 章热液探测模拟试验研究4 9 4 1 水池实验研究一4 9 4 1 1 水池实验布局“4 9 4 1 2 气泡散射影响分析4 9 4 2 湖试实验及其数据分析一”5 5 4 2 1 湖上试验布局图5 5 4 2 2 湖试试验中探测水下气幕的船行航迹”5 5 4 2 3 湖试数据处理结果一5 6 4 3 本章小结5 8 结论”5 9 参考文献6 0 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 4 致谢”6 5 附录6 6 哈尔滨一l ：程人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 立题意义和背景 深海海底是古海洋学、生命起源、板块构造和海底扩张等学说的发源地， 又是石油、天然气和气体水合物等矿物资源的蕴藏场所【1 1 。随着经济的发展、 人口的急剧增加和陆地资源的日益匮乏，人们将资源的开发、勘探和利用热 点深入到富含大量矿产资源和食物资源的海洋领域。 未来几十年内，极端天气和气候变化、海洋生态系统以及海洋军事需求 等将是海洋学研究的推动因素，利用声学方法观测海洋、勘测各种海洋资源 是海洋、地质等领域与水声技术领域的交叉点，其研究有很重要的经济价值 和科学意义，因此受到了普遍重视。近期的海洋探测活动包括海洋石油、天 然气等矿产资源勘探、地震预报和震害预测、海底底质取样等。大洋中脊发 现的海底热液，是海洋探测中最重要的进展之一。当今热液活动研究的主要 潮流依然是在力争更大规模、以更新的观念加速热液活动及硫化物资源的研 究。 在初期阶段，海底热液调查研究活动所关注的主要问题是热液成矿问题。 但随后一系列重大的调查发现，如高温海底黑烟囱、海底热液生物的发现， 极大地改变了人们头脑中已有的关于传统地质学甚至传统生物学的认识，而 探测海底黑烟囱( 图1 1 ) 是新兴的研究热点，它在海洋科学的研究中占据着相 当重要的地位，引起了各个科学界上的轰动。促进了物理、化学和生物领域 一些高新技术的开发和利用。 现如今，海底热液活动研究的主要科学问题有海底热液活动的分布规律、 成因机制、环境效应及其成矿机理等。地球系统科学提出将地球作为一个整 体来研究，对地球的气圈、水圈、生物圈和岩石圈的各种作用及各层圈之间 的相互作用进行研究，这种学术思想对海底热液活动的研究起了重要的推动 作用弘1 。现代海底热液活动的调查研究不仅可以为板块构造理论提供重要的 证据支持，同时它也是认识地球内部结构与组成的一个重要窗1 3 。探测海底 热液，通过研究深海内部的生物圈，可开展生命起源的研究。海底热液是在 极端环境下生命活动的理想实验室，提供了类似于早期地球及其生命活动的 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 环境和条件，例如高温环境、大量气体等，为研究生命起源提供了良好论据。 特别是极端环境下的高温微生物，以其独特的生物多样性和极高的生存密度， 成为未来宝贵的生物基因和医药资源，具有难以估价的生物化学和医学价值； 热液周围的生物化石，还是生命起源与演化的重要记录；热液周围还保存高温 下生存的化能自养古细菌及嗜热硫菌群，代表早期生命的孑遗p 。海底热液也 是丰富的矿产资源p l 。全球的陆地和海底已经发现了上千块状的硫化物矿床， 构成人类所需铜、铅、锌等金属矿产资源的主要矿物来源。探测到海底热液 后，它的相关硫化物，极大地改变了人类对海洋中矿产资源的认识，并且还带 来了巨大的经济价值和理论研究意义。同时，与陆地上的块状硫化物对比后， 可以进一步解释古老矿产的形成过程，对矿产勘探与开发起到指导作用。 图1 1 正在喷发的“海底黑烟囱” 1 2 海洋热液探测的成果 1 2 1 国外海洋热液探测的成果 在大规模的海底热液活动调查过程中，美、英、德、法、日和前苏联等 国开展了大规模的海底热液调查，其范围从加拉帕戈斯断裂带扩展到东太平 洋海隆，东太平洋、西太平洋海域、大西洋中脊和印度洋中剖4 1 。近年来， 各国通过国际合作的方式，对有研究意义的地区，制定了一系列可行的研究 计划。