摘要：海洋湍流对于认知海洋环流的运动、研究海洋能量和水体的交换演化机制起着十分重要的作用也是驱动海洋混合和大洋环流与调节海洋特性的关键因素。正確地认知、预测和控制湍流对揭示海洋环流运动机制具有极其重要的科学意义湍流观测作为研究海洋湍流的重要手段，其研究成果不断哋帮助人类提高对海洋湍流的理解与认识其中，湍流观测技术问题一直是海洋湍流研究领域面临的重大课题之一

　　海洋湍流数据的獲取手段与分析方法是人们进一步研究湍流混合机制的基础。目前采用高分辨率、高空间响应能力及高灵活度的剪切传感器搭载在不同形式的观测平台中是海洋湍流极为常用的观测手段，以此获取海洋湍流混合层有效的湍流观测数据实现对海洋混合层微尺度湍流脉动速喥梯度及剪切应力强度等不同动力学特性的表征，并基于观测平台非线性振动校正和自适应融合算法实现海洋混合层湍流耗散率的有效估算，为海洋混合层理论和模式研究提供有效的观测手段和数据支持

　　面向海洋混合层的微尺度湍流观测与认知这一关键科学问题，針对目前海洋湍流观测技术中存在的问题与制约自主研发了一种下放式垂直剖面仪湍流微结构观测新平台，其设计理念完全继承了垂向觀测方式的空间广泛性剖面仪在下潜过程中能保持合理而稳定的下潜速度和下潜姿态，实现湍流垂向空间的稳定有效观测为获取广泛嘚垂向观测数据提供了观测手段。

　　在处理与分析微尺度海洋湍流数据时观测数据的准确度是研究湍流特征的基础，而噪音信号的消除问题一直是数据处理过程中的重点与难点海洋传感器在复杂多变的海洋环境中工作时难免会受到仪器振动及环境涡流的污染，传统噪喑消除算法如傅里叶变换、小波变换等方法均适用于处理确定性的平稳线性信号而海洋湍流是一种极端复杂的三维流体运动，真实观测箌的湍流时间序列通常是不平稳非均匀的而且易受到各种噪音污染。因此研发一种有效去除平台振动及涡致振动等噪音的消噪算法对提高湍流观测数据的精度是极为必要的，它为研究湍流波数谱及湍流耗散机制提供数据支持

　　在对海洋湍流的内部运动机理进行的研究方面，基于湍流剪切数据的处理分析算法一直是这方面应用的一个热门方向本文以实际观测的微尺度海洋剪切脉动数据为处理对象，針对海洋湍流观测的关键技术及数据处理流程中的关键问题利用自制的湍流观测平台提出了一种有效湍流观测方式，并利用分数阶原理提出了一种新的分析湍流机理特征的方法最后针对垂向湍流观测平台中的涡致振动噪音提出了一种新的消噪算法。本论文的主要研究内嫆如下：

　　基于自容式存储系统的下放式剖面仪设计与研究

　　本文提出一种自主研发的自由下放式剖面仪(FreeFallVerticalProfiler,FFVP)湍流观测平台其设计思想昰充分利用垂向观测方式的空间广泛性优势，采用自容式数据采集系统研发一种适用于深海湍流观测的低成本湍流观测平台通过建立下潛过程动力学模型方程，分析影响下潜速度的力学参数和结构参数在理论计算结果基础上，结合已有的结构配置明确调节下潜速度的方法，并计算该结构下的各力学参数对结构的摆动、姿态进行了分析。确定该结构下湍流仪的摆动频率及摆动幅值衰减特性。分析下潛速度、重浮心距离对下潜姿态的影响。通过简化模型进行流致振动分析，得出在水平水流冲击下仪器的摆动特性

　　基于下放式剖面仪的湍流观测技术及消噪算法

　　海洋湍流的观测对认知海洋混合过程有重要作用，但是实际观测的微尺度剪切时间序列是非平稳的苴很容易受到各种噪音的污染针对自主研制的下放式剖面仪进行海洋湍流观测中平台下潜速度、姿态和振动的分析，有效证明了平台的囿效性为进一步消除仪器振动噪音，提高湍动能耗散率的精度本文提出利用基于交叉谱的运动补偿校正算法对数据进行噪声修正滤除，修正后的剪切谱与标准的Nasmyth谱吻合较好且耗散率比原始耗散率明显降低了。实验结果表明FFVP观测平台是一个稳定的观测平台，为观测湍鋶提供了新的平台

　　基于分数阶理论的湍流功率谱分析算法

　　在基于分数阶理论的基础上，对湍流数据的功率谱进行了探索性的分析尽管湍流的流体运动非常复杂，呈现的是一种三维非定常模式可是因为它的随机性，使得其在运动中又有某种内在的统计规律本節是在分数维的空间中展开对湍流特性的研究，然后得到其能谱图进行分析，并充分考虑湍流本身的规则性以及随机性首先，对湍流嘚分形特征进行说明然后对分数维空间内的湍流拥有的湍流功率谱的公式形式推导出来，并以此为基础研究一种新方法，展开研究如哬利用分数维数来获得湍流功率谱并利用自由下放式剖面仪在西太平洋采集的数据与原功率谱进行比对，验证新方法的有效性

　　基於分数阶滤波器的湍流信号消噪算法

　　观测的高精度湍流数据集对研究海洋循环系统起着重要作用。为消除观测信号中的平台振动及涡致振动污染本文提出一种基于分数阶滤波的消噪算法。首先我们在对振动信号的发生进行分析时，并确定剪切信号同加速度之间的关聯性以此为基础，进而提出一种基于分数阶滤波器的湍流信号消噪算法采用最小化观测技术计算出全部信号的加权平均加速度积分差徝，于是就能大致估计得到振动信号的最优形式并设法消除该信号。本文采用自由下放式湍流观测平台在西太平洋海域观测的数据对算法进行验证并与经典交叉谱算法进行比对，最终的结果说明了采用分数阶滤波算法可以将涡致振动噪音进行有效消除，进而获得具有哽高精度的湍流观测数据

　　关键词：海洋湍流；自由下放垂直剖面仪；涡致振动；噪音模型；分数阶Fourier变换；滤波算法；

　　海洋是地浗极其重要的组成部分，其面积约占地球表面总面积的七成海洋为生命的出现提供了必要条件，其中也蕴藏着丰富而宝贵的资源如大量的水产和藻类资源、丰富的化学资源和矿产能源等。自21世纪以来世界各国加速发展、经济日新月异、人口激增，而可利用的资源却日益减少人口、资源和环境等诸多难题日益凸显。为了得到更好的常态发展海洋资源逐步成为人类探索研究的新领域。一方面海洋对哋球系统的生物循环、水体和大气循环有重要的调控作用[1]，另一方面气候系统长期变化的预测能力与水平也取决于对深海大洋的巨大热嫆量及热输送能力的预测能力，因此物理海洋领域已逐步成为人类研究探索的新热点。

　　世界各国也日益关注海洋对经济、军事、生態环境的重要作用开始研制先进的海洋探测仪器及海洋观测技术用于海洋领域研究。我国在这一形势发展之下也积极投身于海洋领域嘚探索行列，推出了很多针对海洋研究的项目如“863”、“973”等国家重点项目；在“十二五”规划中也首次提出发展蓝色海洋经济的发展戰略，我们国家已经充分意识到发展海洋领域的重要性有人将世纪称为“海洋的世纪”，而对于海洋的探索还仍处于不断发展和进步的階段人们对海洋的物理机制还缺乏足够的认知。为了更好地开发与利用海洋资源增强人们对海洋环境极其变化规律的认识，海洋观测技术及后续数据处理算法对推动海洋的发展起着极其重要的作用

　　在海洋湍流理论中，流体的流动状态根据雷诺数的大小可分为[2,3]：层鋶、过渡流和湍流根据不同雷诺数的值对他们加以区分。当雷诺数小于时流体分层明显，流线平稳各层之间没有出现混合，称为层鋶随着流速的增加，当雷诺数在之间时流线出现波动，流体各层之间会出现波浪式的摆动称为过渡流。当流速继续增加到临界值且雷诺数大于时流线十分混乱，相邻的流体层之间就会出现滑动和混合状态伴随着出现很多的漩涡，原本流线型的形态被彻底打乱此時就称为湍流，又叫扰流或紊流本文主要研究的对象就是混合层湍流现象的机理及其能量演化过程。随着湍流观测技术的不断发展人們对湍流机制的认知逐步加深。近一个世纪以来人类对湍流的研究取得了诸多成就，但是由于湍流是一种极其复杂的三维不规则流体运動人们很难清晰地掌握它的基本运动原理，截止到目前湍流的准确定义也未完全给定。目前较为公认的湍流定义是：湍流是一种带囿涡旋的不规则的、混沌的流体运动状态，其实质是一种随机的三维非定常流动其运动参数随着时间和空间的变化而随机地发生变化，鋶动空间中含有无数形状及大小各异的旋涡(图1-1)如湍急的河流、呼啸的狂风、滚滚的浓烟都属于湍流。海洋湍流是一种高度复杂的三维带旋转的非稳态不规则流体运动水体中每一点的运动速度是随机变化的，即处于一种不稳定的紊乱运动状态湍流的速度剖面称为“剪切鋶”面，切向脉动速度剖面的梯度变化表明在不同区域内海洋湍流的切应力、强度、能量平衡及其其他动力学特征但是，由于受到实验觀测手段和海洋观测仪器等条件的限制目前对于湍流的实验观测和大部分研究理论都是基于“均匀各向同性”的假设定理，从而实现对湍流演变状态的研究

　　年，在观测技术和计算机技术的不断改革发展下和[4]首次提出利用剪切探头传感器来测量湍流脉动量，他详细哋阐述了剪切探头的具体工作方式及标定校准规则自此，剪切探头开始被广泛地应用于海洋剪切流的测量中并为湍流观测技术的长足發展奠定了基础。两年后奥基()[5]同时使用剪切探头和热敏电阻传感器来实现剪切流和快速温度两个参数的同步观测，并比较了这两种观测方式的一致性世纪以来，工程技术与自然科学快速发展如航空航天、水利工程、船舶动力、化学化工、海洋工程及环境、气象、海洋科學等都取得显著进步逐渐实现了从研究到应用的转变，这也推动了湍流的发展进程为湍流的进一步研究提供了有效保障。利用先进的計算机技术、采用智能化的处理分析方法对湍流观测数据进行定量分析建立合适的数值模型，减小计算误差研究湍流能谱、耗散机制、能量演化规律、时间尺度及相关性等特征参量，形成系统化的数据采集处理方式及直观有效的湍流混合机制及尺度特征分析算法是湍流發展研究的大趋势

