基于垂直剖面儀的海洋湍流觀測技術(shù)及分?jǐn)?shù)階數(shù)據(jù)處理算法研究地理學(xué)專業(yè)

1、基于垂直剖面儀的海洋湍流觀測技術(shù)及分?jǐn)?shù)階數(shù)據(jù)處理算法研究摘 要海洋湍流對于認(rèn)知海洋環(huán)流的運(yùn)動、研究海洋能量和水體的交換演化機(jī)制起著十分重要的作用，也是驅(qū)動海洋混合和大洋環(huán)流與調(diào)節(jié)海洋特性的關(guān)鍵因素。正確地認(rèn)知、預(yù)測和控制湍流對揭示海洋環(huán)流運(yùn)動機(jī)制具有極其重要的科學(xué)意義。湍流觀測作為研究海洋湍流的重要手段，其研究成果不斷地幫助人類提高對海洋湍流的理解與認(rèn)識，其中，湍流觀測技術(shù)問題一直是海洋湍流研究領(lǐng)域面臨的重大課題之一。海洋湍流數(shù)據(jù)的獲取手段與分析方法是人們進(jìn)一步研究湍流混合機(jī)制的基礎(chǔ)。目前，采用高分辨率、高空間響應(yīng)能力及高靈活度的剪切傳感器搭載在不同形式的觀測平臺中是海洋湍流極為常用的觀測手段

2、，以此獲取海洋湍流混合層有效的湍流觀測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對海洋混合層微尺度湍流脈動速度梯度及剪切應(yīng)力強(qiáng)度等不同動力學(xué)特性的表征，并基于觀測平臺非線性振動校正和自適應(yīng)融合算法，實現(xiàn)海洋混合層湍流耗散率的有效估算，為海洋混合層理論和模式研究提供有效的觀測手段和數(shù)據(jù)支持。面向海洋混合層的微尺度湍流觀測與認(rèn)知這一關(guān)鍵科學(xué)問題，針對目前海洋湍流觀測技術(shù)中存在的問題與制約，自主研發(fā)了一種下放式垂直剖面儀湍流微結(jié)構(gòu)觀測新平臺，其設(shè)計理念完全繼承了垂向觀測方式的空間廣泛性，剖面儀在下潛過程中能保持合理而穩(wěn)定的下潛速度和下潛姿態(tài)，實現(xiàn)湍流垂向空間的穩(wěn)定有效觀測，為獲取廣泛的垂向觀測數(shù)據(jù)提供了觀測手段。在處理與分析微尺度

3、海洋湍流數(shù)據(jù)時，觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度是研究湍流特征的基礎(chǔ)，而噪音信號的消除問題一直是數(shù)據(jù)處理過程中的重點與難點。海洋傳感器在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中工作時難免會受到儀器振動及環(huán)境渦流的污染，傳統(tǒng)噪音消除算法如傅里葉變換、小波變換等方法均適用于處理確定性的平穩(wěn)線性信號，而海洋湍流是一種極端復(fù)雜的三維流體運(yùn)動，真實觀測到的湍流時間序列通常是不平穩(wěn)非均勻的，而且易受到各種噪音污染。因此，研發(fā)一種有效去除平臺振動及渦致振動等噪音的消噪算法對提高湍流觀測數(shù)據(jù)的精度是極為必要的，它為研究湍流波數(shù)譜及湍流耗散機(jī)制提供數(shù)據(jù)支持。在對海洋湍流的內(nèi)部運(yùn)動機(jī)理進(jìn)行的研究方面，基于湍流剪切數(shù)據(jù)的處理分析算法一直是這方面應(yīng)用的

4、一個熱門方向，本文以實際觀測的微尺度海洋剪切脈動數(shù)據(jù)為處理對象，針對海洋湍流觀測的關(guān)鍵技術(shù)及數(shù)據(jù)處理流程中的關(guān)鍵問題，利用自制的湍流觀測平臺提出了一種有效湍流觀測方式，并利用分?jǐn)?shù)階原理提出了一種新的分析湍流機(jī)理特征的方法，最后針對垂向湍流觀測平臺中的渦致振動噪音提出了一種新的消噪算法。本論文的主要研究內(nèi)容如下：基于自容式存儲系統(tǒng)的下放式剖面儀設(shè)計與研究本文提出一種自主研發(fā)的自由下放式剖面儀(Free Fall Vertical Profiler, FFVP)湍流觀測平臺，其設(shè)計思想是充分利用垂向觀測方式的空間廣泛性優(yōu)勢，采用自容式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研發(fā)一種適用于深海湍流觀測的低成本湍流觀測平臺。通過

5、建立下潛過程動力學(xué)模型方程，分析影響下潛速度的力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，在理論計算結(jié)果基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的結(jié)構(gòu)配置，明確調(diào)節(jié)下潛速度的方法，并計算該結(jié)構(gòu)下的各力學(xué)參數(shù)，對結(jié)構(gòu)的擺動、姿態(tài)進(jìn)行了分析。確定該結(jié)構(gòu)下湍流儀的擺動頻率，及擺動幅值衰減特性。分析下潛速度、重浮心距離對下潛姿態(tài)的影響，。通過簡化模型，進(jìn)行流致振動分析，得出在水平水流沖擊下儀器的擺動特性。基于下放式剖面儀的湍流觀測技術(shù)及消噪算法海洋湍流的觀測對認(rèn)知海洋混合過程有重要作用，但是實際觀測的微尺度剪切時間序列是非平穩(wěn)的且很容易受到各種噪音的污染。針對自主研制的下放式剖面儀進(jìn)行海洋湍流觀測中平臺下潛速度、姿態(tài)和振動的分析，有效證明了平臺的有

6、效性。為進(jìn)一步消除儀器振動噪音，提高湍動能耗散率的精度，本文提出利用基于交叉譜的運(yùn)動補(bǔ)償校正算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲修正濾除，修正后的剪切譜與標(biāo)準(zhǔn)的Nasmyth譜吻合較好，且耗散率比原始耗散率明顯降低了。實驗結(jié)果表明，F(xiàn)FVP觀測平臺是一個穩(wěn)定的觀測平臺，為觀測湍流提供了新的平臺?；诜?jǐn)?shù)階理論的湍流功率譜分析算法在基于分?jǐn)?shù)階理論的基礎(chǔ)上，對湍流數(shù)據(jù)的功率譜進(jìn)行了探索性的分析。盡管湍流的流體運(yùn)動非常復(fù)雜，呈現(xiàn)的是一種三維非定常模式，可是因為它的隨機(jī)性，使得其在運(yùn)動中又有某種內(nèi)在的統(tǒng)計規(guī)律。本節(jié)是在分?jǐn)?shù)維的空間中展開對湍流特性的研究，然后得到其能譜圖，進(jìn)行分析，并充分考慮湍流本身的規(guī)則性以及隨機(jī)性。