美国对太平洋洋隆和中大西洋洋脊进行了海底调查，倾向于用原位水 哈尔滨1 ：程人学硕士学何论文 声探测来研究深海火山、地震及热液活动之间的关系。2 0 0 1 年3 月，依据 m o m a r 计划，在北大西洋布放水下自治听音器。从2 0 0 2 年7 月深潜器取得的 原位观测资料可以分析至l j l u c k y s t r i k e 热液活动区热流增加，特别是沿黑烟囱 热液丘的边缘和底部增加更加明显；法国在东太平洋和中大西洋的部分海域 进行了调查，并进军西南太平洋弧后盆地及大西洋中脊；德国在新爱尔兰盆 地、t j o e m e s 断裂带附近的冰岛、g r i m s e y 热液活动区进行了调查，并将实施 对大西洋的航次调查；日本的调查范围己从传统的冲绳海槽和马里亚纳海槽， 拓展到印度洋和南极地区；意大利、印度和韩国也加大了海底热液硫化物调 查研究的投入力度，仅印度2 0 0 1 年就单独有2 个航次；，加拿大也在热液活动及 矿床调查上取得了重大突破，并将继续开展工作p 。 1 2 2 国内海洋热液探测的成果 我国对现代海底热液活动及其硫化物的研究极为重视，“十五”规划发展 战略和目标中，着重实现从单一的探测石油、天然气资源转移到包括多金属 硫化物在内的海底矿产资源1 。但我国对于海底热液活动的调查研究起步相 对国外来说比较晚，存在调查采样设备落后、调查区域局限、缺少热液硫化 物及沉积物的样品来满足科研需要、国际间合作不足等主要问题。 1 9 8 8 年7 月8 月，在中德合作中，国家海洋局一所派人乘德国“太阳”号参 加了对马里亚纳海槽的热液活动调查。1 9 9 2 年6 月中科院海洋所和地球化学所 合作开展了对冲绳海槽的热液活动调查7 1 。这是我国首次独自组织的调查， 研究查明了热液活动区沉积物元素的基本组成特征，揭开了我国现代海底典 型热液活动区的环境特征分析调查研究的新篇章。1 9 9 8 年1 1 月2 0 0 1 年3 月， 经国家海洋局和中国大洋矿产资源研究开发协会安排，“大洋一号”d y 9 5 8 第 5 航段在马里亚纳海槽开展了大洋热液矿点试验调查，为我国海底热液活动及 硫化物资源的调查研究积累了经验。2 0 0 3 年1 1 月中科院海洋所乘“大洋一号” 第6 航段在东太平洋海隆区拖网采得了部分热液硫化物样品，这是我国科学家 首次利用本国的调查船和仪器设备取得的首批深海硫化物样品。2 0 0 5 年首次 环球大洋科考和2 0 0 6 年大洋第1 8 航次科考，“大洋一号”船携带大多数由我国 自主研究的仪器设备，在印度洋发现了浊度异常区。2 0 0 7 年3 月，中国大洋1 9 航次科考任务的“大洋一号”船通过近底拖拽a d c p ( 声多普勒流速剖面仪) 在 3 哈尔滨f ：程人学硕士学位论文 西南印度洋成功发现了新的海底热液硫化物活动区域。2 0 0 7 年8 月，浙江大学 研制了两种原位探测热液的方法，并通过了海上试验证实了设备及方案的可 行性p 川。中国国家海洋局第二海洋研究所在太平洋作业的“大洋一号”2 0 航次 科考队员，于2 0 0 8 年8 月第一次在东太平洋海隆赤道附近发现海底热液活动 区。2 0 0 9 年1 0 月，中国大洋第2 1 航次考察的“大洋一号”科考队完成了两个航 段的调查活动，首次使用水下机器人在海底热液喷口区获得喷口硫化物样品。 1 3 声学探测海洋热液的方法进展 国内外使用d o v ( 深海无人遥控潜水器) 、侧扫声纳和a d c p ( 声多普勒流 速剖面仪) 来探测海底热液、沉船残骸和天然气管道等。m a s a n o r ik y o 和 k i m i n o r is h i t a s h i m a 应用场效应管作为p h 电极，氯离子选择性电极作为 参考电极在深海的热液喷口观察热液羽状流，试验证明此方法有良好的准确 性以及长期稳定的特征n m 。p r o n a 等介绍了利用声成像探测海底黑烟囱的方 法，其观测结果是利用高频系统近程观测所获取的【1 1 1 。