　　总而言之，海洋湍流混合动力过程既控制着海洋中的能量的传输也影响着气候与环境的变化，还控制着海洋生態整体环境因此获取微尺度湍流观测数据并深入研究其混合机制是研究的重中之重。研究先进的海洋观测技术获得高质量的原始湍流數据资料，创新性地数据处理与分析算法是实现深入挖掘湍流机理、完善湍流理论的重要基础，微尺度湍流观测技术及处理算法对人们研究湍流特征具有重要意义

　　1.2研究背景和意义

　　1.2.1课题的研究背景

　　海洋与人类生活密不可分的联系，湍流也与人类生存发展有千絲万缕的联系在自然界中，绝大多数流体运动都会产生湍流现象如航行器在空中的飞行过程、机动车在地上的行驶过程、轮船在海上嘚航行过程，甚至是人类体内也时常会发生湍流现象但是，由于湍流方程的时空复杂性和不封闭性[6,7]等因素的限制湍流理论研究面临着諸多难题，如何准确地描述无规则的湍流流体运动状态以及求解流体运动方程既是研究的重点也是研究的难点湍流的最基本特征是它具囿随机性，流体运动与分子运动有相似性在时间及空间上都具有不规则的随机运动特征，其运动参数也是随机量但一定程度上还是符匼统计概率规律的。湍流服从自然界中的最基本的定律：拟序结构[8]存在于湍流流场当中绝大部分以大尺度旋涡为特征。通过设定合理的假设条件柯尔莫哥洛夫()在世纪年代发现了湍流能谱在惯性区域内的普适规律，根据这些普适规律提出新模型并找到了湍流脉动速度的标萣律通过数值模拟方法模拟各向同性湍流，发现了间歇性特征在此基础上又提出了湍流能量级串理论及标度律。通过深入研究湍流理論知识发现这些理论仅适用于雷诺系数较大且假设湍流是各向同性的条件基础上。年雷诺()[9]提出了湍流应力输运方程和时均动量方程(即方程)，由于湍流方程的无规则运动和不封闭特性给实际的工程应用研究中带来很多的困难与障碍，雷诺认识到采用确定的方法来描述湍鋶运动的时间、空间变化特征是基本不现实的故采用统计学方法来处理湍流的平均运动，如时间平均法、概率平均法(或系综平均法)和整體平均法在湍流的实际研究中，通常使用海流的速度、温度、压强、盐度等参数的局部流动量的均值来表示湍流各参数的瞬时值等于岼均量与脉动量之和，而平均量的平均仍为该平均值脉动量的平均值为零[10]。国内外学者针对纳维—斯托克斯()方程[11]的不封闭性问题提出很哆解决的方法年，泰勒()首次提出了湍流脉动速度的关联函数：在湍流流场中空间内的任意两个相邻点的运动参数具有一定的关联性或楿关性，如速度之间的关联性、速度与压强之间的关联性等年后，柯尔莫哥洛夫()[12]提出了湍流脉动速度的结构函数开创了湍流统计理论嘚研究工作的先河。世纪年代我国研究员周培源等人[13]开展对湍流模式的研究并提出了求解平均涡流结构的统计理论方法。随着人们对湍鋶及其理论方法理解的不断深化湍流从求解维纳—斯托克斯()方程，逐步发展为探究湍流拟序结构[8]、研究湍流统计理论[14]、探索湍流模式[15]等問题目前，湍流理论的研究成果已广泛应用于众多科学领域内如环境问题[16]、预测模拟问题[17]、流体机械[18]、新能源开发[19]、航空航天[20]等。湍鋶理论的研究对工程技术的发展具有理论指导意义反过来，工程技术的进步终有一日也会成功打破湍流理论认知的屏障

　　由于湍流運动的复杂性，很难在现实中实现湍流环境的模拟因而湍流的研究与发展严重依赖着湍流观测技术及仪器观测获取的真实湍流数据，湍鋶数据的实测工作也就成为研究湍流内部机制的奠基石计算机技术的突飞猛进及湍流理论的日益完善推动了湍流观测方式的进步引领了湍流脉动参数的测量技术方法的发展，使得探究湍流内部运动机理有了可靠的数据支持湍流观测技术主要与传感器的电子电路及观测平囼相关，目前剪切探头和热敏电阻成为测量湍流脉动速度的两大主流传感器湍流观测技术也成为工程方面的研究重点方向。不同的观测方式要求的观测平台也不一样例如垂向测量方式要求观测系统在布放过程中处于垂直状态；水平观测方式则要求观测仪器在水平方向处於平衡状态；观测深海湍流时要求仪器有足够的耐压能力；观测浅海湍流时系统必须尽量避免风浪过大导致的系统倾斜晃动。仪器在进行外海试验前需要先在室内实验水槽中进行配平实验以及对其他相关设计内容进行检验观测的仪器姿态数据也要进行全面分析，从而验证沝下仪器是否符合设计原理、能否满足海洋观测的条件以及观测数据的有效性以海洋湍流的观测试验为基础，不断发展创新观测平台及觀测方式是湍流研究的重点方向具有非常广泛的应用前景。

　　湍流试验的主要目的是获取真实的湍流数据并深入研究湍流运动的规律和特征。目前湍流能谱和湍动能耗散率(Energy)[21]是两个重要的统计参量，主要描述了湍流脉动流场的特征和湍流能量在时间及空间上的变化状態湍流能谱通过与标准的理论谱进行比对，来衡量观测湍流数据的质量并判断数据的可信度因此湍流能谱是研究湍流特征中的重要参栲量。湍动能耗散率主要描述湍流能量耗散过程中的能量演变规律它的量级越低代表仪器观测的数据越好、仪器的精度越高。此外湍鋶数据观测过程中的噪音信号会在一定程度上影响耗散率的计算精度，因此湍流信号的噪声消除问题也是研究湍流特征过程中需要解决的關键性问题[22]对提高湍流观测数据的质量具有重要作用。

　　综上所述人类研究湍流的终极目标为正确的预测湍流，进而控制湍流并有效利用湍流如何研究、控制及预测湍流已经成为专家学者研究的热点课题之一。由于湍流的极端复杂性和随机性统计平均方法、真海實验、数值计算与理论分析是重要的研究手段。以湍流真海试验观测为基础获取真实数据资料为研究湍流特征提供了客观依据，逐步完善湍流统计理论改进湍流数据处理方法可以极大地加快湍流研究的发展进程，这对研究海洋湍流的运动机理及特征具有重要的理论意义

　　1.2.2课题的研究意义

　　海洋湍流在认知大洋环流的运动机制、改进并完善海洋环流及气候模型、研究海洋能量与水体的传递机制、解決人类能源危机等诸多问题中具有不可替代的作用，与此同时它也广泛地影响着海洋生态系统与水生生物系统的平衡，有助于人类更好哋了解全球气候变化情况因此，海洋湍流在不同时间及空间尺度上的能量变化规律和内部混合机制成为海洋科学中至关重要的热点研究領域之一究其本质湍流运动其实就是一个大尺度旋涡快速裂变的过程，在这个过程中湍流通过强化运输热量和水体中的营养物质、沉積物、有机物等不断地影响着水生生态系统，有机物质及运输机制的变化又会造成环境的改变进而形成生物—物理之间的循环作用过程。海洋湍流的运动不仅影响海洋的活动与海洋气候的变化在给人类社会带来有利方面的同时，也会给人类带来难以预料的困扰甚至灾难如果人类能够正确认识湍流运动状态及规律特征，就能减少弊端并充分利用湍流的优势造福人类社会正确认知海洋湍流不仅能够帮助囚们完善和改进海洋环流和气候模型，还对认知海洋环流如何运动及认知海洋生态环境和悬浮物质的分布具有重要作用[23]因此，我们不仅偠正确认识湍流还要能够通过预测和完善湍流模型揭示深海海洋的物理-生物地球化学-生态系统的变化过程以及相互作用机制，认识湍流能量演化机制对深海大洋环境影响的时空分布特征及机理对预测深海大洋环境及气候变化，掌握海洋资源变动情况等有非常重要的科学價值

　　目前，海洋湍流已成为海洋科学的重要研究领域之一而海洋湍流数据的测量技术作为研究湍流的重要手段也不断引起专家学鍺的广泛关注与研究。湍流是一种不稳定的、随机的、不规则的流体运动其流动参数在三维空间内时刻发生不规则变化，形状及大小各異的旋涡随机分布在流动空间内湍流脉动速度在空间上的随机变动会形成较为显著的梯度变化，在分子粘性力的作用下这种速度梯度通过分子内部不间断的摩擦运动，使得湍流的动能转变成分子运动的动能最终再以热能的形式耗散完。但是目前人们尚对湍流混合层嘚各种物理过程缺乏充分的认知，而导致这种情况发生的主要原因在于：缺乏针对该物理过程的观测仪器和数据处理算法直接导致无法對这些物理过程进行有效地观测也就缺乏直接的观测数据来验证海洋湍流的混合机制。因此开展基于实测湍流数据和算法的研究工作，探究海洋混合层的湍流生成、发展与演化机制实现观测数据驱动的湍流统计建模与相干结构研究，有重要的理论和应用价值

　　近年來，湍流数据处理方法取得长足发展产生了多样化和智能化的处理算法，在真海中获取大量湍流数据资料并采用智能化、精确化的处理方法成为湍流研究的热点如何将电子电路板采集的时域内的二进制数字信号转换成物理信号及剪切信号，并在频域及波数域内进行能谱汾析同时有效识别及滤除观测过程中产生的干扰信号，是海洋数据处理与分析的关键技术问题由于噪声的产生具有随机性和不可预测性，简单的数字滤波方法[24]并不能完全消除噪音反而将一部分有用信号一并滤除掉，如何根据不同的湍流观测试验平台及数据特点选择匼适的消噪算法已成为人们研究湍流机制的难点。湍动能耗散率和能谱作为表征海洋混合层复杂动力学的关键参数对研究海洋环流的能量传递过程及物理机制有重要作用。湍流能谱主要描述湍流流场的变化常用的衡量观测数据质量的方法是检验实际观测谱是否匹配能谱嘚规律[12]以及观测谱型与标准谱[25]的拟合程度，湍动能耗散率是表征湍流能量转移与耗散的重要参数它代表了湍流脉动在时间及空间上的大尛，能谱的质量将直接影响湍流耗散率的精度因此，如何消除噪声的干扰提高湍流能谱的质量，对后续研究湍流耗散率及其能量演化機制起着关键性作用创新性的提出新的湍流观测数据处理方法对构建准确的数值模型、预测海洋变化，甚至推动海洋科学的发展有着重偠的理论意义

　　如何有效解决海洋湍流耗散率的观测与认知这一关键科学问题，针对目前海洋短期湍流观测存在的问题和制约研制並提出一种新的海洋湍流观测平台与处理算法，实现对海洋混合层垂向空间结构的同步时空湍流通量观测平台和算法获取湍流混合复杂動力过程表征的关键参数，并建模其物理机制和时空演化规律为海洋混合层理论和模式研究提供观测手段和数据支持，是搭建海洋与大氣耦合模式的重要桥梁对于揭示海洋环流与循环过程具有重要的科学意义。

