海底气泡羽状流成像模拟平台及模拟方法

本发明涉及气泡羽状流模拟，特别是海底气泡羽状流成像模拟平台及模拟方法。

背景技术：

1、海底天然气水合物是一种极其重要的天然资源，其广泛分布于全球海洋的深层沉积物中。气泡羽状流是指海底天然气水合物分解并渗漏到海水中所形成的气柱，其形态和特征具有很高的非线性和时变性，因此其探测和识别一直是海洋科学领域的重要研究方向。

2、目前，气泡羽状流的识别方法主要包括声学探测、海底原位探测和地震波探测技术等。这些方法各有优缺点，故在实际的海洋调查中常常采用多技术联合探测的方法。随着深度学习的发展，使用深度学习方法对羽状流进行目标检测成为未来的趋势。然而，由于目前供深度学习模型训练的气泡羽状流样本图像较少且海底实物图像获取难度较大，这些原因大大限制了使用深度学习模型进行气泡羽状流的训练和应用。因此，为了更好地满足深度学习目标识别等任务的需要，需要搭建一个气泡羽状流模拟平台。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种海底气泡羽状流成像模拟平台及模拟方法，可以模拟出海底冷泉气泡羽状流的形态和行为，并采集出相应的声学、光学图像，这些数据可以用于训练深度学习模型，达到真实海域对羽状流进行目标检测的功能。

2、本发明的技术方案是：一种海底气泡羽状流成像模拟平台，其中，包括：

3、水槽；

4、羽状流泄漏模拟系统，包括气体产生机构、水流产生机构和喷射装置，喷射装置设置在水槽的底部；

5、环境模拟系统，设置在水槽内；

6、监测控制系统，分别与羽状流泄漏模拟系统、环境模拟系统连接。

7、本发明中，所述气体产生机构包括依次连接的气罐和空气泵，连接气罐和空气泵的气体导管上设有第一流量计，连接空气泵和喷射装置的气体导管上设有气体压力控制阀。

8、所述水流产生机构包括依次连接的海水罐和水泵，连接水泵和喷射装置的液体导管上设有第二流量计和水流压力控制阀。

9、所述喷射装置包括：

10、壳体，固定设置在水槽的底壁；

11、数个喷射模块，包括气体喷射模块和水流喷射模块，水流喷射模块位于壳体的中心，气体喷射模块环绕设置在水流喷射模块的外部；

12、气体喷射模块的底部与气体产生机构连接，水流喷射模块的底部与水流产生机构连接，喷射模块的顶部设有数个喷嘴，每个喷射模块顶部的数个喷嘴之间呈正态分布。

13、所述环境模拟系统包括：

14、压力模拟机构，包括压力传感器和压力控制器，其设置在水槽的底部；

15、温度模拟机构，包括温度传感器和温度控制，其设置在水槽环形内侧壁处；

16、海底微地貌模拟机构；

17、水流模拟机构，包括设置在水槽环形内侧壁上的水下扇风叶片。

18、所述监测控制系统包括：

19、监测机构，包括保持架、声呐和海底高速摄像机，声呐和海底高速摄像机均设置在保持架上，保持架固定在水槽侧壁上；

20、控制机构，包括主机，分别与监测机构、羽状流泄漏模拟系统、环境模拟系统连接。

21、本发明还包括一种利用上述海底气泡羽状流成像模拟平台进行模拟的方法，其中，包括以下步骤：

22、s1、平台安装；

23、s2、平台运行，对气泡羽状流进行数据采集；

24、s3、数据保存；

25、s4、平台清理与拆卸。

26、步骤s2中，声呐发射声波束，通过测量声波在水中的传播时间和反射信号的强度，获取水中气泡羽状流的位置和形态，海底高速摄像机用于拍摄气泡羽状流的运动过程和形态特征，将声呐收集到的声学数据、以及海底高速摄像机拍摄的光学图像传送主机。

27、步骤s2中，其数据采集过程中具体包括以下步骤：

28、s2.1、保持声呐和水下高速摄像机的拍摄角度不变，进行采样，获得相同拍摄角度下的连续图像序列，实现对气泡羽状流的连续观测和数据采集；

29、s2.2、在不改变拍摄角度的情况下，逐一改变温度和压强，再经过喷射装置喷出，并采集数据，获得不同温度和压力下的气泡羽状流的声学图像；

30、s2.3、在不改变拍摄角度的情况下，改变空气泵的功率、气体压力控制阀的开闭状态来改变喷射气体的速度，并采集数据，获得不同速度下的气泡羽状流的图像；

31、s2.4、改变声呐和水下高速摄像机的拍摄角度，获得不同位置、光线、背景的样本图；

32、并继续实施步骤s2.2和步骤s2.3的条件，以获得充足的样本，从而获得不同拍摄角度下的气泡羽状流的图像。

33、本发明的有益效果是：

34、(1)成本低：可以采用成本比较低廉的装置，并使用简单的传感器、空气泵等设备就可以很好的模拟出羽状流的泄漏喷射状态；

35、(2)该模拟平台使用的装置较少，体积较小，适用于绝大部分水槽，且可以根据不同的测试任务进行部件的添加或修改。

36、(3)该模拟平台不仅可以模拟羽状流的泄漏喷射状态，还可以采集出供深度学习使用的充足的样本。通过对模拟实验中产生的数据进行处理和分析，可以提取出羽状流的相关特征和参数，如尺寸、速度、形态等，以及与流体环境相关的参数，如温度、压力、盐度等。这些数据可以用于训练和优化深度学习模型，提高模型的准确性和稳定性。

37、综上所述，本申请不仅可以获得充足的气泡羽状流的声学数据和光学图像数据，还可以为气泡羽状流的观测、探测和应用提供更加准确、可靠和有效的技术支持。

技术特征：

1.一种海底气泡羽状流成像模拟平台，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的海底气泡羽状流成像模拟平台，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的海底气泡羽状流成像模拟平台，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的海底气泡羽状流成像模拟平台，其特征在于，所述喷射装置包括：

5.根据权利要求1所述的海底气泡羽状流成像模拟平台，其特征在于，所述环境模拟系统包括：

6.根据权利要求1所述的海底气泡羽状流成像模拟平台，其特征在于，所述监测控制系统包括：

7.一种利用权利要求1-6任一所述海底气泡羽状流成像模拟平台进行模拟的方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的海底气泡羽状流成像模拟方法，其特征在于，

9.根据权利要求7所述的海底气泡羽状流成像模拟方法，其特征在于，

技术总结
本发明涉及气泡羽状流模拟技术领域，特别是海底气泡羽状流成像模拟平台及模拟方法。包括：水槽；羽状流泄漏模拟系统，包括气体产生机构、水流产生机构和喷射装置，喷射装置设置在水槽的底部；环境模拟系统，设置在水槽内；监测控制系统，分别与羽状流泄漏模拟系统、环境模拟系统连接。可以模拟出海底冷泉气泡羽状流的形态和行为，并采集出相应的声学、光学图像，这些数据可以用于训练深度学习模型，达到真实海域对羽状流进行目标检测的功能。

技术研发人员：张千里,毕硕,成昊远,刘贵杰
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11