7、首先，對湍流的分形特征進(jìn)行說明，然后對分?jǐn)?shù)維空間內(nèi)的湍流擁有的湍流功率譜的公式形式推導(dǎo)出來，并以此為基礎(chǔ)，研究一種新方法，展開研究如何利用分?jǐn)?shù)維數(shù)來獲得湍流功率譜，并利用自由下放式剖面儀在西太平洋采集的數(shù)據(jù)與原功率譜進(jìn)行比對，驗證新方法的有效性?；诜?jǐn)?shù)階濾波器的湍流信號消噪算法觀測的高精度湍流數(shù)據(jù)集對研究海洋循環(huán)系統(tǒng)起著重要作用。為消除觀測信號中的平臺振動及渦致振動污染，本文提出一種基于分?jǐn)?shù)階濾波的消噪算法。首先，我們在對振動信號的發(fā)生進(jìn)行分析時，并確定剪切信號同加速度之間的關(guān)聯(lián)性，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)而提出一種基于分?jǐn)?shù)階濾波器的湍流信號消噪算法，采用最小化觀測技術(shù)計算出全部信號的加權(quán)平均加速度積

8、分差值，于是就能大致估計得到振動信號的最優(yōu)形式，并設(shè)法消除該信號。本文采用自由下放式湍流觀測平臺在西太平洋海域觀測的數(shù)據(jù)對算法進(jìn)行驗證，并與經(jīng)典交叉譜算法進(jìn)行比對，最終的結(jié)果說明了，采用分?jǐn)?shù)階濾波算法可以將渦致振動噪音進(jìn)行有效消除，進(jìn)而獲得具有更高精度的湍流觀測數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：海洋湍流；自由下放垂直剖面儀；渦致振動；噪音模型；分?jǐn)?shù)階Fourier變換；濾波算法；Ocean Turbulence Observation Techniques Based on the Vertical Profiler and Research on Fractional Data Processing Algor

9、ithmsAbstractKeywords: ocean turbulence; free fall vertical profiler; vortex-induced vibrations; noise modeling; fractional fourier transform; filtering algorithm; III第一章 緒論1.1引言海洋是地球極其重要的組成部分，其面積約占地球表面總面積的七成，海洋為生命的出現(xiàn)提供了必要條件，其中也蘊(yùn)藏著豐富而寶貴的資源，如大量的水產(chǎn)和藻類資源、豐富的化學(xué)資源和礦產(chǎn)能源等。自21世紀(jì)以來，世界各國加速發(fā)展、經(jīng)濟(jì)日新月異、人口激增，而可利用的

10、資源卻日益減少，人口、資源和環(huán)境等諸多難題日益凸顯。為了得到更好的常態(tài)發(fā)展，海洋資源逐步成為人類探索研究的新領(lǐng)域。一方面，海洋對地球系統(tǒng)的生物循環(huán)、水體和大氣循環(huán)有重要的調(diào)控作用1，另一方面，氣候系統(tǒng)長期變化的預(yù)測能力與水平也取決于對深海大洋的巨大熱容量及熱輸送能力的預(yù)測能力，因此，物理海洋領(lǐng)域已逐步成為人類研究探索的新熱點。世界各國也日益關(guān)注海洋對經(jīng)濟(jì)、軍事、生態(tài)環(huán)境的重要作用，開始研制先進(jìn)的海洋探測儀器及海洋觀測技術(shù)用于海洋領(lǐng)域研究。我國在這一形勢發(fā)展之下，也積極投身于海洋領(lǐng)域的探索行列，推出了很多針對海洋研究的項目，如“863”、“973”等國家重點項目；在“十二五”規(guī)劃中也首次提出發(fā)展

11、藍(lán)色海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展戰(zhàn)略，我們國家已經(jīng)充分意識到發(fā)展海洋領(lǐng)域的重要性。有人將世紀(jì)稱為“海洋的世紀(jì)”，而對于海洋的探索還仍處于不斷發(fā)展和進(jìn)步的階段，人們對海洋的物理機(jī)制還缺乏足夠的認(rèn)知。為了更好地開發(fā)與利用海洋資源，增強(qiáng)人們對海洋環(huán)境極其變化規(guī)律的認(rèn)識，海洋觀測技術(shù)及后續(xù)數(shù)據(jù)處理算法對推動海洋的發(fā)展起著極其重要的作用。在海洋湍流理論中，流體的流動狀態(tài)根據(jù)雷諾數(shù)的大小可分為2,3：層流、過渡流和湍流，根據(jù)不同雷諾數(shù)的值對他們加以區(qū)分。當(dāng)雷諾數(shù)小于時，流體分層明顯，流線平穩(wěn)，各層之間沒有出現(xiàn)混合，稱為層流。隨著流速的增加，當(dāng)雷諾數(shù)在之間時，流線出現(xiàn)波動，流體各層之間會出現(xiàn)波浪式的擺動，稱為過渡流。當(dāng)流

12、速繼續(xù)增加到臨界值且雷諾數(shù)大于時，流線十分混亂，相鄰的流體層之間就會出現(xiàn)滑動和混合狀態(tài)，伴隨著出現(xiàn)很多的漩渦，原本流線型的形態(tài)被徹底打亂，此時就稱為湍流，又叫擾流或紊流。本文主要研究的對象就是混合層湍流現(xiàn)象的機(jī)理及其能量演化過程。隨著湍流觀測技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對湍流機(jī)制的認(rèn)知逐步加深。近一個世紀(jì)以來，人類對湍流的研究取得了諸多成就，但是由于湍流是一種極其復(fù)雜的三維不規(guī)則流體運(yùn)動，人們很難清晰地掌握它的基本運(yùn)動原理，截止到目前，湍流的準(zhǔn)確定義也未完全給定。目前，較為公認(rèn)的湍流定義是：湍流是一種帶有渦旋的不規(guī)則的、混沌的流體運(yùn)動狀態(tài)，其實質(zhì)是一種隨機(jī)的三維非定常流動，其運(yùn)動參數(shù)隨著時間和空間的變

13、化而隨機(jī)地發(fā)生變化，流動空間中含有無數(shù)形狀及大小各異的旋渦(圖1-1)，如湍急的河流、呼嘯的狂風(fēng)、滾滾的濃煙都屬于湍流。海洋湍流是一種高度復(fù)雜的三維帶旋轉(zhuǎn)的非穩(wěn)態(tài)不規(guī)則流體運(yùn)動，水體中每一點的運(yùn)動速度是隨機(jī)變化的，即處于一種不穩(wěn)定的紊亂運(yùn)動狀態(tài)。湍流的速度剖面稱為“剪切流”面，切向脈動速度剖面的梯度變化表明在不同區(qū)域內(nèi)海洋湍流的切應(yīng)力、強(qiáng)度、能量平衡及其其他動力學(xué)特征。但是，由于受到實驗觀測手段和海洋觀測儀器等條件的限制，目前對于湍流的實驗觀測和大部分研究理論都是基于“均勻各向同性”的假設(shè)定理，從而實現(xiàn)對湍流演變狀態(tài)的研究。圖1-1湍流漩渦舉例年，在觀測技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的不斷改革發(fā)展下， 和

14、4首次提出利用剪切探頭傳感器來測量湍流脈動量，他詳細(xì)地闡述了剪切探頭的具體工作方式及標(biāo)定校準(zhǔn)規(guī)則。自此，剪切探頭開始被廣泛地應(yīng)用于海洋剪切流的測量中，并為湍流觀測技術(shù)的長足發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。兩年后，奧基()5同時使用剪切探頭和熱敏電阻傳感器來實現(xiàn)剪切流和快速溫度兩個參數(shù)的同步觀測，并比較了這兩種觀測方式的一致性。世紀(jì)以來，工程技術(shù)與自然科學(xué)快速發(fā)展如航空航天、水利工程、船舶動力、化學(xué)化工、海洋工程及環(huán)境、氣象、海洋科學(xué)等都取得顯著進(jìn)步，逐漸實現(xiàn)了從研究到應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，這也推動了湍流的發(fā)展進(jìn)程，為湍流的進(jìn)一步研究提供了有效保障。利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、采用智能化的處理分析方法對湍流觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析

15、，建立合適的數(shù)值模型，減小計算誤差，研究湍流能譜、耗散機(jī)制、能量演化規(guī)律、時間尺度及相關(guān)性等特征參量，形成系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)采集處理方式及直觀有效的湍流混合機(jī)制及尺度特征分析算法是湍流發(fā)展研究的大趨勢?？偠灾Ｑ笸牧骰旌蟿恿^程既控制著海洋中的能量的傳輸，也影響著氣候與環(huán)境的變化，還控制著海洋生態(tài)整體環(huán)境，因此獲取微尺度湍流觀測數(shù)據(jù)并深入研究其混合機(jī)制是研究的重中之重。研究先進(jìn)的海洋觀測技術(shù)，獲得高質(zhì)量的原始湍流數(shù)據(jù)資料，創(chuàng)新性地數(shù)據(jù)處理與分析算法，是實現(xiàn)深入挖掘湍流機(jī)理、完善湍流理論的重要基礎(chǔ)，微尺度湍流觀測技術(shù)及處理算法對人們研究湍流特征具有重要意義。1.2研究背景和意義1.2.1課題的研究

16、背景海洋與人類生活密不可分的聯(lián)系，湍流也與人類生存發(fā)展有千絲萬縷的聯(lián)系。在自然界中，絕大多數(shù)流體運(yùn)動都會產(chǎn)生湍流現(xiàn)象，如航行器在空中的飛行過程、機(jī)動車在地上的行駛過程、輪船在海上的航行過程，甚至是人類體內(nèi)也時常會發(fā)生湍流現(xiàn)象。但是，由于湍流方程的時空復(fù)雜性和不封閉性6,7等因素的限制，湍流理論研究面臨著諸多難題，如何準(zhǔn)確地描述無規(guī)則的湍流流體運(yùn)動狀態(tài)以及求解流體運(yùn)動方程既是研究的重點也是研究的難點。湍流的最基本特征是它具有隨機(jī)性，流體運(yùn)動與分子運(yùn)動有相似性，在時間及空間上都具有不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動特征，其運(yùn)動參數(shù)也是隨機(jī)量，但一定程度上還是符合統(tǒng)計概率規(guī)律的。湍流服從自然界中的最基本的定律：擬序結(jié)

17、構(gòu)8存在于湍流流場當(dāng)中，絕大部分以大尺度旋渦為特征。通過設(shè)定合理的假設(shè)條件， 柯爾莫哥洛夫()在世紀(jì)年代發(fā)現(xiàn)了湍流能譜在慣性區(qū)域內(nèi)的普適規(guī)律，根據(jù)這些普適規(guī)律提出新模型并找到了湍流脈動速度的標(biāo)定律。通過數(shù)值模擬方法模擬各向同性湍流，發(fā)現(xiàn)了間歇性特征，在此基礎(chǔ)上又提出了湍流能量級串理論及標(biāo)度律。通過深入研究湍流理論知識，發(fā)現(xiàn)這些理論僅適用于雷諾系數(shù)較大且假設(shè)湍流是各向同性的條件基礎(chǔ)上。年，雷諾() 9提出了湍流應(yīng)力輸運(yùn)方程和時均動量方程(即方程)，由于湍流方程的無規(guī)則運(yùn)動和不封閉特性，給實際的工程應(yīng)用研究中帶來很多的困難與障礙，雷諾認(rèn)識到采用確定的方法來描述湍流運(yùn)動的時間、空間變化特征是基本不現(xiàn)

18、實的，故采用統(tǒng)計學(xué)方法來處理湍流的平均運(yùn)動，如時間平均法、概率平均法(或系綜平均法)和整體平均法。在湍流的實際研究中，通常使用海流的速度、溫度、壓強(qiáng)、鹽度等參數(shù)的局部流動量的均值來表示湍流，各參數(shù)的瞬時值等于平均量與脈動量之和，而平均量的平均仍為該平均值，脈動量的平均值為零10。國內(nèi)外學(xué)者針對納維斯托克斯()方程11的不封閉性問題提出很多解決的方法。年，泰勒()首次提出了湍流脈動速度的關(guān)聯(lián)函數(shù)：在湍流流場中，空間內(nèi)的任意兩個相鄰點的運(yùn)動參數(shù)具有一定的關(guān)聯(lián)性或相關(guān)性，如速度之間的關(guān)聯(lián)性、速度與壓強(qiáng)之間的關(guān)聯(lián)性等。年后，柯爾莫哥洛夫() 12提出了湍流脈動速度的結(jié)構(gòu)函數(shù)，開創(chuàng)了湍流統(tǒng)計理論的研究工