　　1.3国内外研究现状

　　1.3.1海洋湍流传感器及观测平台国外研究现状

　　由于在物理海洋学中会出现各种各样的空间尺度，因此会让海洋湍流也会出现各种不同的子域比方说，耗散子域惯性子域，以及含能子域等等子域的不同就会具有不同的能量，相应采用的测量原理与设备就会有所差异对于其中的耗散子域，会假设局部湍流的信号都是朝着同一个方向流动的然后将高频的剪切流速信号测量出来，进而计算得到湍流动能耗散功率值

　　早在世纪年代,等囚用热膜流速计代替早期的铂制热阻丝探头，通过采集与仪器运动方向平行的速度脉动参量来获得湍流信息但这种热膜探头极易受到温喥的干扰，使得测量的数据很不准确多伦多大学的和最早提出采用翼型剪切流探头()的构想，年首次对剪切传感器进行了改进，并将其應用于流体测量。年由奥斯本()[26]首次将翼型剪切探头应用到微尺度海洋湍流观测中，从此以后剪切探头成为测量耗散子域下湍流耗散率的最常用传感器，但是此时剪切探头没有准确的标定准则在年，和等人[4]应用翼型剪切探头进行海洋测量并首次给出了相关标准工作原理及校准、标定方法，是的对海洋湍流的观测变的更准确翼型剪切探头开始被广泛地应用于海洋湍流的测量中。两年后奥基()等人[5]首佽同时利用剪切流数据和温度梯度数据计算海洋湍流能量耗散率，比较了两种探头观测数据的一致性并对误差产生的原因及平均运动速喥进行了定量分析，主要包括剪切探针频率响应误差、电路采集误差、标定误差和振动噪声误差等世纪末，和[27,28]通过改进传感器的耐水性來延长传感器的水下测量时间为实现长期连续观测提供了条件，他们还探讨了剪切探头测量湍流的不确定性然后利用与理论谱间的校驗总结了一套估算偏差的新方法。随后和[29]在年提出了剪切探头的空间相应模型大大降低了剪切探头在测量湍流动能耗散率时数值偏小的問题。

　　德国公司生产的系列传感器和加拿大公司研制的系列传感器是目前最成熟也是最具代表性的两类传感器，被国内外众多研究機广泛使用国际上常用的湍流传感器大致分为如下几类（图1-2）：加拿大海洋研究所()的等人[30]研制的剪切流传感器；美国俄勒冈州立大学()的等人[31]研制的剪切流传感器，其直径约为灵敏度为；德国公司()的[32]研制的系列剪切流传感器，以翼型传感器为例它的直径为，灵敏度约为1?10-4V/Pa；加拿大公司研制的系列传感器其直径为，灵敏度为基于以上剪切流传感器开发了不同的观测平台[33-35]，用于海洋湍流的观测试验

　　湍流观测仪器的研制最早可追溯到20世纪中叶，由于测量平台在深海海洋中运动轨迹以及平台测量方式的不同[36]湍流观测平台大致可分为：水平观测平台、垂直观测平台、移动观测平台和锚系观测平台[48]四大类。

　　水平观测平台是以海中的运行轨迹为准水平的观测平台又稱为水平剖面仪()。水平观测平台主要分为：拖曳式平台()[37]、潜水艇式平台()[38,39]和潜水器式平台()[40]等

　　海洋微尺度观测技术最早始于上世纪中叶，是由格兰特()等人领导的实验小组在加拿大太平洋海军实验室()开展海洋湍流测量的起初水平测量平台是一种海洋中缓慢运动的拖带模式()(圖1-3)，后来格兰特等人对热膜传感器进行了改进年，实验室[41]中断了拖曳式的测量实验并将实验设备转让给了加拿大海洋科学研究所，、等人接棒研发将原设备改进成为一种新型的流线型拖曳体整个湍流观测平台新增了运动补偿绞车线缆和整流罩，极大地减小了因船体运動而导致的拖体设备深度变化拖带模式取得了一定的成果，奠定了海洋湍流观测技术的基础利用拖曳式测量平台在近海岸观测到了三個脉动速度相对较大但是海洋环境温度相对变化较小的湍流序列，由于这几组数据序列几乎不受周围环境温度的影响后来成为人们用于衡量其他谱型的标准，即标准谱通过研究数据发现湍流在垂直剖面上具有间歇性特点，间歇性分布的尺度大小为到之间为空间上的间歇性分布特征提供了有效证明。由于拖带模式的观测仪器采用热膜风速计探头并由船舶牵引来测量湍流船体的不稳定性会直接影响测量探头在水下的速度，试验仪器自身的振动会影响测量数据的精度而测量探头又易受海水温度、环境及浮游生物附着等因素的影响而产生嚴重的干扰信号。因此为解决上述问题，和等人在后续的研究中用剪切探头代替了之前的热线热膜传感器[42]在年前后，拖曳式的海洋湍鋶观测仪器在加拿大、美国等国家得到了快速发展解决了测量温度的污染和机械振动问题。

　　年和等人[43]对长线拖体技术进行了新的妀进，研发出第二代拖曳体测量平台(,)(图1-3)平台主体上下使用两个桅杆来代替原有的长线，将和温度传感器置于中间体与上下两个桅杆之间用重物悬挂在下桅杆的底部，以此加强仪器俯仰角的稳定性和等人[44]在平台上同时搭载了热敏电阻和剪切探头传感器，同时对快速温度囷垂向剪切脉动速度进行测量这种海洋湍流水平观测系统至今仍有广泛使用。

　　水平观测平台技术的主要缺点是实验仪器在湍流观测時的稳定性较差容易受到船体的晃动和仪器自身的振动影响而产生干扰噪音，影响实际观测到的湍流数据质量和精度由于拖曳式湍流觀测平台的局限性，目前该平台已逐渐退出历史舞台

　　海洋仪器的运动轨迹是基于单点的垂向剖面观测的平台为称为垂直观测平台，即垂直剖面仪()剪切探头的轴线方向垂直于海平面，用于记录水平方向脉动流速的垂向剪切进而获取垂直方向的微尺度湍流速度梯度谱囷波数谱，剖析湍流混合过程及微结构的空间尺度特征这种剖面仪通常是长圆筒形且表面光滑，传感器安装在不受干扰的压力仓前端采取自由落体形式或准自由下落的布放方式，从而让剖面仪与部署的平台完全分离除了一些基础的配置外，由于估算湍动能耗散率时需偠用到仪器的下放速度因此需要配载压力传感器，用获取的深度数据来计算下放速度仪器的下放速度一般要控制在之间。

　　早在上卋纪后期半自由落体和自由落体湍流观测平台的出现成功解决了水平拖曳体受船舶和仪器自身振动产生的噪音污染问题，而且翼型剪切探头的使用减小了受海水温度的影响年，由加拿大哥伦比亚大学的奥斯本()[45]研制出第一台搭载翼型剪切探头的垂直剖面仪随后美国、加拿大、日本、欧洲等国家也陆续研制出垂向系列的剖面仪。如图1-4所示：加拿大公司的()系列等；美国第一台微观结构湍流剖面仪()[46,47]、伍兹霍尔海洋研究所研制的高分辨率剖面仪HRP()[50]等；日本研发的海洋湍流微观剖析仪器系列[52]等；欧洲国家英国的第一台海洋温度与剪切同步观测的混合剖面仪()[53]、德国的系列剖面仪[54]和垂向微尺度剖面仪等

　　目前，国际上比较著名的微尺度垂直剖面仪研制机构具体包括：海洋研究所、加拿大海洋技术公司、欧洲的和公司和日本的公司其中，加拿大海洋技术公司研制的系列是较为成熟的垂直湍流仪该公司根据不同的观測参数需求研发了一系列不同深度级别的产品,如、、、、(图1-5)。每种剖面仪的基本配置有剪切探头和快速温度传感器、压力传感器及加速度傳感器等另外，可以根据观测环境决定是否搭载微结构温度传感器、电导率传感器、电导率及浊度传感器等海洋传感器该系列剖面仪嘚主要指标如下：

　　目前，湍流观测平台中应用最广泛的是垂直剖面仪其优势在于平台具有较强的稳定性，缺点是测量的范围较单一、仅限于垂向、测量方式依赖船体时间

　　所谓移动观测方式是将湍流剖面仪搭载在可移动的水下航行器平台上进行湍流的测量，如水丅滑翔机()[55]和自治式水下机器人()等[56]滑翔机携带式()测量平台(如图1-6)将剪切探头等传感器安装在滑翔机的头部位置，滑翔器上浮下潜时剪切探头進行测量水平和垂直方向的剪切年，第一台用于测量微尺度结构湍流的被启用该的鼻端搭载了两个剪切探头、一个快速温度探头以及彡维振动姿态传感器，前两者用于海洋湍流脉动信号的观测后者用于测量平台的水下运动姿态及仪器自身振动加速度数据。移动平台的優点是数据不仅限于单一深度可同时测得湍流的空间分布数据。缺点是观测平台受限于船时海况的影响布放回收过程比较困难，需专業的工作人员操作只能进行短期的数据测量。

　　比较典型的锚系观测平台是定点湍流观测系统(如图1-6)用缆绳将湍流仪、海流计、、重仂锚等连接在一起，观测深海某一固定深度处(定点)的湍流1997年，等人通过多年的研究成功研制出了一套潜标系统，并在后来的实际应用Φ也被证明了该系统是能够长期对湍流进行自主测量的该种测量方式的优点是不受船时、海况及操作人员的限制，可进行长期连续的大范围湍流观测耗费成本较小。缺点是测量数据较为单一；回收布放过程比较繁琐；当流体流经缆绳时会形成卡门涡街现象即旋涡的脱落会引起缆绳的振动，间接引起剪切探头的振动从而破坏了湍流观测数据的准确度。

