海底热液温度场声学测量系统的初步研究

    1 引 言

    海底热液口温度场原位观测是热液研究的重要内容, 也是海洋地热探测的主要手段[1-2]。温度场的测量对研究热液的成分、物理性质、热液成矿和水流运动有重大意义[3-4]。目前热液口温度测量主要依靠热电偶、热电阻等接触式温度传感器[5-6], 具有结构简单, 工作可靠等优点。但是由于接触式温度传感器难以直接获得二维温度场, 且容易对热液的流场产生干扰, 使其应用存在一定局限性。

    声学温度场测量方法是非接触式测量方法的一种。测量过程中测量设备与被测流体之间不存在直接接触, 因此具有不干扰被测温度场, 不受高温、强腐蚀等环境因素的限制, 易于得到二维平面温度场等优点[7]。声学测量方法在国内外都有初步应用。Rutgers 大学的 Peter A. Rona 等曾用多声道声纳对深海热液进行扫描, 利用获得的数据对深海热液的图像与 3-D 结构进行重建[8]。华北电力大学的沈国清等研利用声学方法实现了对锅炉炉膛内温度场的测量与实时监控[9-11]。本文尝试利用声学原理研制用于海底热液口的温度场测量系统。为了提高测量精度, 研究了测量中的 3 个关键技术, 为海底热液口温度场声学测量的实际工程应用提供参考。

    2 声学温度场测量原理

    声波在海水中的传播速度与温度、盐度和深度有关, 根据已有文献, 它们之间的关系可以表示为[12]:

    式中: c 表示声波在海水介质中的速度, 单位 m/s; D为被测平面的深度, 单位 km; k 为引入的参数,k=T/10, T 为温度, 单位℃; S 为含盐量的千分数; c(0,S, k)代表海平面上的声速, 其值可以近似表示为

    由式(1)可知, 盐度对声速的影响较小。对于某一特定的热液口, 周围海水的盐度和测量平面深度均可视为常数, 声速变化主要与温度有关。

    进行温度场测量时, 在测量平面内布置若干个水声换能器。其中一个作为声源发送声波信号, 其余换能器作为接收器对该信号进行接收。将接收到的信号对源信号做广义互相关运算, 得出对应声传播路径上的飞渡时间(TOF, time-of-flight), 结合收发换能器之间的距离即可得出路径上的平均声速。代入式(1)求出声传播路径上的平均温度, 最后通过重建算法还原出整个热液口的二维温度场。图 1(a)为一种声学换能器布局下的声传播路径示意图, 图 1(b)为与之相适应的一种的网格划分方式。图 1(b)中, T1~T16表示编号 1~16 的水声换能器(Transducers); 网格中的数字为网格单元的编号。

    3 关键技术与试验研究

    3.1 基于广义互相关的 TOF 测量

    海底热液口温度场声学测量的关键技术之一是飞渡时间的高精度测量, 即发射信号与接收信号之间的时延估计。众多研究表明, 信号的互相关函数分析是了解两个信号之间时间延迟的有效工具[13]。假设发射信号 s1(n)与接收信号 s2(n)分别为: