基于光學(xué)圖像序列的海底熱液噴口流場測量方法研究.pdf

1、二十一世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，遼闊的海洋蘊(yùn)藏著豐富的資源，世界各國正在圍繞大洋海底礦產(chǎn)資源的調(diào)查和開發(fā)開展激烈的競爭。海底熱液區(qū)域因其蘊(yùn)藏的大量的礦產(chǎn)資源和生物資源，已經(jīng)成為各國海洋調(diào)查和研究的重要方面。海底熱液通過獨(dú)特結(jié)構(gòu)的煙囪體噴口，源源不斷的將巖漿與海水混合的高溫?zé)崃鲊姲l(fā)至海水中，使得海底巖石圈和海水之間產(chǎn)生了復(fù)雜的熱量和化學(xué)組分交換過程，這一交換過程涉及眾多科學(xué)問題，譬如，熱量輸出通量和物質(zhì)輸出通量，熱液成礦作用的成礦條件和成礦速率，

2、熱液區(qū)域潮汐作用、構(gòu)造作用、巖漿作用和地震等地質(zhì)作用對熱液系統(tǒng)的影響，以及熱液區(qū)域生物族群與熱液環(huán)境的關(guān)系等。要深入的開展這些研究，需要獲取最基本、最重要的一個(gè)參數(shù)就是熱液流速流場。
　　 海底熱液流速的測量作為熱液研究的一個(gè)重要方面，經(jīng)歷了由單點(diǎn)流速測量到測量截面流速，由接觸式向非接觸式的發(fā)展過程。單點(diǎn)流速測量方法獲得的數(shù)據(jù)的研究價(jià)值和實(shí)用價(jià)值具有一定的局限性，其測量裝置介入熱液區(qū)域?qū)嵋毫鲌霎a(chǎn)生干擾，此外特殊的高溫和地質(zhì)環(huán)境

3、對儀器設(shè)備使用壽命和觀測效果有著較大影響，目前開展的熱液流速測量主要是非接觸式方法，包括基于聲學(xué)技術(shù)的熱液測速方法和基于光學(xué)成像的熱液測速方法。雖然通過努力獲取到了一些熱液測速的數(shù)據(jù)，但總體而言對海底熱流流速的研究仍然較少，本文圍繞著國家從近海走向深海的戰(zhàn)略目標(biāo)，針對我國開展海底熱液研究工作比國外發(fā)達(dá)國家起步較晚，存基于光學(xué)成像的高分辨率海底熱液流速流場觀測方面尚處于空白的現(xiàn)狀，開展熱液噴口流速流場的圖像測速方法研究，為我國開展海底熱液

4、能量輸出通量等熱液的有關(guān)研究提供原始資料和科學(xué)依據(jù)。
　　 本文分析了海底熱液噴發(fā)時(shí)熱液的流體力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)熱液產(chǎn)生的機(jī)制和其流體力學(xué)的性質(zhì)構(gòu)建了熱液噴發(fā)模擬仿真裝置，存熱液噴發(fā)模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建光學(xué)成像與圖像采集系統(tǒng)，選取石墨粒子和炭黑作為示蹤粒子模擬熱液，完成整體系統(tǒng)集成并制定詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，使用兩種模擬熱液分別進(jìn)行熱液噴發(fā)仿真，獲得了高質(zhì)量的模擬熱液的圖像序列，驗(yàn)證了基于光學(xué)成像方法在海底熱液流速監(jiān)測的可行性。
　　

5、 本文通過對圖像測速的常用分析算法分析，介紹了基于灰度的匹配方法、相位相關(guān)法和時(shí)空互相關(guān)法的流速測量算法，并應(yīng)用MATLAB語言對上述三種算法進(jìn)行了測速軟件實(shí)施，使用所開發(fā)的測速軟件對采集到的圖像進(jìn)行分析處理，分析結(jié)果表明基于灰度的匹配方法得到的流速流場與理論流場分布最相似，并通過將灰度匹配測速軟件對海底熱液圖像進(jìn)行分析處理，結(jié)果表明灰度匹配法的準(zhǔn)確性和實(shí)用性較高，更加適用于熱液噴口流速流場的圖像測速方法。通過對美國ROV采集的熱液噴口