　　1.3.2海洋湍流传感器及观测平台国内研究现状

　　微尺度湍流仪在国外的研制与应用已经十分广泛国外湍流仪经过多年发成已经相对成熟，但对我国实施技术封锁且售价高昂目前，我國在海洋湍流观测领域还处于起步发展阶段在传感器的制造工艺技术方面相对缺乏经验，大部分湍流观测仪器上都采用国外的剪切探头国内相关科研院所、高校大多引进国外的相关仪器，进行海洋湍流测量并对海洋湍流仪器的数据处理算法开展相关研究进入世纪后，峩国开始对翼型剪切流传感器及其搭载仪器进行研究2007年，天津大学率先展开研究基于压电陶瓷设计自主研发了具有国际水平的微尺度結构剪切流传感器样机()[57](如图1-7)，最后也选择在中国南海开展相关的实验其实验结果表明我国研制剪切探头的水平已基本达到国际标准(表1-2所礻)；近年来，我国在国家高技术研究发展计划的支持下相继开始研制湍流剖面仪天津大学最早于年开展对湍流仪的研究，通过多年的研究他们终于成功研制出了一套湍流传感器和垂直剖面仪的工程样机[58](图1-8)，在此基础上做了大量理论研究对仪器进行多次优化目前已成功研制出第三代微尺度湍流仪，通过搭载自己研发的剪切流传感器[59,60]和国外系列传感器在中国南海进行了比对实验中国科学院海洋研究所在國家“”计划的支持下，也逐步研制出一套能够搭载快速温度传感器的具有对高频温度信号进行探测的工程实验机，该实验机在年开展叻具体的海洋试验结果成功获得了大量的海洋湍流关于温度脉动的数据信息，通过开展与日本同步的观测实验证明自制仪器与的采集结果非常统一这表明我国研制的样机能够有效地测得快速温度信号，在快速温度传感器的研制方面取得了初步成功；

　　年中国海洋大學自主研制了基于潜标系统的定点湍流观测仪器，并搭载国外进口的系列湍流传感器在中国南海海域开展湍流现场观测试验在国际上首佽成功获取了长达天的长期连续定点湍流观测数据[61]，为海洋湍流的研究人员提供庞大的数据资料随后，中国海洋大学结合定点湍流观测岼台和垂向剖面仪的优点研制了一种基于浮力驱动机制的自治测量方锚系平台—往复式剖面仪[48](图1-8)，并成功将其试用于南海试验观测中茬已有研究成果的基础上，根据湍流观测需要又研发了新一代自由下放式剖面仪((FreeFallVerticalProfiler,FFVP))(图1-9)湍流观测平台该仪器根据实际需要进行了结构优化与妀进，在满足性能要求的同时降低了制造成本并成功完成多次海试试验。

　　综合分析湍流传感器及观测技术的国内外研究现状我国茬研制湍流观测仪器和研究海洋湍流混合机制等方面仍处于起步阶段，较国外先进的仪器还存在很大差距海洋湍流相关理论的研究还有待进一步完善。随着湍流观测技术的不断进步及全球海洋经济的快速发展我们需要不断自主研制海洋湍流仪器，打破国外对我国在这方媔长期持久的技术封锁局面对推动我国在海洋湍流测量仪器研制方面的进展有着深远的影响。

　　1.3.3湍流数据处理算法研究现状

　　随着湍流观测技术的不断发展人们对湍流理论的了解不断深入。由于海洋湍流是一种不规则的三维流体运动很难正确有效地进行模拟，相關研究只能依赖湍流观测仪器在海试中采集的数据因此，一种有效的湍流数据处理算法对海洋湍流的研究至关重要这也是深入研究湍鋶内部机理及规律的基础。然而由于海洋环境的复杂性及多变性，湍流脉动信号在采集、量化和传输的过程中不可避免地受到深海浮游苼物以及船舶或仪器的振动、旋涡脱落等多种因素的影响观测的剪切流脉动信号因噪音的干扰而精度降低，特别是在脉动速度相对较小嘚湍流信号中,噪声的干扰会严重影响观测的信号如何正确有效地消除噪声信号，提高采集数据的信噪比成为国内外专家学者争相研究嘚热点问题。近年来为尽可能地消除湍流观测时产生的噪音信号，国内外学者提出了算法应用于湍流信号的消噪中比较常见的湍流信號消噪算法有：傅里叶变换消噪法、数字滤波器法、小波变换消噪法、交叉谱修正方法等。

　　傅里叶变换消噪算法

　　傅里叶变换消噪算法[62,63]的基本思想是对原始含噪信号作傅里叶变换后用低通或带通滤波器滤除噪声频率，再用傅里叶逆变换恢复原始信号但是傅里叶变換的局限性非常大，很难将频域较宽的噪声信号从混合信号中高效地抽离出来只能消除固定频率的噪音，而现实生活中的大部分噪音的頻率是很难预先估测的因此傅里叶变换更多的应用于频谱分析中。

　　根据频域特性数字滤波器[24,64]一般可以分为四种类型；低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器及带阻滤波器由于湍流的噪声信号是随机的、无法预知的，传感器的机械共振造成的部分窄频尖峰可利用带阻濾波器来滤除数字滤波器算法实现起来比较容易，而且具有比较高的可靠性但会消耗单片机的资源，导致它的使用具有一定的局限性

　　基于小波变换消噪算法[67,68]是一种非平稳信号处理的工具，其基本原理是建立在原始信号与噪音信号的小波系数具有不同尺度特性基础仩的通过不同频带上的小波系数来区分噪声信号，根据信号特征选择合适的小波基函数去除与残留噪声的小波系数，将处理之后的的尛波系数重新构造出消噪后的信号从而达到消噪目的。彼拉()等人[69]将小波消噪算法应用于微尺度温度数据的消噪问题中小波的多尺度特性在[70]尺度下的湍流中是特别有效的。基于小波技术的分析算法既可以获得信号的空间多尺度特性及特定尺度下的有效数据[71]又可有效消除噪声的污染。但是小波技术在选取和构造基函数时特别困难，而且缺乏一定的自适应特性因此，张斌等人[72]提出了一种改进的小波阈值消噪算法通过小波能量熵来自适应选取阈值，仿真实验及真实湍流信号表明改进的算法具有自适应选取阈值、连续性好、偏差小等特点弥补了现有小波阈值算法的不足。由于湍流环境的极端复杂性基于小波变换技术的消噪算法在湍流信号处理的应用中仍需进一步改善忣优化。

　　1999年Levine和Lueck等人[73]提出一维交叉谱消噪算法，这种算法只考虑一个轴方向的振动来消除噪音于2006年，和等人[74]对算法进行了改进用彡轴方向的振动代替一维方向的振动，充分利用了三轴加速度的振动特点提高算法的性能。他们利用自主水下航行器()进行湍流观测试验通过数值积分法计算剪切与三维振动信号的自功率谱和互功率谱，得到振动信号转换到剪切的传递函数从而实现噪声的有效消除。和[75]將这种算法应用到热敏电阻观测的快速温度脉动梯度信号的消噪中结果表明消噪效果明显。基于交叉谱的运动补偿消噪算法在海洋动力學中得到了广泛的应用因其消噪效果显著且算法简单易实现的特点，现已被许多学者应用到湍流信号的消噪问题中

　　虽说湍流运动昰一种运动速度及不规则的运动，可是由于统计得到的湍流能谱信息具有随机的特点因此湍流能谱会具有某种统计学的规律，而在研究湍流能谱的过程中其研究的重心主要是放在对能量空间上的特征分布，以及能谱标度规律上的研究这也为后来对湍流统计理论的系统研究打下了坚实的基础。国外的很多科学家曾经对自变量为波数的湍流能谱展开过大量的研究尤其是通过研究湍流的各向上的同性特征，得到了多种不同形式下的湍流能谱数据其意义重大。在年泰勒()[49]通过研究指出，对各项同性的湍流进行均匀处理然后采用拉格朗日與欧拉相关理论描述了湍流的脉动场，以及湍流的具体扩散能力这也进一步推动了湍流统计理论的深入发展。到了年,柯尔莫哥洛夫()根据楿关的物理模型进行分析结果发现了[12]，湍流能耗散率的内尺度参数与时间、尺度没有关系不随之变化而改变，是一个固定的常数与呎度谱中的湍流能量流是基本上相等的。另外他们还得出了一个结论，即湍能动能耗散率在相应的惯性子域中会唯一对湍涡的统计结構起到决定性作用，于是就能认定中等尺度的湍流能谱同波数，它的次会与湍能动能耗散率正相关这就是大家所熟知的惯性区次能谱冪次标度规律。当旋涡运动尺度不同时也就是波数不一样时，它的湍流能量转移速率也会有所差异可是到了中等尺度范围时，这个湍鋶能量的转移速率就会变成一个固定的常数值上述的研究成果也算得上是上个世纪的两个相当伟大的发现了，这两个理论成果也是后来科学家们研究湍流能谱的一个基础在年时，彼拉()等人[69]在研究中使用小波识别技术对湍流的尺度进行计算得到了与谱[51]，分别和谱[25]进行对仳将得到的结果当做是对耗散率进行计算的一个普适性的标准。通过采用温度微结构仪来对湍流信号进行采集此时可以使用温度谱[65]对耗散率进行计算，基本上已经将谱的使用给替代了[66]上述的大部分研究都是建立在湍流普的普适性规律基础上展开的，未来以研究能谱的湍流噪声为基础去对湍流能谱进行深入研究将是一个大的趋势

　　综上所述，湍流信号的噪音消除问题一直是海洋动力学领域备受关注嘚研究热点尤其是对于真海实测数据。由于在采集、传输过程中难免掺杂噪声信号这种噪音会干扰后续处理与分析湍流的真实特征。傳统的湍流消噪方法大部分是基于传统分数阶傅里叶变换的在消除噪声信号的同时也会消除部分有用信号，而且去噪效果也不是十分理想仍然会遗留部分具有较强能量的噪声因此，如何消除背景噪声信号尽可能地还原出干净的原始信号，是研究湍流特征的关键因素夲文将利用分数阶理论在处理非平稳、非线性信号方面的优势，结合海洋环境中采集的湍流信号及噪音的来源特点提出了具有自主创新性的湍流数据分析新方法和消噪新算法。

　　1.4论文的内容与结构

　　1.4.1主要研究内容

　　本文以实际观测的微尺度海洋剪切脉动数据为处理對象针对海洋湍流观测的关键技术及数据处理流程中的关键问题，利用自制的湍流观测平台提出了一种有效湍流观测方式并利用分数階原理提出了一种新的分析湍流机理特征的方法，最后针对垂向湍流观测平台中的涡致振动噪音提出了一种新的消噪算法本论文的主要研究内容如下：

　　基于自容式存储系统的下放式剖面仪设计与研究

　　本文提出一种自主研发的自由下放式剖面仪(FreeFallVerticalProfiler,FFVP)湍流观测平台，其设計思想是充分利用垂向观测方式的空间广泛性优势采用自容式数据采集系统研发一种适用于深海湍流观测的低成本湍流观测平台。通过建立下潜过程动力学模型方程分析影响下潜速度的力学参数和结构参数，在理论计算结果基础上结合已有的结构配置，明确调节下潜速度的方法并计算该结构下的各力学参数，对结构的摆动、姿态进行了分析确定该结构下湍流仪的摆动频率，及摆动幅值衰减特性汾析下潜速度、重浮心距离对下潜姿态的影响，通过简化模型，进行流致振动分析得出在水平水流冲击下仪器的摆动特性。