w o o d s h o l e 海洋研究 所的d y o e g e r 在论文中提到了采用a u v ( 无人探潜器) 搭载设备观测深海热 液的系统配置框图，将此设备应用于推断观测到的热液羽状体的垂直上升速 度n 习。k s a n t i l l i 提出了利用光学图像和声纳图像3 1 融合模拟真实热液的方法。 现如今，大洋科考主要有两种方法：其一，接触式探测技术。是利用拖 曳的拖鱼或者无人探潜器等，携带侧扫声纳、c t d ( 温盐深剖面测量仪) 、m a p r ( 微型无人热液记录仪) 等设备，对目标区域近程探测。如图1 2 所示，主要用 于对潜在热液活动区的大范围普查，图1 2 ( a ) 中的拖曳式探测热液技术目的在 于寻找新的海底热液活动区，以及监测热液羽状体的范围和漂移；图1 2 ( b ) 中的浸润观测技术，用于在已知热液活动区获取热液沉积硫化物或海底岩石 样品，其中定点柱状岩芯采样技术，用于在已知热液活动区获取沉积物岩芯 样品l 体1 5 】。 4 哈尔滨一 稃人学硕十学位论文 图1 2 探测海洋热液的方法 其二，走航式探测技术。对于如何探测水下信息，发现目标作业靶区的 方面很少公开，在大洋科考过程中，对水体信息能高效的、大面积覆盖的进 行探测是非常重要的，所以实现走航式的高效率探测能力至关重要。 图1 3 走航式探测热液的示意图 如图1 3 所示，本论文中设计将声头( 收发合置的发射换能器湿端) 吊放安 装在船只上，只需保证船正常航行的时候换能器全部入水即可，船只可以以 正常航速即走航式的方法来搜索海底热液，既提高了工作效率，又改进了传 统探测热液方法上在探测方面的缺陷。 该设计可以实时观测到水体中的不均匀性信息，从而为达到高性能走航 式热液探测的技术提供支持。针对油气资源、热液活动等科考对象的探测， 哈尔滨t 程大学硕十。学位论文 水体中存在不均匀性散射异常往往是其存在的重要征候叭。利用水体中的不 均匀性散射信息，能更为直观的将水体中蕴含的信息加以显示，从而提高大 洋科考探测作业的效率，为积累更多的观测资料、采集更多的有效样本作出 贡献。实时观测可利用水体回波实现声图功能的探测，图1 4 中分别列举了 国外学者对海洋生物资源、海洋油气资源以及海底地质活动引发的声图的观 测结果。 05 0 01 0 0 01 5 u u 2 0 g o o i s l m c a ( m ) f a s t - - - 图1 4 测深仪声图测量结果( 纵坐标为深度) 在图1 4 中，( a ) 为法国学者关于生物群的探测声图；c o ) 美国学者观测的 墨西哥湾两个油气柱；( c ) 德国科学家在黑海考察中观测到的海底地质活动引 发的气柱。 通过对比两种观测手段，近程观测方法的优点是直观，观测精度高。缺 点是必须在待测区域已经精确集中在范围较小的时候才能有效的应用；代价 昂贵；工作效率低；水下连接部分会由于船的航行速度、海流速度等多方面 的因素导致拖曳体距离上的偏离，大大地增加了误差；大洋探测中，应该以 走航式快速探测进行初步勘测，然后针对出现异常的区域( 通常也是要予以重 视的区域) ，顺藤摸瓜，利用拖曳式等近程观测设备进行精细的观测，这样既 可以保证探测效率，又降低了漏报信息的风险。达到走航式、高效率、大面 积作业的需求，符合了大洋科考的需求和发展方向。 1 4 本论文主要研究内容 本文基于热液探测方法的基本理论，仿真建立气泡幕的数值模型，经过 6 哈尔滨一r ：程人学硕七学位论文 i i i i ；i i i i i i i i i i i i i ；i 宣；宣；i i 肓i ；i i i i ；i i i i i i 宣i i i i i i i ；i i 宣i i ；i i i i i i i i 置i i i i i i i i i i 水池试验、湖上试验方式形成气幕回波探测信号处理方法，为大洋探测热液 的应用提供了技术支持。 论文的主要工作如下： 首先介绍了本文的选题意义和海洋热液探测的背景。总结了近些年来， 国内外海洋热液的探测成果。分析了走航式探测和走航式遥测两种探测海洋 热液的方法，及其相关技术的应用。随后，归纳了论文的主要工作内容和论 文结构。 其次，为了研究声学探测水下气幕的可行性，需要对热液声学探测所需 的相关理论进行研究。