19、作的先河。世紀(jì)年代，我國研究員周培源等人13 開展對湍流模式的研究并提出了求解平均渦流結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計理論方法。隨著人們對湍流及其理論方法理解的不斷深化，湍流從求解維納斯托克斯()方程，逐步發(fā)展為探究湍流擬序結(jié)構(gòu)8、研究湍流統(tǒng)計理論14、探索湍流模式15等問題。目前，湍流理論的研究成果已廣泛應(yīng)用于眾多科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，如環(huán)境問題16、預(yù)測模擬問題17、流體機(jī)械18、新能源開發(fā)19、航空航天20等。湍流理論的研究對工程技術(shù)的發(fā)展具有理論指導(dǎo)意義，反過來，工程技術(shù)的進(jìn)步終有一日也會成功打破湍流理論認(rèn)知的屏障。由于湍流運(yùn)動的復(fù)雜性，很難在現(xiàn)實中實現(xiàn)湍流環(huán)境的模擬，因而湍流的研究與發(fā)展嚴(yán)重依賴著湍流觀測技術(shù)及儀器

20、觀測獲取的真實湍流數(shù)據(jù)，湍流數(shù)據(jù)的實測工作也就成為研究湍流內(nèi)部機(jī)制的奠基石。計算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)及湍流理論的日益完善推動了湍流觀測方式的進(jìn)步引領(lǐng)了湍流脈動參數(shù)的測量技術(shù)方法的發(fā)展，使得探究湍流內(nèi)部運(yùn)動機(jī)理有了可靠的數(shù)據(jù)支持。湍流觀測技術(shù)主要與傳感器的電子電路及觀測平臺相關(guān)，目前剪切探頭和熱敏電阻成為測量湍流脈動速度的兩大主流傳感器，湍流觀測技術(shù)也成為工程方面的研究重點方向。不同的觀測方式要求的觀測平臺也不一樣，例如垂向測量方式要求觀測系統(tǒng)在布放過程中處于垂直狀態(tài)；水平觀測方式則要求觀測儀器在水平方向處于平衡狀態(tài)；觀測深海湍流時要求儀器有足夠的耐壓能力；觀測淺海湍流時系統(tǒng)必須盡量避免風(fēng)浪過大導(dǎo)致

21、的系統(tǒng)傾斜晃動。儀器在進(jìn)行外海試驗前需要先在室內(nèi)實驗水槽中進(jìn)行配平實驗以及對其他相關(guān)設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行檢驗，觀測的儀器姿態(tài)數(shù)據(jù)也要進(jìn)行全面分析，從而驗證水下儀器是否符合設(shè)計原理、能否滿足海洋觀測的條件以及觀測數(shù)據(jù)的有效性。以海洋湍流的觀測試驗為基礎(chǔ)，不斷發(fā)展創(chuàng)新觀測平臺及觀測方式是湍流研究的重點方向，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。湍流試驗的主要目的是獲取真實的湍流數(shù)據(jù)，并深入研究湍流運(yùn)動的規(guī)律和特征。目前，湍流能譜和湍動能耗散率( Energy)21是兩個重要的統(tǒng)計參量，主要描述了湍流脈動流場的特征和湍流能量在時間及空間上的變化狀態(tài)。湍流能譜通過與標(biāo)準(zhǔn)的理論譜進(jìn)行比對，來衡量觀測湍流數(shù)據(jù)的質(zhì)量并判斷數(shù)據(jù)的

22、可信度，因此湍流能譜是研究湍流特征中的重要參考量。湍動能耗散率主要描述湍流能量耗散過程中的能量演變規(guī)律，它的量級越低代表儀器觀測的數(shù)據(jù)越好、儀器的精度越高。此外，湍流數(shù)據(jù)觀測過程中的噪音信號會在一定程度上影響耗散率的計算精度，因此湍流信號的噪聲消除問題也是研究湍流特征過程中需要解決的關(guān)鍵性問題22，對提高湍流觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量具有重要作用。綜上所述，人類研究湍流的終極目標(biāo)為正確的預(yù)測湍流，進(jìn)而控制湍流并有效利用湍流，如何研究、控制及預(yù)測湍流已經(jīng)成為專家學(xué)者研究的熱點課題之一。由于湍流的極端復(fù)雜性和隨機(jī)性，統(tǒng)計平均方法、真海實驗、數(shù)值計算與理論分析是重要的研究手段。以湍流真海試驗觀測為基礎(chǔ)，獲取真實

23、數(shù)據(jù)資料為研究湍流特征提供了客觀依據(jù)，逐步完善湍流統(tǒng)計理論，改進(jìn)湍流數(shù)據(jù)處理方法可以極大地加快湍流研究的發(fā)展進(jìn)程，這對研究海洋湍流的運(yùn)動機(jī)理及特征具有重要的理論意義。1.2.2課題的研究意義海洋湍流在認(rèn)知大洋環(huán)流的運(yùn)動機(jī)制、改進(jìn)并完善海洋環(huán)流及氣候模型、研究海洋能量與水體的傳遞機(jī)制、解決人類能源危機(jī)等諸多問題中具有不可替代的作用，與此同時，它也廣泛地影響著海洋生態(tài)系統(tǒng)與水生生物系統(tǒng)的平衡，有助于人類更好地了解全球氣候變化情況。因此，海洋湍流在不同時間及空間尺度上的能量變化規(guī)律和內(nèi)部混合機(jī)制成為海洋科學(xué)中至關(guān)重要的熱點研究領(lǐng)域之一。究其本質(zhì)湍流運(yùn)動其實就是一個大尺度旋渦快速裂變的過程，在這個過程