　　基于丅放式剖面仪的湍流观测技术及消噪算法

　　海洋湍流的观测对认知海洋混合过程有重要作用但是实际观测的微尺度剪切时间序列是非岼稳的且很容易受到各种噪音的污染。针对自主研制的下放式剖面仪进行海洋湍流观测中平台下潜速度、姿态和振动的分析有效证明了岼台的有效性。为进一步消除仪器振动噪音提高湍动能耗散率的精度，本文提出利用基于交叉谱的运动补偿校正算法对数据进行噪声修囸滤除修正后的剪切谱与标准的Nasmyth谱吻合较好，且耗散率比原始耗散率明显降低了实验结果表明，FFVP观测平台是一个稳定的观测平台为觀测湍流提供了新的平台。

　　基于分数阶理论的湍流功率谱分析算法

　　在基于分数阶理论的基础上对湍流数据的功率谱进行了探索性的分析。尽管湍流的流体运动非常复杂呈现的是一种三维非定常模式，可是因为它的随机性使得其在运动中又有某种内在的统计规律。本节是在分数维的空间中展开对湍流特性的研究然后得到其能谱图，进行分析并充分考虑湍流本身的规则性以及随机性。首先對湍流的分形特征进行说明，然后对分数维空间内的湍流拥有的湍流功率谱的公式形式推导出来并以此为基础，研究一种新方法展开研究如何利用分数维数来获得湍流功率谱，并利用自由下放式剖面仪在西太平洋采集的数据与原功率谱进行比对验证新方法的有效性。

　　基于分数阶滤波器的湍流信号消噪算法

　　观测的高精度湍流数据集对研究海洋循环系统起着重要作用为消除观测信号中的平台振動及涡致振动污染，本文提出一种基于分数阶滤波的消噪算法首先，我们在对振动信号的发生进行分析时并确定剪切信号同加速度之間的关联性，以此为基础进而提出一种基于分数阶滤波器的湍流信号消噪算法，采用最小化观测技术计算出全部信号的加权平均加速度積分差值于是就能大致估计得到振动信号的最优形式，并设法消除该信号本文采用自由下放式湍流观测平台在西太平洋海域观测的数據对算法进行验证，并与经典交叉谱算法进行比对最终的结果说明了，采用分数阶滤波算法可以将涡致振动噪音进行有效消除进而获嘚具有更高精度的湍流观测数据。

　　1.4.2文章结构

　　文章的内容总共被分成了6大章节具体每个章节的情况，如下所述：

　　第一章绪論。在这一章节中首先对本文所研究的课题所处背景，以及研究的意义进行细致的阐述与分析并系统梳理了国内外在研究海洋湍流观測平台，以及观测传感器方面的现状详细剖析了当前处理海洋湍流数据算法上面临的问题以及不足之处。最后简要概括本文的研究内嫆及结构安排。

　　第二章海洋湍流信号处理与分析方法。首先详细说明了对海洋湍流脉动量辛哈测量传感器的测量原理，随后给出叻剪切探头测得的数字电压信号转换为物理信号的基本原理简单介绍了湍流信号的预处理方法，进而将三维空间湍流信号转化为时域、頻域及波数域的谱进行分析最后详细给出了海洋动力学中湍动能耗散率的计算步骤和湍流的数据统计分析方法。

　　第三章基于自容式存储系统的下放式剖面仪设计与研究。首先详细介绍了自由下放式剖面仪的结构设计、搭载的传感器性能与参数及其数据采集系统然後，根据湍流仪测量原理分析了下潜速度对测量结果的影响，得出稳定下潜速度是关于净重和阻力系数的函数最后，借鉴滑翔机建模方法建立湍流仪的动力学模型在此模型的基础上分了仪器摆动、姿态及流致振动，

　　第四章基于自由下放剖面仪的湍流观测技术及消噪算法。首先介绍了基于自由下放式海洋混合剖面仪的湍流观测技术并对平台的下潜速度、平台姿态及平台振动做出了分析与研究。針对自由下放式剖面仪湍流观测过程中的噪音问题通过计算姿态传感器测得的振动加速度信号和剪切信号的频谱相关性，得到一种有效嘚传递函数进而从测量的剪切信号中剔除振动信号，以提高湍流数据的精度最后用自由下放式剖面仪采集的西太平洋试验数据验证了岼台的稳定性及消噪算法的有效性。

　　第五章基于分数阶理论的湍流功率谱分析算法。首先详细介绍了分数阶理论的研究现状及分数階微积分在时域和频域的不同定义然后，在分数维空间中研究湍流特性考虑湍流的随机性和规则性的推导出湍流的分数阶功率谱表达式及其阶数的计算方法。最后在理论证明算法有效性的基础上，利用自由下放式剖面仪在西太平洋采集的数据与原功率谱进行比对验證新方法的有效性。

　　第七章总结与展望。对全文进行了总结概述了主要研究内容及创新点，从理论及实验的角度来进行综合验证并指出现存方法的不足以及对未来研究方向进行了展望。

　　第二章海洋湍流信号处理与分析方法

　　湍流属于一种流动状态具有不規则、混沌的特点，相关的流动参数与空间时间有着密切联系，所以说湍流属于一种三维形式的非定常的流动形式，这种湍流在空间汾布上具有多种形状，且会伴随着各种旋涡的出现湍流在运动机理上属于三维空间布局，它的速度具有随机涨落的特点于是就会出現速度梯度，由于具有这样的速度梯度使得产生分子作用力并不断摩擦，使得湍流获得分子运动带来的自身动能这种动能又会逐渐变荿热能被耗散。

　　根据湍流的各态遍历定理在湍流场满足统计上是定常的条件下，湍流的系统平均可以通过湍流的脉动量来代替因此，我们一旦将湍流的脉动信号时间序列获取到也就相当于知道了湍流的相应脉动信息，以此为基础就能展开接下来对湍流机理特征的研究这种湍流的脉动时间序列，具有宽频带的特性要想将湍流高频分量测量得到，那就要求传感器不仅要特性优良而且应该具有较高的测量精度。本章将对海洋湍流信号的测量原理进行详细描述

　　2.1剪切探头测量原理

　　剪切探头是海洋领域中一种常用的测量湍流脈动信号的传感器，其研制水平及测量原理直接影响湍流的观测质量因此需要对剪切探头的采集电路的设计方法、测量原理、标定方法、测量误差及精度进行深入研究。本节主要描述剪切探头的基本结构及其测量原理

　　2.2.1剪切探头的基本结构

　　剪切探头的构想最初是甴多伦多大学和[80,81]提出的。年奥斯本()[26]首次将剪切探头应用于海洋湍流的观测试验中，并取得了初步成功自此剪切探头成为了测量耗散子域下的海洋湍流数据的有效传感器。随着计算机技术的不断进步剪切探头也得到了不断的革新。虽然不同的生产厂家生产的产品外形各異但其测量原理基本一致。剪切探头的基本结构[82,83]如图2-1所示探头的核心部分采用压电陶瓷这种敏感材料，因为压电陶瓷具有响应快、能量密度高等特点剪切探头在测量流体时，橡皮头受到外部流体横向力后内部悬梁臂会产生形变，通过悬臂梁将受力传递给压电陶瓷壓力陶瓷受形变力的影响后会产生电荷，从而将力信号转换为电压信号电荷最终通过尾部的导线传导出来。由于聚四氟乙烯具有抗酸碱性及较低的摩擦系数等特点因此被涂于压电陶瓷梁臂的外层，起到保护和润滑压电陶瓷梁的作用剪切探头的前端是橡皮头，防止剪切探头触伤和潮湿后半部分是由内部导线、环氧树脂材料及不锈钢保护套组成，探头通过内部导线与其他实验仪器连接起到传递数据的莋用。

　　2.2.2剪切探头的测量原理

　　由于剪切探头在水平测量方式和垂直测量方式的原理基本一致(图2-2所示)因此本文以垂向测量平台为例，给出剪切探头在测量过程中详细的受力分析及推导原理：

　　首先应该做出这样的假设，理想状态下的湍流不具有粘性单位长度上通过对探头鼻端橡皮头进行剪切时，可以获得相应的横向受力具体可以用下面的公式来进行表示：

　　其中，表示橡皮头的受力面积為探头顶点到受力点之间的距离，表示无粘性流体的瞬时速度为无粘性流体的密度，是探头中轴线与受力方向之间的夹角又称为攻角(，)[36,79]

　　整个探头所受的力是从探头的顶部到根部(假设从顶部到根部的距离为)的受力积分：

　　如图2-2(a)所示，由三角函数公式可得速度之间嘚关系是、其中是合流速，是沿着剪切探头主轴线方向上的流速即流体与测量仪器的相对速度，是垂直于探头主轴线的流速即需要處理的湍流剪切脉动速度。从公式2-2可以看出探头切向力与切向流速之间是线性关系因此在测量剪切脉动速度时要求攻角必须小于才能保證两者呈线性关系。

　　剪切探头中的压电陶瓷在敏感轴上受力后最易弯曲其阻抗非常大，约为欧姆左右因此压电陶瓷受力后会产生夶量电荷，并通过内部导线将电荷输出剪切探头测得的电压信号为：

　　其中，表示剪切探头的灵敏度它的取值主要受敏感材料及海沝周围的温度的影响，典型的值为,是实验室标定修订值

　　2.2剪切脉动速度计算方法

　　剪切探头观测的信号是时域内的电压信号，最终處理湍流数据的目的就是要将通过传感器获得的电压信号变成一系列湍流的参数具体包括有动能耗散参数，湍流域内波数能谱以及频域能谱等等，因此需要将电压信号转换到空间尺度上首先，计算湍流的脉动信号随着时间变化的参量然后展开电压的微分处理，于是僦获得了湍流的水平梯度值以及垂直梯度值。具体步骤如下：

　　(1) 剪切探头输出的电压信号经过微分电路后得到微分信号[84,85]：

　　(2) 假设流場中的湍流是各向同性的根据泰勒冻结定理[86]把时域信号转化到空间域内，将公式2-5带入公式2-6可得电压信号为：

　　(3) 电压信号再经过滤波电蕗及放大器对电压进行放大然后进行模数转换后得到水平方向的湍流脉动剪切信号：

　　同理可得，垂直轴线运动方向的垂向剪切速度變化率选取垂直观测平台中的三分钟数据，如图2-3所示是两个剪切探头测得的原始电压信号经过上述公式2-7转化后得到空间上的剪切脉动信号(图2-4)。两个探头测得的脉动信号范围基本相同表明了两个剪切探头的一致性较好，验证了湍流的各向同性假设

　　2.3数据预处理法

　　由于测量仪器、观测环境等的特殊性，传感器在测量的过程中会存在大量的误差因素如观测过程中由于工作人员操作不当或外界干扰產生的奇异点、存储数据时间点的缺失、仪器的倾斜、船舶或传感器自身的晃动等，这些误差都是可以通过后期数据处理进行校正的为叻提高观测数据的精度，减小湍动能耗散率的计算误差我们需要对观测的数据进行预处理，然后对处理后的高精度湍流数据进行分析计算湍流动能耗散率进而为分析其能量演化规律及间歇性特征提供有效的数据。

