学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

深海热液速度场声学法测量及重建算法研究

作　者: 白燕
导　师: 潘华辰；毛洁
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 深海热液速度场声学法重建算法最小二乘法傅里叶正则化
分类号: P714.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 14次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

深海热液的研究已经成为海洋科学的一项重要研究内容,对热液活动的热和物质通量的估算是海洋热液活动研究的重要内容之一。从热液系统传输到海洋的热通量的计算取决于对热液区的规模、温度、速度等物理量的研究。因此,对热液口速度场的测量与研究成为对热液口热通量的观测计算的一个重要组成部分。传统的流体速度测量方法有示踪物法、光电法等,然而受人为和环境因素的影响较大,因此需要探索一种通过非侵入式的检测方法来获取长时间热液口的流速以及其它物理量。本文主要研究声学法测量深海热液的速度场和速度场重建算法,主要完成的工作有:首先,对传统测量流速方法进行了综述,详细阐述了声学测速的原理与方法。进而介绍了声学法测量深海热液速度场的方法,以及声学法深海热液原位温度场和速度场测量的实验系统。考虑到热液口可能会呈现各种不同的形态,设计了八种速度场模型:速度梯度较小的宽单峰、速度梯度较大的窄单峰、速度梯度较小的宽双峰、速度梯度较大的窄双峰、四峰、单峰偏置、双峰偏置、四峰偏置用以研究速度场重建算法,以优化速度测量系统的设计。其次,详细研究了速度场重建算法,应用工程数学软件MATLAB对各种速度场模型基于最小二乘法与傅里叶正则化方法进行了重建仿真。研究结果表明:前者在换能器数量较少时重建效果较差,且只能对简单的速度场模型进行重建还原;当换能器数量增多时其重建精度提高,同时可实现对复杂速度场模型的重建还原;后者对各种速度场模型皆能实现较好的还原,且重建精度较高。再次,考虑到实际测量中存在的影响速度场重建精度的各种因素,对各种模型的速度场基于测量区域划分、换能器数量、布置方式以及换能器平面间距、噪声等因素进行了重建仿真研究。结果表明:速度场的重建精度与上述各种因素都有直接关系,当在理想的飞渡时间差之上添加由噪声引起的时间测量误差时,两种重建算法的重建效果皆受一定程度的影响,即两种算法均对飞渡时间差的测量精度有较高要求。最后,对三维速度场的测量基于最小二乘法与傅里叶正则化方法进行了重建仿真与分析比较。结果表明,后者的重建效果较之前者更为理想,重建精度较高;增加声学换能器数量可提高三维速度场的重建精度。同时,研究了非均匀温度场下声波飞渡路径受温度梯度影响而产生的弯曲效应,从而提高速度场的重建精度。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第1章绪论  11-18
  1.1 课题研究背景与意义  11
  1.2 速度场测量技术及声学法测速的国内外研究现状和发展  11-14
    1.2.1 速度场测量技术  11-12
    1.2.2 声学法测速国内外研究状况和发展趋势  12-14
  1.3 深海热液口速度场的测量和重建方法  14-16
    1.3.1 深海热液口速度场的测量方法  14-15
    1.3.2 速度场重建方法  15-16
  1.4 本文主要内容  16-18
第2章声学法测量速度场原理  18-25
  2.1 声学法测速原理  18-20
    2.1.1 声学法测量速度场数学原理[39]  18-19
    2.1.2 计算机层析成像技术  19-20
  2.2 声波飞渡时间的测量以及时延算法  20-22
  2.3 声学法测速系统构成  22-24
  2.4 本章小结  24-25
第3章最小二乘法重建速度场  25-52
  3.1 最小二乘法重建速度场原理  25-27
  3.2 测量区域的划分  27-28
  3.3 速度场重建的计算机仿真  28-47
    3.3.1 热液速度场的数学模型  28-31
    3.3.2 换能器数量与布放位置对速度场重建精度的影响  31-44
    3.3.3 换能器平面间距对速度场重建精度的影响  44-47
  3.4 存在噪声数据时的重建分析  47-51
  3.5 本章小结  51-52
第4章傅里叶正则化方法重建速度场  52-79
  4.1 傅里叶正则化方法重建速度场原理  52-55
    4.1.1 矩阵H 的傅里叶级数展开  54-55
    4.1.2 选取经验矩阵B  55
  4.2 速度场重建仿真  55-71
    4.2.1 基于16 测点的正则化方法速度场重建  56-64
    4.2.2 基于32 测点的正则化方法速度场重建  64-68
    4.2.3 换能器平面间距对正则化方法重建精度影响  68-71
  4.3 存在噪声数据时重建分析  71-75
  4.4 正则化方法与最小二乘法的重建结果比较  75-78
    4.4.1 无噪声时重建结果比较  75-78
    4.4.2 存在噪声时重建结果比较  78
  4.5 本章小结  78-79
第5章声学法三维速度场的测量重建  79-87
  5.1 声学法三维速度场测量重建的理论依据  79
  5.2 声学法三维速度场的测量重建  79-80
  5.3 三维速度场重建仿真  80-84
    5.3.1 模型速度场  80
    5.3.2 速度场重建仿真  80-84
  5.4 温度梯度场中声波飞渡路径研究  84-86
    5.4.1 声线弯曲的Fermat 原理与数学变分方法  84-85
    5.4.2 声波飞渡路径追踪  85-86
  5.5 本章小结  86-87
第6章总结与展望  87-89
  6.1 工作总结  87-88
  6.2 工作创新点  88
  6.3 工作展望  88-89
致谢  89-90
参考文献  90-94
附录  94

深海热液速度场声学法测量及重建算法研究

内容摘要

全文目录

相似论文