24、中，湍流通過強(qiáng)化運(yùn)輸熱量和水體中的營養(yǎng)物質(zhì)、沉積物、有機(jī)物等不斷地影響著水生生態(tài)系統(tǒng)，有機(jī)物質(zhì)及運(yùn)輸機(jī)制的變化又會造成環(huán)境的改變，進(jìn)而形成生物物理之間的循環(huán)作用過程。海洋湍流的運(yùn)動不僅影響海洋的活動與海洋氣候的變化，在給人類社會帶來有利方面的同時，也會給人類帶來難以預(yù)料的困擾甚至災(zāi)難。如果人類能夠正確認(rèn)識湍流運(yùn)動狀態(tài)及規(guī)律特征，就能減少弊端并充分利用湍流的優(yōu)勢造福人類社會。正確認(rèn)知海洋湍流不僅能夠幫助人們完善和改進(jìn)海洋環(huán)流和氣候模型，還對認(rèn)知海洋環(huán)流如何運(yùn)動及認(rèn)知海洋生態(tài)環(huán)境和懸浮物質(zhì)的分布具有重要作用23。因此，我們不僅要正確認(rèn)識湍流，還要能夠通過預(yù)測和完善湍流模型揭示深海海洋的物理-生物地

25、球化學(xué)-生態(tài)系統(tǒng)的變化過程以及相互作用機(jī)制，認(rèn)識湍流能量演化機(jī)制對深海大洋環(huán)境影響的時空分布特征及機(jī)理，對預(yù)測深海大洋環(huán)境及氣候變化，掌握海洋資源變動情況等有非常重要的科學(xué)價值。目前，海洋湍流已成為海洋科學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一，而海洋湍流數(shù)據(jù)的測量技術(shù)作為研究湍流的重要手段也不斷引起專家學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究。湍流是一種不穩(wěn)定的、隨機(jī)的、不規(guī)則的流體運(yùn)動，其流動參數(shù)在三維空間內(nèi)時刻發(fā)生不規(guī)則變化，形狀及大小各異的旋渦隨機(jī)分布在流動空間內(nèi)，湍流脈動速度在空間上的隨機(jī)變動會形成較為顯著的梯度變化，在分子粘性力的作用下，這種速度梯度通過分子內(nèi)部不間斷的摩擦運(yùn)動，使得湍流的動能轉(zhuǎn)變成分子運(yùn)動的動能，最終再

26、以熱能的形式耗散完。但是，目前人們尚對湍流混合層的各種物理過程缺乏充分的認(rèn)知，而導(dǎo)致這種情況發(fā)生的主要原因在于：缺乏針對該物理過程的觀測儀器和數(shù)據(jù)處理算法，直接導(dǎo)致無法對這些物理過程進(jìn)行有效地觀測也就缺乏直接的觀測數(shù)據(jù)來驗證海洋湍流的混合機(jī)制。因此，開展基于實測湍流數(shù)據(jù)和算法的研究工作，探究海洋混合層的湍流生成、發(fā)展與演化機(jī)制，實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)驅(qū)動的湍流統(tǒng)計建模與相干結(jié)構(gòu)研究，有重要的理論和應(yīng)用價值。近年來，湍流數(shù)據(jù)處理方法取得長足發(fā)展，產(chǎn)生了多樣化和智能化的處理算法，在真海中獲取大量湍流數(shù)據(jù)資料并采用智能化、精確化的處理方法成為湍流研究的熱點。如何將電子電路板采集的時域內(nèi)的二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成物

27、理信號及剪切信號，并在頻域及波數(shù)域內(nèi)進(jìn)行能譜分析，同時有效識別及濾除觀測過程中產(chǎn)生的干擾信號，是海洋數(shù)據(jù)處理與分析的關(guān)鍵技術(shù)問題。由于噪聲的產(chǎn)生具有隨機(jī)性和不可預(yù)測性，簡單的數(shù)字濾波方法24并不能完全消除噪音，反而將一部分有用信號一并濾除掉，如何根據(jù)不同的湍流觀測試驗平臺及數(shù)據(jù)特點，選擇合適的消噪算法已成為人們研究湍流機(jī)制的難點。湍動能耗散率和能譜作為表征海洋混合層復(fù)雜動力學(xué)的關(guān)鍵參數(shù)，對研究海洋環(huán)流的能量傳遞過程及物理機(jī)制有重要作用。湍流能譜主要描述湍流流場的變化，常用的衡量觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法是檢驗實際觀測譜是否匹配能譜的規(guī)律12以及觀測譜型與標(biāo)準(zhǔn)譜25的擬合程度，湍動能耗散率是表征湍流能量

28、轉(zhuǎn)移與耗散的重要參數(shù)，它代表了湍流脈動在時間及空間上的大小，能譜的質(zhì)量將直接影響湍流耗散率的精度。因此，如何消除噪聲的干擾，提高湍流能譜的質(zhì)量，對后續(xù)研究湍流耗散率及其能量演化機(jī)制起著關(guān)鍵性作用。創(chuàng)新性的提出新的湍流觀測數(shù)據(jù)處理方法對構(gòu)建準(zhǔn)確的數(shù)值模型、預(yù)測海洋變化，甚至推動海洋科學(xué)的發(fā)展有著重要的理論意義。如何有效解決海洋湍流耗散率的觀測與認(rèn)知這一關(guān)鍵科學(xué)問題，針對目前海洋短期湍流觀測存在的問題和制約，研制并提出一種新的海洋湍流觀測平臺與處理算法，實現(xiàn)對海洋混合層垂向空間結(jié)構(gòu)的同步時空湍流通量觀測平臺和算法，獲取湍流混合復(fù)雜動力過程表征的關(guān)鍵參數(shù)，并建模其物理機(jī)制和時空演化規(guī)律，為海洋混合層

29、理論和模式研究提供觀測手段和數(shù)據(jù)支持，是搭建海洋與大氣耦合模式的重要橋梁，對于揭示海洋環(huán)流與循環(huán)過程具有重要的科學(xué)意義。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1海洋湍流傳感器及觀測平臺國外研究現(xiàn)狀由于在物理海洋學(xué)中，會出現(xiàn)各種各樣的空間尺度，因此會讓海洋湍流也會出現(xiàn)各種不同的子域，比方說，耗散子域，慣性子域，以及含能子域等等。子域的不同就會具有不同的能量，相應(yīng)采用的測量原理與設(shè)備就會有所差異。對于其中的耗散子域，會假設(shè)局部湍流的信號都是朝著同一個方向流動的，然后將高頻的剪切流速信號測量出來，進(jìn)而計算得到湍流動能耗散功率值。早在世紀(jì)年代, 等人用熱膜流速計代替早期的鉑制熱阻絲探頭，通過采集與儀器運(yùn)動方向平