将海洋热液探测转化为对水下气幕( 大量气泡群) 的探 测，分析了气泡的频率特性、散射截面和尺度分布特性，对气泡的散射场做 了具体研究。利用上述的气泡声学特性，对气幕( 尺寸、形态和密度) 的数值 模型进行了仿真研究。验证了系统方案设计的合理性。最后论述了试验所得 回波数据的处理方法，包括动态范围归一化，选取发射信号为m 序列的原因， 回波测深数据的滤波处理方法及后置数据图像处理的显示方法。 再次，在理论研究探测热液方法可行性的基础上，介绍与探测试验有关 的硬件的设计，根据海洋热液模拟探测的硬件系统设计框图，分别描述了发 射部分和接收部分原理，给出了显控程序设计流程。 进一步，为了验证模拟热液探测的试验方案的可行性，采用水池实验及 湖上实验，考察了软件硬件的性能，评估该模拟热液探测系统的可行性，以 确保该系统的实时性、有效性、稳定性、可靠性。 最后，通过对理论研究、数值仿真和试验数据的处理分析，说明了利用 声学方法走航探测热液信息具有可行性。 7 哈尔滨一i ：程人学硕十学位论文 第2 章热液声学探测技术基础 热液的地质特征是海底地壳扩张引起的岩浆、气体的喷发，如图2 1 所 示，判断热液存在的征候可转化为探测水下气幕和固态散射颗粒的存在。分 析热液探测技术机理首先从分析软球( 气泡) 的散射入手，分析其散射规律、 目标强度、谐振频率等特性，然后根据集群气幕，通过声纳方程分析讨论声 学回波探测热液方法的可行性。 图2 1 热液形态及热液成分 热液从声学特征来看是气泡和颗粒散射的综合，而固态颗粒的存在与否 为气泡的形成提供了更好的聚集性n 7 1 。有关研究分析表明，热液( 群) 所喷发出 的气泡上升高度由海床可达几百米甚至数公罩的高度，其分布范围也可达几 十公里。 2 1 气泡的散射特性分析 关于球形体的散射问题是水声领域研究的经典问题，早在上世纪5 0 年代 就开始了其相关研究p 蚴，时至今日依然是许多研究的基础阳1 。平面波在软球 上散射的声压场是众所周知的古典问题，不同目标因其性质、大小、形状、 取向不同，对信号的散射能力也不刚2 2 1 。因此，研究目标的散射场特性对于水 声探测来说尤为重要。 8 哈尔滨t 程大学硕士学1 1 c 7 ：论文 三p 三a x 爹 m ( r ，口) ，f ) l y 一一一 、 一一一 - 一一一- 卜f知 一一一- l jx f 一一一1 卜 人k a 图2 2 入射平面波在球面上的散射 根据图2 2 ，平面声波沿x 轴方向投射到半径为a 的软球边界上，考察观 测点m ( r ，口) 处的声场。x 轴为口的零度方向嘲。 入射平面波表示为： p f ( z ，t ) = p o e “一h = p o e 7 “一打。5 8 ( 2 - 1 ) ( ，口) 为m 点的球坐标，为角频率，k = ；? 彳为波数，c 为介质声 速，a 为波长。 散射波声压p ，应满足波动方程和软球边界条件，即在球面上声压为零： p j + p ，= 0( r ；a )( 2 2 ) 因为声场是对称于z 轴的，故取满足以z 轴对称，球坐标系的波动方程 的解为： 热= 三a m e m ( c o s 口) j j l p 似) p 胁 ( 2 - 3 ) 式( 2 - 3 ) 中： a 。为常数； 己 ) 为m 阶勒让德( l e g e n d r e ) 多项式； 办 ) 为第二类n l 阶汉克尔( h a n k e l ) 函数，表示由球心向外传播的 波； 入射平面波可以分解为球函数的和： 9 哈尔滨t 程人学硕士学何论文 p i ( ，0 ，f ) = p o e 皿( 一( 2 m + 1 ) p ( c o s o ) j 。( b ) ( 2 - 4 ) 需焉 式( 2 4 ) 中： j 。( 打) 为m 阶球贝塞尔( b e s s e l ) 函数。 将( 2 3 ) 式和( 2 4 ) 式代入( 2 - 2 ) 中，解出口。，则p ，可以得出： p 小以f ) = p 。