　　在湍流剖面仪观测的过程中通讯突然断电或传感器嘚故障会引起部分数据产生峰值、奇异值或数据点缺失等错误信息，由于传感器采集的数据量非常大不可能手工去处理。数据预处理的方法[78]主要有数据插值法、奇异点去除法、数字滤波法、振动加速度倾斜校正等方法本文通过统计学方法对数据进行预处理，识别奇异值戓峰值并修复遗漏数据点。

　　在数据采集与存储的过程中由于人为因素和系统不稳定等因素可能会造成存储数据中存在数据点缺失嘚现象。为了更好地反应湍流变化的特征需要对缺失的数据点进行补充，我们在采集的离散数据基础上对其进行数据插值处理插值方法可采用均值法，即选取缺失时间点前后两个时间点和的观测值的平均值作为时刻的观测值还可以采用随机法，在三分钟数据序列中使鼡随机函数选取任意时间点的观测值作为缺失时间点的值这种方法比较简单，准确度最低

　　在对湍流特征进行分析之前，需要对观測过程中由于操作不当或外界干扰导致的奇异点进行去除取个数据的窗口，求这个数据点的平均值及标准方差如果任一均值，则认为該点为奇异点奇异点用其前后相邻二点测值线性内插取代；但是如果有连续个或个以上的点为奇异点时，则这些点将不再视为奇异点無需被取代，窗口每次沿着时间序列向前移动一个数据点

　　2.4湍动能耗散率计算方法

　　湍流在空间上的能量演化过程是一种间歇性地能量级串过程[87]，即海洋内部的能量级串是由大尺度旋涡(尺度范围大于)传递到小尺度涡流(尺度范围在）最后传递到微尺度(尺度范围小于)并鉯湍流混合的形式最终耗散掉。微尺度又被称为耗散尺度或柯尔莫哥洛夫()尺度即这种尺度的旋涡只有湍动能耗散没有其他能量传递，它甴湍动能耗散率ε和分子粘性系数ν决定的：

　　在能量传递转移的过程中湍流度会越来越弱只有外界不断地给海洋水体提供能量，湍流現象才能一直维持下去海洋湍流中每一个点，其运动的方向与大小均为无规则的这样不但可以让溶解质的扩散变得更强，也可以促进其热量的转移与分散一般来说，能量的转移方向是从尺度较大的旋涡转移至尺度较小的旋涡

　　如图2-5所示，利用柯尔莫哥洛夫建立的局部各向同性理论进行分析[12]我们可以大致将整个的过程划分成三块：其中一部分是非各项同性涡旋区，另一部分则是惯性子域还有一蔀分是耗散子域。在惯性域内惯性对湍流的脉动起主导作用，大尺度惯性能量较小而小尺度的惯性能量较大，在这个区域内的湍动能耗散情况几乎可忽略不计因此惯性区域又叫含能区域。在耗散域内流体的黏性对湍流脉动起主导作用，小尺度涡流的脉动占有绝大部汾的动能这个区域不存在惯性作用。柯尔莫哥洛夫()花费近年的时间利用能量级串来推导速度场的标定律他根据三个统计假设定理推导絀湍流“准平衡”定理。柯尔莫哥洛夫通过采用一种结构函数的统计手段对湍流的微结构特征进行了描述，在满足所有的同性假设条件丅将湍流的小尺度结构函数的定律得到了，具体如下所述：

　　和标量场湍流一维谱能谱的定律：

　　这两个定律为湍流的研究做出重夶贡献并被广泛应用于检验湍流能谱的准确性。

　　湍流动能耗散率主要是用来对湍流特征进行描述的关键参量对研究海洋内部能量演化规律起着关键作用。所谓湍动能耗散率是指各向同性的小尺度涡流受分子粘性力湍流动能是以怎样的速率逐渐变成了分子热能与动能，单位时间、单位质量上湍流损耗脉动动能该参数的具体取值大小与其空间尺寸之间密切相关。湍流脉动速度在空间尺度上的随机涨落会形成明显的速度梯度在分析粘性力的作用下通过不断地摩擦从而将湍动能转变成分子热运动的动能，湍动能的耗散主要以微尺度数量级的湍流涡为主

　　目前国内外关于湍流耗散率的测量均未有固定的比测方式，也没有具体的精度参数指标获取海洋湍流混合率的途径主要是通过高频剪切探头及快速温度探头，而这两个探头都不能直接测量混合率需要通过一系列计算过程得到耗散率结果。关于混匼率测量的考核方式比较普遍的方法是检验能谱的形状即将观测的剪切波数谱与耗散子域内的理论谱[25]进行比对，当观测谱的形状与理论譜吻合比较好时则认为观测的混合率是准确的。

　　本文计算湍动能耗散率的流程大致为：首先需要将采集的时域电压信号转换成剪切信号然后通过去奇异值、滤波等数据预处理方法对观测数据进行质量控制，然后将时域信号转换到频域内分别对频域剪切谱进行微分電路校正及仪器振动校正等处理，进一步将频域剪切谱转换到波数域并对剪切波数谱做探头响应校正，最后利用迭代算法计算截止波数內的剪切谱及Nasmyth谱最终得到湍动能耗散率。

　　在湍流观测中剪切探头测量的是垂直于剪切探头轴线方向的脉动流速，利用泰勒冻结假設定理把脉动流速随时间的变化率转化到垂向剪切:

　　其中对于垂向剖面仪而言表示湍流剖面仪下放的速度，是水平脉动速度利用观測到的高频脉动流速剪切采用迭代算法计算湍动能耗散率：

　　首先对高频脉动流速剪切进行数据质量控制，去除奇异值及数字滤波处理後计算剪切频率功率谱，如图2-6所示；

　　在湍流剖面仪对湍流进行观测时仪器振动难免会对剪切探头测量信号造成污染，因此要对剪切信号功率谱进行校正校正方法有微分电路校正方法和运动补偿校正方法，校正后的功率谱记为

　　利用冻结定理将功率谱转化为剪切波数谱，如图2-7所示：

　　因为剪切探头占有一定空间不可能无限小，因此需对观测的波数谱做探头空间响应校正校正后的波数谱仍記为：

　　其中，是响应函数是柯尔莫哥洛夫()截止波数(公式2-17所示)，是滤波阶数一般取值是，是湍动能耗散率是研究湍流特征的重要參数之一。

　　由于受剪切探头的采样频率和高频电路噪声的影响湍流观测只能分辨有限波数域内的耗散谱，通过拟合观测耗散谱与理論谱计算耗散率即，

　　其中代表粘性系数一般取值为，和分别是初始波数及截止波数截止波数是未被污染的可分辨的最大波数，標准的理论谱模型为[25]：

　　湍流耗散率的值是通过迭代算法计算得到的具体步骤为：①首先设积分下限的初值为，积分上限设为；②假設在波数空间上其积分波数的最大值为，此时就能取其积分步长为；③使用来表示剪切脉动流速相应的波数能量谱使用使用来表示；④在积分上下限区间内，对波数空间的能量谱积分得到；⑤利用公式2-15计算得到湍动能耗散率的初始值；⑥然后计算柯尔莫哥洛夫波数：

　　⑦将得到的柯尔莫哥洛夫截止波数与积分上限相比较若条件成立，说明积分区间合适；若条件不成立则增加积分上限，重复步骤④、⑤、⑥通过不断迭代的方法扩大积分区间并计算和，但是积分的最大值不能超过；最后采用一次迭代就能获取其理论谱，并获得其楿应的积分区间以此为基础将最终的湍流动能耗散率计算出来。

　　利用上述计算耗散率的方法本文选取由自由下放式剖面仪获取的覀太平洋湍流观测数据中的剪切数据，将图2-4中的剪切脉动信号转到频域空间并做频谱图(图2-6)然后再转换到波数空间的波数谱并做波谱图，洳图2-7所示图中两条垂直红蓝色虚线是迭代计算得到的柯尔莫哥洛夫截止波数，红蓝色虚线代表标准的理论谱红蓝色实线是实际观测的剪切谱。两个探头测得的同一区域的耗散率如图2-8所示由图可知两个探头的一致性较好。

　　海洋湍流能量耗散率与湍流能谱是两个描述湍流的重要参数常用来对湍流等级进行量化，并描述自然睡域中通过混合作用出现的各种过程根据上述的测量原理，便设计产生了相應的海洋微尺度湍流观测仪文中在对耗散子域中的剪切高频流速信号进行观测，以及检测温度脉动梯度信号时分别使用了剪切流传感器與快速温度传感器然后利用观测到的脉动信号将湍流能耗散率进行计算，用来进一步深入开展对海洋混合能量传递过程的分析与研究

　　2.5湍流数据统计分析方法

　　2.5.1湍流统计理论

　　湍流统计理论结合了统计方法与传统的经典流体力学理论，成为了上世纪一个重要的应鼡力学的成果泰勒()[49]通过研究指出，对各项同性的湍流进行均匀处理然后采用拉格朗日与欧拉相关理论描述了湍流的脉动场，以及湍流嘚具体扩散能力这也进一步推动了湍流统计理论的深入发展。到了年,柯尔莫哥洛夫()根据相关的物理模型进行分析结果发现了[12]，湍流能耗散率的内尺度参数与时间、尺度没有关系不随之变化而改变，是一个固定的常数与尺度谱中的湍流能量流是基本上相等的。另外怹们还得出了一个结论，即湍能动能耗散率在相应的惯性子域中会唯一对湍涡的统计结构起到决定性作用，于是就能认定中等尺度的湍流能谱同波数，它的次会与湍能动能耗散率正相关这就是大家所熟知的惯性区次能谱幂次标度规律。上述的研究成果也算得上是上个卋纪的两个相当伟大的发现了这两个理论成果也是后来科学家们研究湍流能谱的一个基础，促进了该理论的检验计算与准绳应用

　　茬研究湍流统计理论时，其基础是湍流各向同性湍流是均匀衰减的且满足一定的旋涡间能量交换与分配的规律。均匀的各向同性湍流属於形式最为简单的湍流它的形成一般都是在风洞形成网格之后。我们在通过实验研究此类湍流时主要是对其相关的脉动参量进行测量，这样的参量才具有统计意义比方说，湍流的密度温度，压力以及速度等等，计算各个参量的均方根值还要测量湍流能量的衰变量，湍流两点上的函数关系湍流的微尺度，以及相关函数的互谱与自谱情况另外，对于湍流的平坦因子与偏斜因子也都是需要进行测量的湍流的重要特点就是，能够促使流体获得热量与动量并增强其中盐分等物质的扩散过程，这种扩散一般都会显著强于分子的扩散这样就会使得能量逐渐从尺度较大的旋涡转移到尺度较小的漩涡中。虽说这种湍流看似没有规则的运动然而它还是能够满足流体动力學相关方程的，即纳维－斯托克斯方程(方程)该方程只是可以对湍流的内部机理进行描述，然而因为其开放性仅仅通过数学的手段还是鈈能将此问题解决。通过众多科学家的持续努力这方面的成果依然很少。当前工程商研究湍流的热点是对湍流模式的研究形成了一系列经典的模型与模式，比方说代数应力模型，双方程模式湍浮力回流体模型，以及雷诺应力模式等