30、行的速度脈動參量來獲得湍流信息，但這種熱膜探頭極易受到溫度的干擾，使得測量的數(shù)據(jù)很不準(zhǔn)確。多倫多大學(xué)的和最早提出采用翼型剪切流探頭()的構(gòu)想，年，首次對剪切傳感器進(jìn)行了改進(jìn)，并將其應(yīng)用于流體測量。年，由奧斯本() 26首次將翼型剪切探頭應(yīng)用到微尺度海洋湍流觀測中，從此以后，剪切探頭成為測量耗散子域下湍流耗散率的最常用傳感器，但是此時剪切探頭沒有準(zhǔn)確的標(biāo)定準(zhǔn)則。在年， 和等人4應(yīng)用翼型剪切探頭進(jìn)行海洋測量，并首次給出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)工作原理及校準(zhǔn)、標(biāo)定方法，是的對海洋湍流的觀測變的更準(zhǔn)確，翼型剪切探頭開始被廣泛地應(yīng)用于海洋湍流的測量中。兩年后，奧基()等人5首次同時利用剪切流數(shù)據(jù)和溫度梯度數(shù)據(jù)計算海洋

31、湍流能量耗散率，比較了兩種探頭觀測數(shù)據(jù)的一致性，并對誤差產(chǎn)生的原因及平均運(yùn)動速度進(jìn)行了定量分析，主要包括剪切探針頻率響應(yīng)誤差、電路采集誤差、標(biāo)定誤差和振動噪聲誤差等。世紀(jì)末，和 27,28通過改進(jìn)傳感器的耐水性來延長傳感器的水下測量時間，為實現(xiàn)長期連續(xù)觀測提供了條件，他們還探討了剪切探頭測量湍流的不確定性，然后利用與理論譜間的校驗總結(jié)了一套估算偏差的新方法。隨后和29 在年提出了剪切探頭的空間相應(yīng)模型，大大降低了剪切探頭在測量湍流動能耗散率時數(shù)值偏小的問題。德國公司生產(chǎn)的系列傳感器和加拿大 公司研制的系列傳感器，是目前最成熟也是最具代表性的兩類傳感器，被國內(nèi)外眾多研究機(jī)廣泛使用。國際上常用的湍

32、流傳感器大致分為如下幾類（圖1-2）：加拿大海洋研究所()的等人30研制的剪切流傳感器；美國俄勒岡州立大學(xué)()的等人31研制的剪切流傳感器，其直徑約為，靈敏度為；德國公司()的 32研制的系列剪切流傳感器，以翼型傳感器為例，它的直徑為，靈敏度約為1´10-4V/Pa；加拿大 公司研制的系列傳感器，其直徑為，靈敏度為。基于以上剪切流傳感器開發(fā)了不同的觀測平臺33-35，用于海洋湍流的觀測試驗。圖1-2國外常用的剪切流傳感器圖湍流觀測儀器的研制最早可追溯到20世紀(jì)中葉，由于測量平臺在深海海洋中運(yùn)動軌跡以及平臺測量方式的不同36，湍流觀測平臺大致可分為：水平觀測平臺、垂直觀測平臺、移動觀測

33、平臺和錨系觀測平臺48四大類。水平觀測平臺技術(shù)水平觀測平臺是以海中的運(yùn)行軌跡為準(zhǔn)水平的觀測平臺，又稱為水平剖面儀()。水平觀測平臺主要分為：拖曳式平臺()37、潛水艇式平臺()38,39和潛水器式平臺()40等。海洋微尺度觀測技術(shù)最早始于上世紀(jì)中葉，是由格蘭特()等人領(lǐng)導(dǎo)的實驗小組在加拿大太平洋海軍實驗室()開展海洋湍流測量的。起初水平測量平臺是一種海洋中緩慢運(yùn)動的拖帶模式()(圖1-3)，后來格蘭特等人對熱膜傳感器進(jìn)行了改進(jìn)。年，實驗室41中斷了拖曳式的測量實驗，并將實驗設(shè)備轉(zhuǎn)讓給了加拿大海洋科學(xué)研究所，、等人接棒研發(fā)將原設(shè)備改進(jìn)成為一種新型的流線型拖曳體。整個湍流觀測平臺新增了運(yùn)動補(bǔ)償絞車

34、線纜和整流罩，極大地減小了因船體運(yùn)動而導(dǎo)致的拖體設(shè)備深度變化，拖帶模式取得了一定的成果，奠定了海洋湍流觀測技術(shù)的基礎(chǔ)。利用拖曳式測量平臺在近海岸觀測到了三個脈動速度相對較大但是海洋環(huán)境溫度相對變化較小的湍流序列，由于這幾組數(shù)據(jù)序列幾乎不受周圍環(huán)境溫度的影響，后來成為人們用于衡量其他譜型的標(biāo)準(zhǔn)，即標(biāo)準(zhǔn)譜。通過研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)湍流在垂直剖面上具有間歇性特點，間歇性分布的尺度大小為到之間，為空間上的間歇性分布特征提供了有效證明。由于拖帶模式的觀測儀器采用熱膜風(fēng)速計探頭并由船舶牽引來測量湍流，船體的不穩(wěn)定性會直接影響測量探頭在水下的速度，試驗儀器自身的振動會影響測量數(shù)據(jù)的精度，而測量探頭又易受海水溫度、環(huán)

35、境及浮游生物附著等因素的影響而產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾信號。因此，為解決上述問題，和等人在后續(xù)的研究中用剪切探頭代替了之前的熱線熱膜傳感器42。在年前后，拖曳式的海洋湍流觀測儀器在加拿大、美國等國家得到了快速發(fā)展，解決了測量溫度的污染和機(jī)械振動問題。圖1-3水平拖曳模式觀測平臺與第二代拖曳體觀測平臺年，和等人43對長線拖體技術(shù)進(jìn)行了新的改進(jìn)，研發(fā)出第二代拖曳體測量平臺(,) (圖 1-3)，平臺主體上下使用兩個桅桿來代替原有的長線，將和溫度傳感器置于中間體與上下兩個桅桿之間，用重物懸掛在下桅桿的底部，以此加強(qiáng)儀器俯仰角的穩(wěn)定性。和等人44在平臺上同時搭載了熱敏電阻和剪切探頭傳感器，同時對快速溫度和垂向剪

