声学法海底热液口测温方法及其关键技术

　　0 引言

　　海底热液口热液的热通量及运动方式对热液成矿、硫化物烟囱体形成以及热液生物圈活动都有直接影响。通过对热液口温度场和流速的原位测量，能较精确地测量出热液口输出的热通量[1]。

　　对现代热液活动温度场分布进行原位监测是热液活动研究中的重要内容之一[2 -5]。文献[2]～[3]采用接触式温度传感器阵列进行测量存在一定的局限性，接触式测量会干扰热液口的温度分布，只能测量某些点的温度，无法得到温度场分布数据。文[4]～[5]提出的非接触式声学热液温度场原位测量克服了以上难点，实现了在高温、腐蚀、多悬浮颗粒的恶劣环境下的连续实时精确测量。

　　本文提出海底热液口高精度飞渡时间测量和截面二维温度场重建的两个关键技术，对声学法海底热液口温度场测量的实际工程应用具有一定的参考价值。

　　1 声学测温原理

　　MacKenzie ( 1981) 给出了声波在海水介质中的传播速度与海水温度、深度和盐度的关系式[6]:

　　式中: c 为声波在某种海水介质中的速度，m/s; z 为被测平面的深度，m; T 为温度，℃; S 为含盐量的千分数。对于一个固定的热液口平面上的深度和盐度，可它们视为常数。这时，海底声速的变化主要与温度相关。

　　海底热液口原位长期声波测温的具体步骤是: 在一个平面内布置 n 个发送和接收水声换能器，接收水声换能器接收发送水声换能器发射出的声波信号，并与之作互相关计算，得到若干条独立有效的传播路径的声波飞渡时间，进而得到这些路径上声波传播的平均速度。

　　利用式( 1) 中温度与声速的关系，可得出这些有效传播路径的平均温度值，且通过特定的重建算法可拟合出整个热液口待测平面的二维温度场，从而实现海底热液口一个平面内的温度场重建。水声换能器和网格分布图如图 1 所示。

　　图 1 水声换能器和网格分布图

　　Fig. 1 Underwater acoustic transducer and the grid distribution

　　2 原位测温的关键技术

　　2. 1 高精度飞渡时间测量

　　海底热液口温度场声学原位测量的关键技术之一是高精度飞渡时间 ToF( time-of-flight) 的测量。声波信号在海底热液介质传播时会有一定的衰减，同时，它还受背景噪声的干扰。因此，需要知道声源信号的最佳发射功率。为了了解两个信号之间的时间延迟，信号的互相关函数分析是十分有用的工具[7]。两个离散时间信号函数 f( k) 和 f2( k) 的互相关函数为[8]:

　　式中: f1( k) 为发送水声换能器发送的声源信号; f2( k)为接收水声换能器采集到的离散声波信号。将两者进行互相关函数计算，互相关函数取得最大值的延迟时间即为声波的传播时间。