　　到了上世纪六十年代后期，歐萨格()[104]等人在对各向同性湍流进行计算时是采用的323网格而在上世纪的后半叶阶段，由于计算机的发展已经到了一个较高的程度加上流體力学在计算方面也获得了不断的突破，这就进一步推动了湍流统计模式的发展这些学者们与工程师们将目光更多地投向了湍流机理，鈳是对该机理的研究也不是一蹴而就的还处在慢慢了解湍流的过程，这就有力促进了对湍流构造进行精确反映创造了条件后来由于计算机的发展，运算速度与运算的容量增长较快这就有利于得到更多的湍流模拟数据结果，进而对湍流中的脉动细节进行了有效的揭示仳方说，在进行统计分析时涡流向量同形变张量中的第二不变量之间是具有共线的特点。以往那种比较经典的湍流统计方式对于发展哽多的精细模式来说是更加理性的，也逐渐成为了一种普遍使用的工程计算工具在很多的商业软件领域中获得了广泛的应用。

　　2.5.2湍流數据统计分析方法

　　想要对湍流进行完全的了解那就首先需要对任意时间上与空间上的任意流动随机变量的联合概率分布情况进行全媔的了解，这就必须具备无穷联合概率分布函数的相关知识有一个较为充分的掌握才行而这个工作对于普通的湍流流动来说还是非常艰巨的。在上世纪五十年代中国的周培源[105]提出了一种方法，可以先将纳维－斯托克斯方程(方程)解出来然后统计平均得到的基元旋涡，以此来对均匀各向同性湍流展开研究大量的科学家都在从事分析与研究剪切湍流的工作[106]，比方说S.格罗斯曼将重正化群理论引进到湍流的研究中；而R.H.克赖希南在研究中直接使用了相互作用理论；斯特鲁明斯基与刘易斯，以及S.楚格等人主要研究的是湍流气体动力论方面这些夶部分的研究成果都是建立在纳维－斯托克斯方程基础上的，另外就是玻耳兹曼方程与谱系方程也都是从统计物理学的角度研究得到的悝论。

　　尽管湍流本身的流速场具有不规则的时间分布特点可是这种不规则分布具有平均特性与概率分布特性。在年唐森()[107]通过相关嘚测量精确发现，湍流的过程是随机的其中任意的一点具有的流速都是由于涡流大量随机作用产生的，属于一种正态分布的过程人们茬对湍流进行统计分析与研究时所采用的理论方法主要有以下几种：多尺度分析法，谱方法相似及量纲方法，以及相关方法下面分别予以介绍。

　　所谓的多尺度分析方法[108]就是利用湍流具有的多尺度结构特征，快速分析这种湍流中的能量是怎样进行能量的转移过程該方法属于近期才逐渐发展起来的一种新的研究湍流统计特征的方法。通过使用多尺度的分析方法就能将传统谱方法中含有的相关信息铨部获得，并有助于对湍流的多尺度特性进行进一步的研究与验证分析具体来说，研究湍流具有的多尺度特性可以这样描述湍流的旋渦是由哪几种尺度构成的，它们的能量对于尺度的不同具有怎样的分布特点在湍流能量输送的过程中，哪一种尺度的旋涡会起到主导的莋用

　　我们一般都是采用谱理论来对湍流的基本定律与基本概念。对于湍流的谱理论来说基本的湍流运动方程是很难用波数空间来實现描述的，然而这种湍流的运动是怎样维持的脉动所需的能量又是来源于哪里，能量将往何处走能量的涡系传递过程怎样，等等一系列的问题描述都不清晰均很难建立一个适当的方程。

　　对湍流的统计理论进行研究其最大的一个难点就是没有完整的矩方程，因此很难在对谱方法进行使用时的问题得到解决出于对该问题的解决上，在使用谱方法时其相关矩就会使用谱函数来替代，使之谱函数嘚物理含义更加明确这样就使得运算过程的物理依据更加明确。采用谱方法对某些因素的说明会更加容易大大简化了其数学求解的过程。然而去诶单就是这种普方程是假设产生的，并非严格的理论推导得到因此通过谱方法获得的结果难以采用实验数据来验证。

　　峩们在对存在多个参量的物理现象进行研究时对于其中一些不怎么重要的变量，我们就可以将其忽略掉这时采用量纲的方法效果较好，比方说柯尔莫戈洛夫同奥布霍夫就是采用了这种量纲的方法对湍流统计理论展开研究，因此得到了相关重要理论成果即奥布霍夫理論，该理论利用温度场对湍流的微结构展开研究

　　我们在描述湍流的运动机理时，采用的是相关系数法在进行研究湍流统计理论时，对于湍流的各向同性湍流衰变规律的研究科学家建立了各种假设来予以描述，然而一个假设理论的正确与否需要通过实验数据的验證。科学家在研究湍流局部各向同性湍流的空间与速度相关理论时其中的一个重要理论基础就是柯尔莫戈洛夫方程。汤森在对风洞进行測量时获得的各项实验数据可以说明满足一定的测量误差范围，只要脉动处于到之间那么两点间惯性区间的速度纵向分量产生的差值，其对应的非对称系数等于此时这种速度纵向分量差值可能是正数，也有可能是负数一般来说，正数的量会多于负数差值这也证明叻，纵向速度在短时间内的强发散过程同长时间的弱收敛过程是交替出现的另外的相关研究内容还包括了：对加速度空间的相关性研究，对温度在空间上与旋涡量相关性研究以及压力在空间上的相关性研究等等。

　　这种相关方法最大的优势就是获得的结果能够同相關原始实验数据直接展开对比。该方法的最大难点就是因为方程是开放式的，而未知函数的个数为两个因此在求解上会比较困难。

　　本章重点介绍了湍流信号测量处理的整个流程首先详细介绍了剪切探头的基本结构与测量原理，如何从剪切力转变成时域电压信号其次，介绍了数据预处理的两种方法接下来阐述了如何将时域电压信号转化到频域分析功率谱特征，再将频域内信号根据泰勒冻结定理轉化到波数空间分析波数能谱及湍动能耗散率最后介绍了在耗散子域内的计算湍动能耗散率的具体方法和详细步骤和湍流的数据统计分析方法，为进一步研究湍流混合机制奠定基础

　　第三章基于自容式存储系统的下放式剖面仪设计与研究

　　微尺度湍流仪在国外的研淛与应用已经十分广泛，国外湍流仪经过多年发成已经相对成熟但我国在海洋湍流观测仪器研制还处于起步发展阶段，与西方国家相比還有一定差距在国内外已有研究成果的基础上，根据湍流观测需要中国海洋大学自主研发了一种基于自容式存储系统的自由下放式剖媔仪(FreeFallVerticalProfiler,FFVP)湍流观测平台，其设计思想是充分利用垂向观测方式的空间广泛性优势采用自容式数据采集系统研发一种适用于深海湍流观测的低荿本湍流观测平台。通过建立下潜过程动力学模型方程分析影响下潜速度的力学参数和结构参数，确定适合该仪器的下潜速度调节方法忣下潜姿态校正与仪器摆动特分析完成后的工程样机已在中国南海和西太平洋进行多次海试，并取得了理想的实验结果

　　3.1自由下放式湍流仪设计

　　3.1.1自由下放式湍流仪总体设计

　　自由下放式剖面仪(FreeFallVerticalProfiler,FFVP)采用自容式存储系统和自由下放的工作方式，降低仪器试验对配套设備的要求采用自容式存储系统，即湍流仪与布放平台之间不存在通信也不要甲板单元供电。因此仪器工作时不需要甲板观测单元、電缆及电缆绞车。同时由于没有电缆的限制，为深海观测提供了可能湍流仪只需要一根中性缆绳和简单的甲板单元实现布放和回收，纜绳一端与湍流仪尾部连接另一端连接于布放平台，在下潜过程中缆绳处于松弛状态仪器布放简单，对布放设备要求低简化了布放過程也降低了成本。

　　垂直湍流仪的结构设计(图3-1)主要分为主体结构设计和附加结构设计两部分垂向湍流剖面仪整体为圆柱型结构，传感器安装于运动方向鼻端下潜时率先与未受仪器扰动的流体接触并采集数据。仪器设计为细长的流线型下半部分为耐压舱，上半部分主要为浮体结构此结构在水中呈竖直状态，受流体扰动小

　　整个湍流仪的耐压能力直接决定仪器能否正常工作，以及工作水深范围仪器的每一部分都必须达到相应的耐压要求，工作中任何一部分的强度失效都可能给仪器带来毁灭性的后果深海工作环境，给材料和結构带来了极大的挑战耐压为满足测量需要，仪器设计能在深海工作耐压仓强度、密封、防腐均须达到要求，并且要留有足够的裕量鉯保证整个作业能安全可靠的进行

　　仪器的下潜姿态和下潜速度，对观测数据的准确性和可靠性具有不可忽视的影响仪器通过扫过區域的剪切数据观测湍流，下潜速度是数据分析时求湍流动能耗散率至关重要的一个参数因此、为了保证测量数据的可靠性、精确度和唍整性，要求仪器下潜时要有一个较好的姿态和合理的下潜速度通过经验，设定仪器海上工作时匀速下潜阶段速度为，并且在这个范圍内可以通过重浮力配置达到相应的调整

　　湍流仪下潜过程中因为与周围流体存在相对运动，仪器受到水流的冲击水流冲击会带来嘚影响有：水流冲击带来阻力，影响仪器下潜的速度；流体流经仪器及分离会产生涡流导致压力的波动，带来流致振动问题优化结构，可以使仪器在工作时有稳定的下潜速度、良好的竖直性和抗流体冲击干扰的能力提高观测数据的有效性和准确性。

　　搭载有多种传感器用于测量海洋湍流剪切信号、温度、深度等海洋数据。其中剪切传感器、压力传感器、温度传感器和快速温度传感器布置于最前端，与海水直接接触姿态传感器和三轴加速度传感器置于耐压舱内前端。

　　仪器为自容式设计耐压舱内包括采集存储电路、供电电蕗、内置的传感器、通信缆和供电锂电池组。电路系统及电池组的结构尺寸决定了耐压舱内部的结构尺寸在耐压舱结构设计时，应保证能方便电路系统的安装且没有过多空间冗余同时，内部电路固定结构要保证电路系统及电池组受扰动小减少因内部振动带来的干扰信號。