36、切脈動速度進(jìn)行測量，這種海洋湍流水平觀測系統(tǒng)至今仍有廣泛使用。水平觀測平臺技術(shù)的主要缺點是實驗儀器在湍流觀測時的穩(wěn)定性較差，容易受到船體的晃動和儀器自身的振動影響而產(chǎn)生干擾噪音，影響實際觀測到的湍流數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度。由于拖曳式湍流觀測平臺的局限性，目前該平臺已逐漸退出歷史舞臺。垂直觀測平臺技術(shù)海洋儀器的運(yùn)動軌跡是基于單點的垂向剖面觀測的平臺為稱為垂直觀測平臺，即垂直剖面儀()。剪切探頭的軸線方向垂直于海平面，用于記錄水平方向脈動流速的垂向剪切，進(jìn)而獲取垂直方向的微尺度湍流速度梯度譜和波數(shù)譜，剖析湍流混合過程及微結(jié)構(gòu)的空間尺度特征。這種剖面儀通常是長圓筒形且表面光滑，傳感器安裝在不受干擾的壓力倉前

37、端，采取自由落體形式或準(zhǔn)自由下落的布放方式，從而讓剖面儀與部署的平臺完全分離。除了一些基礎(chǔ)的配置外，由于估算湍動能耗散率時需要用到儀器的下放速度，因此需要配載壓力傳感器，用獲取的深度數(shù)據(jù)來計算下放速度，儀器的下放速度一般要控制在之間。早在上世紀(jì)后期，半自由落體和自由落體湍流觀測平臺的出現(xiàn)成功解決了水平拖曳體受船舶和儀器自身振動產(chǎn)生的噪音污染問題，而且翼型剪切探頭的使用減小了受海水溫度的影響。年，由加拿大哥倫比亞大學(xué)的奧斯本() 45研制出第一臺搭載翼型剪切探頭的垂直剖面儀，隨后美國、加拿大、日本、歐洲等國家也陸續(xù)研制出垂向系列的剖面儀。如圖1-4所示：加拿大公司的 ()系列等；美國第一臺微觀結(jié)

38、構(gòu)湍流剖面儀 ()46,47、伍茲霍爾海洋研究所研制的高分辨率剖面儀HRP ()50等；日本研發(fā)圖1-4 各國研制的垂向剖面儀的海洋湍流微觀剖析儀器系列52等；歐洲國家英國的第一臺海洋溫度與剪切同步觀測的混合剖面儀 ( )53、德國的系列剖面儀 54和垂向微尺度剖面儀等。目前，國際上比較著名的微尺度垂直剖面儀研制機(jī)構(gòu)具體包括：海洋研究所、加拿大海洋技術(shù)公司、歐洲的和公司和日本的公司。其中，加拿大海洋技術(shù)公司研制的系列是較為成熟的垂直湍流儀，該公司根據(jù)不同的觀測參數(shù)需求研發(fā)了一系列不同深度級別的產(chǎn)品, 如、 (圖1-5)。每種剖面儀的基本配置有剪切探頭和快速溫度傳感器、壓力傳感器及加速度傳感器等

39、，另外，可以根據(jù)觀測環(huán)境決定是否搭載微結(jié)構(gòu)溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器、電導(dǎo)率及濁度傳感器等海洋傳感器，該系列剖面儀的主要指標(biāo)如下：表1-1 VMP系列剖面儀主要指標(biāo)型號長度重量最高采樣頻率最大下潛深度耗散率范圍數(shù)據(jù)讀取方式實時實時實時自容實時圖1-5 加拿大Rockland公司VMP系列剖面儀目前，湍流觀測平臺中應(yīng)用最廣泛的是垂直剖面儀，其優(yōu)勢在于平臺具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，缺點是測量的范圍較單一、僅限于垂向、測量方式依賴船體時間。移動觀測平臺所謂移動觀測方式是將湍流剖面儀搭載在可移動的水下航行器平臺上進(jìn)行湍流的測量，如水下滑翔機(jī)()55和自治式水下機(jī)器人()等56。滑翔機(jī)攜帶式()測量平臺(如圖1-

40、6)將剪切探頭等傳感器安裝在滑翔機(jī)的頭部位置，滑翔器上浮下潛時剪切探頭進(jìn)行測量水平和垂直方向的剪切。年，第一臺用于測量微尺度結(jié)構(gòu)湍流的被啟用，該的鼻端搭載了兩個剪切探頭、一個快速溫度探頭以及三維振動姿態(tài)傳感器，前兩者用于海洋湍流脈動信號的觀測，后者用于測量平臺的水下運(yùn)動姿態(tài)及儀器自身振動加速度數(shù)據(jù)。移動平臺的優(yōu)點是數(shù)據(jù)不僅限于單一深度，可同時測得湍流的空間分布數(shù)據(jù)。缺點是觀測平臺受限于船時海況的影響，布放回收過程比較困難，需專業(yè)的工作人員操作，只能進(jìn)行短期的數(shù)據(jù)測量。錨系潛標(biāo)觀測平臺圖1-6 移動觀測平臺和定點觀測平臺比較典型的錨系觀測平臺是定點湍流觀測系統(tǒng)(如圖1-6)，用纜繩將湍流儀、海流

41、計、重力錨等連接在一起，觀測深海某一固定深度處(定點)的湍流。1997年，等人通過多年的研究，成功研制出了一套潛標(biāo)系統(tǒng)，并在后來的實際應(yīng)用中也被證明了該系統(tǒng)是能夠長期對湍流進(jìn)行自主測量的。該種測量方式的優(yōu)點是不受船時、海況及操作人員的限制，可進(jìn)行長期連續(xù)的大范圍湍流觀測，耗費(fèi)成本較小。缺點是測量數(shù)據(jù)較為單一；回收布放過程比較繁瑣；當(dāng)流體流經(jīng)纜繩時會形成卡門渦街現(xiàn)象，即旋渦的脫落會引起纜繩的振動，間接引起剪切探頭的振動，從而破壞了湍流觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。1.3.2海洋湍流傳感器及觀測平臺國內(nèi)研究現(xiàn)狀微尺度湍流儀在國外的研制與應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，國外湍流儀經(jīng)過多年發(fā)成已經(jīng)相對成熟，但對我國實施技術(shù)封鎖

42、且售價高昂。目前，我國在海洋湍流觀測領(lǐng)域還處于起步發(fā)展階段，在傳感器的制造工藝技術(shù)方面相對缺乏經(jīng)驗，大部分湍流觀測儀器上都采用國外的剪切探頭。國內(nèi)相關(guān)科研院所、高校大多引進(jìn)國外的相關(guān)儀器，進(jìn)行海洋湍流測量并對海洋湍流儀器的數(shù)據(jù)處理算法開展相關(guān)研究。進(jìn)入世紀(jì)后，我國開始對翼型剪切流傳感器及其搭載儀器進(jìn)行研究。2007年，天津大學(xué)率先展開研究，基于壓電陶瓷設(shè)計自主研發(fā)了具有國際水平的微尺度結(jié)構(gòu)剪切流傳感器樣機(jī)()57 (如圖1-7)，最后也選擇在中國南海開展相關(guān)的實驗，其實驗結(jié)果表明我國研制剪切探頭的水平已基本達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)(表1-2所示)；近年來，我國在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃的支持下相繼開始研制湍