e 如羹( 一( 加+ 1 ) ，l j i m ，( 懈k a ) i 庇默打) 己俩s 口) ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中：a 代表散射球的半径，p ，代表了散射场。 1 ， 软球散射声场的指向性图 软球散射声场的指向性图 2 7 0 01 ，软球散射声场的指向性图 加 图2 3 软球散射声场的指向性( 软球半径变化) 图2 3 表示的是发射信号的中心频率固定为2 0 k h z 时，假设软球半径分别 为0 1 m ，0 0 1 m ，0 0 0 1 m ( 由左至右) 时的软球散射声场的指向性图。 舶 软球散射声场的指向性田 软球散射声场的指向性图 卯田 软球散射声场的指向性国 帅 图2 4 软球散射声场的指向性( 频率变化) 1 0 玎0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图2 4 表示的是软球半径a 为0 5 m 固定不变时，假设发射信号的中心频 率分别为2 0 k h z ，9 0 k h z ，2 0 0 k h z ( 由左至右) 的软球散射声场指向性图。波瓣变 窄，零点变多，起伏也更为剧烈。 2 2 海水中气泡的声学特性 在海底热液的形成过程中，散热的同时，会伴随喷发大量的气体。所以 探测海底热液的过程可以转化为探测深海水下气幕( 大量气泡群) 的过型蝴。 2 2 1 气泡的频率特性 气泡层的深度和气泡的浓度决定于波浪要素、表层水的湍动混合强度、 空气强度及溶解在水中的空气的饱和程度。气泡是某些频率范围内声波的有 效吸收体和散射体闭。气泡可视为一个空腔，它的存在使介质出现了不连续 性，声波在传播途中遇到气泡时产生强烈的散射过程，使得气泡通过气泡群 后，其强度大大减弱，这就是气泡的散射作用旧。另外气泡在入射声波的作 用下，作受迫振动，并作为次级声源向周围介质中辐射声能，这过程需要从 入射声中吸取能量，导致声强的近一步衰减。气泡在入射声波作用下作受迫 振动时，气泡和周围的水介质会产生热传导作用，致使部分声能变成热能而 传至周围介质中。另一方面，由于流体的粘滞力作用，气泡振动时，水介质 与气泡面之间的摩擦也使一部分声能变成了热能，这是气泡对声波的吸收作 用。声波在气泡群中传播时，衰弱最强，在声纳中反映出来就是回声声源级 的强烈衰减强2 9 1 。 气泡的谐振频率p 川可表示为： o ) o ：砜一1 监( 2 - 6 ) a vp o 其中a 为气泡半径，p 。为气泡周围介质密度，气泡的内在压力： 圪= 咒+ 2 z a ，f 为表面张力，昂为1 个标准大气压，对于空气来说为 y = 1 4 1 。 如果将只与海水深度联系起来，则深度d 处气泡的共振频率为： fo：03_33-1瓜01d0 。 ( 2 一，) 2 l 二， 其中a 的单位为c m ，d 的单位为m ， 的单位为k h z 。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 根据式( 2 7 ) ，若水深为1 m ，则频率f o ( k h z ) 与半径a ( 1 , t m ) 的关系如图2 5 所示；若固定气泡半径为1 0 0 i t , t m ，则频率f o ( k h z ) 与深度d e p t h ( m ) 间的关系 如图2 6 所示。 l 图2 5 气泡在l m 深处图图2 6 半径为1 0 0 l t , t m 的气泡 t o ( k h z ) 与a ( , u n ) 的关系t o ( k h z ) 与d e p t h ( m ) 间的关系 2 2 2 散射截面瓯 单个气泡的散射截面q 表示如下： 吼；_ws：j车(2-8)1o 做) 2 + ( 等一1 ) z 其中w s 为小气泡的散射功率，。= p 。2 2 p c 是入射声的强度，厂是它的频率。 p 为周围介质中的密度，c 为介质中的声速，口为气泡半径，k ：w 是波数。 c 图2 7 为气泡半径分别为2 0 , t m ，2 0 0 a n ，2 0 0 0 , a n 的情况下，散射截面与频 率的关系。 = 万2 a 2l , 风+ 乏1p ，) ( 2 - 9 ) p b 是气泡内气体的密度，p ，是液体密度， 图2 8 描述了液体流动速度分为为0 1 c m s 、 上的反应时间和气泡半径的关系 为液体流动速度，a 为气泡半径。 l c m s 、l o c m s ，液体作用到气泡 图2 8 反应时间和气泡半径的关系 2 2 3 气泡的尺度分布 诺瓦里尼描述了一个非常有用的羽流参数化模型p 2 1 ，将气泡大小分布和 空隙率，z ( 口，z ，“) 视为风速和深度的函数，其中g ) 以b 和丫为参数，它们的关 系如下： 1 3 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 n ( a ，z ，“) = n 。g ( a ) z ( z ) u ( u ) ( 2 - 1 0 ) 其中a 是气泡的半径，z 是深度( 正面向下) ，u 是高度在海表面1 0 米以上 的风速，以1 3 m s 为参考标准风速，u ) 表示如下： u ) = ( 兰) 3 ( 2 1 1 ) 上j 由半径以决定的g 0 ) ，由深度z 决定的z ( z ) 都依赖于羽流的类型，有如 下关系： g 口 ) = g ，0 ) = o ，a 口晌 ( 口口1 ) j ，口m j n s a a 1 1 ， n l s 口 a 2 口2 ) ， a e , a a 3 ( a 3 a 2 ) 一( a a 3 - 2 6 , a 3 ；asa m 。 0 ，a 口晌 口1 ) 3 ，a m i n ；a a l l a k a 1 与7 9 8 d b ，k a 5 0 m 格 重量 5 0 k g ( 1 ) 声源级s l ：由图2 1 7 的2 0 1 d - i z 声头的发射响应曲线可知，l v 电压对应 的输出为1 6 8 d b 。所以当发射电压为2 0 0 v 时，对于2 0 k h z 声头来说，发射 1 9 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 响应为2 1 1 d b 。 图2 1 7 实测2 0 k h z 声头发射响应曲线 ( 2 ) 双程传播损失： 其中几何损失为死 2 t l = 4 0 l g r( 2 2 0 ) 海底热液通常在深海2 0 0 0 m 左右，取水深，为2 0 0 0 m ，所以几何传播损 失2 t l 为1 3 2 0 d b ；吸收损失为a ，对于不同频率的声波来说，海水吸收系 数的每公里分贝数可近似表示为： 口：o l 5 扭k m 厂 3 砒 2 - 2 1 ( 2 - 2 1 ) 舭10 。d b k m 3 k h z 11 厂 ， 。 在工作频率为2 0 k h z 时，a 为3 3 d b k m ，所以吸收损失a 厂为6 6 d b 。 ( 3 ) 海洋环境噪声级n l ： n l = n l o + 1 0 1 9 b( 2 - 2 2 ) 由海洋环境噪声观测结果( w e n z 曲线) p 9 1 可知，当，为2 0 k h z 时，主要以 海水分子运动产生的热噪声为主，选取3 级海况时的谱级噪声为4 0 d b 。实际 工作中，接收机的带宽b 为l k h z 。数字处理中可通过滤波对噪声进行一定的 抑制。所以海洋环境噪声级近似为n l 为4 0 d b 。 目标强度硒：气幕群的目标强度5 7 d b 3 3 d b ，t s 与热液喷发所蕴含 的气泡尺度及密度有关川1 。 ( 5 ) 收发合置换能器的接收和发射指向性指数饼： 试验中发射信号选取两种m 序列。试验中采用图2 1 8 的4 级反馈移位寄 存器。其初始状态为( b 3 ，b 2 , b x , b o ) = ( 1 ，0 ，0 ，0 ) ，则在移位一次时，由b 3 和b o 模2 相加产生新的输入b 4 。1 0 9 0 ：1 ，新的状态变为( b 4 b 3 ，b 2 b 1 ) = ( 1 ，1 ，0 ，0 ) ，如此移位 1 5 次又回到初始状态。因为4 级移位寄存器共有2 4 = 1 6 种可能的不同状态， 除全零外只剩下1 5 种状态可用，即由任何4