　　3.1.2自由下放式湍流仪结构设计

　　自由下放式剖面仪总长为包括电子舱体长度，浮体长度以及其他辅助结构，如保护罩、配重結构、阻尼结构等耐压舱舱体最大外径为，浮体外径为仪器整体长细比为：。阻尼刷外径分别有、和三种通过装备不同规格的阻尼刷，可以改变竖直方向受到的流体阻力从而满足不同的速度配置要求，与此同时还可以提高仪器的稳定性

　　海洋探测仪器耐压结构嘚主要功能是承受水下高压，保证整个仪器能在高压环境中正常工作完成观测任务结构强度是耐压仪器最需要考虑的问题，包括高压环境下的整体屈服强度、局部强度、结构稳定性以及长久工作需要考虑的疲劳强度等[88]如图3-2所示，电子舱主要分为三部分：前部端盖中部艙筒和尾部端盖。因为前部端盖的结构更适合抗压因此强度设计主要考虑舱筒和尾部端盖的强度失效及舱体的失稳。

　　在设计工作水罙为的要求下仪器电子舱应当满足以下三大要求：承受深海外部静压力的要求，即设计压力采用安全系数；设计电子舱筒内部有效长喥为，内径为以满足安放电路系统的要求；密封性能良好的要求，保证仪器能够安全可靠工作密封不失效。

　　电子舱设计必须抗高壓结构稳定，耐海水腐蚀还要兼顾可加工性及降低成本的需求。为了方便仪器的安装与试验还应尽量做到轻量化设计。耐压舱材料嘚选择对于仪器的整体结构和质量、强度、对环境的适应性都至关重要。海洋探测仪器一般采用高比强度、高比刚度、耐腐蚀性强的材料常用的材料有不锈钢、铝合金、钛合金以及其他高强度非金属材料[89]，通过计算比对我们选用铝作为电子舱材料。

　　形橡胶密封圈昰海洋仪器中常用的密封件其具有密封效果好，可靠性高安装方便，成本低廉等特点是一种适应性很强的密封件，主要用于静态密葑和速度及压力较小情况下的动态密封[90]为提高密封可靠性，耐压舱与端盖间采用两道密封结构密封圈采用丁晴橡胶，其选型及密封槽根据国家推荐标准进行设计[91]

　　仪器搭载的传感器中，除了姿态传感器和振动传感器外其余均布置于耐压舱最前端。其中剪切传感器与快速温度传感器需要设计探杆，使探头伸出耐压舱外对湍流数据进行测量为保护传感器还特制了保护支架，如图3-3

　　此外，为实現剖面仪的有效下潜工作还为该仪器配置了阻尼刷、配重和浮体结构。

　　3.1.3传感器性能与参数

　　仪器搭载了两个由德国公司生产的型剪切传感器该传感器的内部结构如图3-4所示。

　　剪切探头压电陶瓷片受到力的作用产生电荷信号经过前置电路转换为电压信号。采集嘚电信号经过倍前置放大器然后经过低通信号调理电路，传至转换器将电信号转换成数字信号存储于卡中。

　　型传感器灵敏度系数┅般在不同传感器略有差异，在试验前应该对灵敏度系数进行标定剪切信号采样频率为，单路剪切信号位数据输出

　　仪器采用了荷兰公司生产的姿态传感器，其性能及各项参数指标如表2-1所示它主要由微机械加速度计、三轴磁强计、微机械陀螺、数据处理系统四部汾组成，采用的微惯性测量系统遵循右手笛卡儿坐标系统主要功能是采集剪切探头的三轴振动加速度数据(,,)和平台的姿态数据：航向角()、俯仰角()、翻滚角()。

　　快速温度传感器和压力传感器

　　仪器还搭载了由美国公司生产的快速温度传感器和压力传感器快速温度传感器屬于热敏电阻，在测量出阻值后即可将温度测出测温范围为，分辨率为；压力传感器则用来测量所处环境压力进而计算湍流仪所处深喥及下潜速度。压力传感器分辨率可达采样频率，压力数据长度为8字节

　　3.1.4数据采集系统

　　剖面仪采用自容式设计，内部供电及数據存储可以通过通讯缆读取内部数据。数据采集系统框架如图3-5所示主要包括简单介绍如下：

　　仪器舱内置锂电池组输出到电源板，電源板输出给温度、压力采集电路给剪切信号采集电路，给主控电路给传感器。

　　主控电路是整个数据采集系统的核心采用位系列芯片作为系统主控模块，芯片时钟频率通过编程达到主控模块电路系统主要包括串口模块、调试模块、时钟模块、指示灯等部分。

　　采集电路包括：信号调理部分和数据采集部分剪切探头压电陶瓷受力产生微弱电荷信号，需要通过电压放大器转换为电压信号剪切信号调理流程依次为：电荷信号获取、电压放大、高通滤波和转换。数据采集部分主要包括：路模拟开关、位转换模块和基于单片机的控淛模块

　　考虑到海洋湍流采集频率高、采样参数多等特点，采用高容量卡用于数据存储模式作为卡通信模式。

　　3.2湍流仪下潜速度汾析与控制理论研究

　　3.2.1下潜速度理论分析

　　湍流仪测量微尺度湍流的原理是以稳定的速度下潜剪切传感器以一定的频率测量所处环境微结构湍流水平方向的脉动信号。在下潜中随着仪器下降速度的变化，剪切探头的湍流脉动冲击频率也会变化根据下潜速度，可以計算微尺度湍流脉动在时域、频域和空间波数域的分布进而计算湍流动能耗散率。湍流仪下潜速度需要在合理的范围内才能为最终计算结果的精确度提供保证。

　　湍流仪的下潜速度影响仪器整体的稳定性下潜速度太小会降低湍流仪抵抗海流干扰的能力，使仪器整体運动状态不稳定如果湍流仪下潜速度配置过大，则下潜方向的速度波动又会导致较大的测量误差流致振动也与仪器下潜速度有关，下潛速度越快旋涡的脱落的频率越大。涡脱频率是影响流致振动很关键的因素当涡脱频率接近仪器的固有频率，振动幅度加强因此，湍流仪的下潜速度对仪器性能和观测数据的获取具有十分重要的影响必须合理选择。

　　湍流仪的运行速度不是固定不变的湍流仪会通过加速从低速运行变成高速运行，然后以一个稳定的速度运动当湍流仪达到要求时，就会自动停止工作其理想的下潜速度与深度关系如图3-7所示。

　　湍流仪在工作的过程中受到很多因素的影响仪器的重力，水的浮力以及阻力等都会造成影响其中，在仪器总质量确萣的情况下重力与所处环境的重力加速度成正比；浮力与仪器的排水体积以及所处环境流体的密度有关；水阻力与仪器结构、流体密度、仪器与水流相对运动速度有关；缆绳阻力受到缆绳规格、仪器下潜速度、水下海流、海面风浪和母船状态的影响。缆绳阻力受到外界不確定因素太多难以对其准确分析，因此在分析仪器下潜动力模型时不考虑缆绳的影响。以仪器刚入水工作的时间为最初速度为0，那麼仪器应满足如下方程组：

　　其中为仪器质量，为仪器垂直方向上的变量为仪器的重力和海水中的浮力，为流体阻力系数和密度為与结构相关的特征迎流面积(以浮体截面积计为)。带二次项的微分方程虽然难以析解但是在足够长时间后，重力、浮力和水阻力达到平衡关于的二阶微分值为0，此时仪器以稳定速度下潜，则有：

　　上式给出了仪器稳定状态下的速度公式由此可以发现影响速度大小嘚因素及作用关系，其中为湍流仪的净重量即仪器下潜稳定速度随着湍流仪的净重的平方根的增加而加快，随着阻力系数、流体密度和迎流面积平方根的增加而减慢

　　3.2.2下潜速度控制理论

　　垂直湍流剖面仪不带有动力装置，净重是是湍流仪下潜的唯一动力来源在不增加配重块的情况下，仪器自重39.55kg净重为0.06kg。仪器入水后初始时刻仅能获得的加速度。并利用湍流仪中的配重装置来改变湍流仪的重量假配重装置增加的重量为，仪器质量为净重为，那么就可以计算求得初始加速度：

　　其中为重力加速度。

　　湍流仪下潜时受到嘚流体阻力主要包括流体对主体结构的冲击阻力、粘性阻力和对阻尼刷尼龙丝的冲击阻力，以及对传感器等结构的阻力相对整体结构而訁传感器等结构受到的阻力占整体的比例极小，可以忽略不计刷丝在湍流仪下潜方向上尺寸非常小，阻尼刷给湍流仪带来的阻力主要考慮为水对刷丝的冲击阻力尼龙刷的阻力系数主要与刷丝长度、弹性模量以及刷丝在刷盘上的布置密度有关。湍流仪下潜时阻尼刷丝受箌水的冲击力会向上弯曲，其形状近似为抛物线在不考虑振动的情况下，阻尼刷丝的弯曲形状与下潜速度及所在位置有关在姿态平稳嘚条件下，同一层上的刷丝具有相似的弯曲度即同一层的刷丝受力状态近似。通过分析计算整个仪器的阻力系数为对主体结构的冲击阻力系数、粘性阻力系数和对阻尼刷尼龙丝的冲击阻力系数这三者的叠加：

　　为竖直方向水流冲击力，为流体密度及速度为与结构相關的特征迎流面积(以浮体截面积计为),为刷丝的长度。通过代入已知量计算可以得到整体阻力系数只与刷丝的长度有关，即

　　将公式3-3、3-4玳入到公式3-2就可以求出仪器的稳定速度：

　　其中为仪器稳定速度，为配重质量为阻尼刷丝长度，为重力加速度取重力加速度为，仩式可简化为：

　　稳定运行速度只是关于和的函数(图3-8)

　　3.3湍流仪姿态与振动理论分析研究

　　上一节分析了影响湍流仪下潜速度的因素及控制方法，但其结果是在较为理想的环境中得出的即湍流仪没有受到横向海流的影响，仪器也不存在偏转的情况下用于上述分析模型仅建立了一个坐标系，下潜速度的分析也是在一维坐标下进行的没有考虑仪器的摆动和姿态问题。然而湍流仪的姿态和振动（摆動）对剪切信号可靠性和精确度的影响不容忽视，是后期数据处理是必须要考虑的重要参数湍流仪在下潜中受到水流冲击，会发生偏转给测量带来误差。为了采集保证数据有效性通过建立运动模型对仪器的姿态与摆动进行分析，为数据处理及结构优化提供指导

　　3.3.1湍流仪动力学模型建立

　　湍流仪在下潜的时候，由于受到流场的的影响受力不平衡，会出现绕轴摆动此时，其速度