43、流剖面儀。天津大學(xué)最早于年開展對湍流儀的研究，通過多年的研究，他們終于成功研制出了一套湍流傳感器和垂直剖面儀的工程樣機(jī)58 (圖1-8)，在此基礎(chǔ)上做了大量理論研究對儀器進(jìn)行多次優(yōu)化，目前已成功研制出第三代微尺度湍流儀，通過搭載自己研發(fā)的剪切流傳感器59,60和國外系列傳感器在中國南海進(jìn)行了比對實驗。中國科學(xué)院海洋研究所在國家“”計劃的支持下，也逐步研制出一套能夠搭載快速溫度傳感器的，具有對高頻溫度信號進(jìn)行探測的工程實驗機(jī)，該實驗機(jī)在年開展了具體的海洋試驗，結(jié)果成功獲得了大量的海洋湍流關(guān)于溫度脈動的數(shù)據(jù)信息，通過開展與日本同步的觀測實驗證明自制儀器與的采集結(jié)果非常統(tǒng)一，這表明我國研制的樣機(jī)能夠

44、有效地測得快速溫度信號，在快速溫度傳感器的研制方面取得了初步成功；表1-2 國內(nèi)外湍流傳感器對比機(jī)構(gòu)名稱傳感器型號點分辨率靈敏度加拿大公司 德國公司天津大學(xué)圖17 剪切傳感器圖1-8 國產(chǎn)湍流剖面儀年，中國海洋大學(xué)自主研制了基于潛標(biāo)系統(tǒng)的定點湍流觀測儀器，并搭載國外進(jìn)口的系列湍流傳感器在中國南海海域開展湍流現(xiàn)場觀測試驗，在國際上首次成功獲取了長達(dá)天的長期連續(xù)定點湍流觀測數(shù)據(jù)61，為海洋湍流的研究人員提供龐大的數(shù)據(jù)資料。隨后，中國海洋大學(xué)結(jié)合定點湍流觀測平臺和垂向剖面儀的優(yōu)點，研制了一種基于浮力驅(qū)動機(jī)制的自治測量方錨系平臺往復(fù)式剖面儀48(圖1-8)，并成功將其試用于南海試驗觀測中。在已有研究成

45、果的基礎(chǔ)上，根據(jù)湍流觀測需要又研發(fā)了新一代自由下放式剖面儀(Free Fall Vertical Profiler, FFVP) (圖1-9)湍流觀測平臺，該儀器根據(jù)實際需要進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)，在滿足性能要求的同時降低了制造成本，并成功完成多次海試試驗。圖1-9 中國海洋大學(xué)自由下放式剖面儀綜合分析湍流傳感器及觀測技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，我國在研制湍流觀測儀器和研究海洋湍流混合機(jī)制等方面仍處于起步階段，較國外先進(jìn)的儀器還存在很大差距，海洋湍流相關(guān)理論的研究還有待進(jìn)一步完善。隨著湍流觀測技術(shù)的不斷進(jìn)步及全球海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我們需要不斷自主研制海洋湍流儀器，打破國外對我國在這方面長期持久的技術(shù)

46、封鎖局面，對推動我國在海洋湍流測量儀器研制方面的進(jìn)展有著深遠(yuǎn)的影響。1.3.3湍流數(shù)據(jù)處理算法研究現(xiàn)狀隨著湍流觀測技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對湍流理論的了解不斷深入。由于海洋湍流是一種不規(guī)則的三維流體運(yùn)動，很難正確有效地進(jìn)行模擬，相關(guān)研究只能依賴湍流觀測儀器在海試中采集的數(shù)據(jù)，因此，一種有效的湍流數(shù)據(jù)處理算法對海洋湍流的研究至關(guān)重要，這也是深入研究湍流內(nèi)部機(jī)理及規(guī)律的基礎(chǔ)。然而，由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性及多變性，湍流脈動信號在采集、量化和傳輸?shù)倪^程中不可避免地受到深海浮游生物以及船舶或儀器的振動、旋渦脫落等多種因素的影響，觀測的剪切流脈動信號因噪音的干擾而精度降低，特別是在脈動速度相對較小的湍流信號中,

47、 噪聲的干擾會嚴(yán)重影響觀測的信號，如何正確有效地消除噪聲信號，提高采集數(shù)據(jù)的信噪比，成為國內(nèi)外專家學(xué)者爭相研究的熱點問題。近年來，為盡可能地消除湍流觀測時產(chǎn)生的噪音信號，國內(nèi)外學(xué)者提出了算法應(yīng)用于湍流信號的消噪中。比較常見的湍流信號消噪算法有：傅里葉變換消噪法、數(shù)字濾波器法、小波變換消噪法、交叉譜修正方法等。傅里葉變換消噪算法傅里葉變換消噪算法62,63的基本思想是對原始含噪信號作傅里葉變換后，用低通或帶通濾波器濾除噪聲頻率，再用傅里葉逆變換恢復(fù)原始信號。但是傅里葉變換的局限性非常大，很難將頻域較寬的噪聲信號從混合信號中高效地抽離出來，只能消除固定頻率的噪音，而現(xiàn)實生活中的大部分噪音的頻率是很

48、難預(yù)先估測的，因此傅里葉變換更多的應(yīng)用于頻譜分析中。數(shù)字濾波器法根據(jù)頻域特性數(shù)字濾波器24,64一般可以分為四種類型；低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器及帶阻濾波器。由于湍流的噪聲信號是隨機(jī)的、無法預(yù)知的，傳感器的機(jī)械共振造成的部分窄頻尖峰可利用帶阻濾波器來濾除。數(shù)字濾波器算法實現(xiàn)起來比較容易，而且具有比較高的可靠性，但會消耗單片機(jī)的資源，導(dǎo)致它的使用具有一定的局限性。小波變換消噪法基于小波變換消噪算法67,68是一種非平穩(wěn)信號處理的工具，其基本原理是建立在原始信號與噪音信號的小波系數(shù)具有不同尺度特性基礎(chǔ)上的，通過不同頻帶上的小波系數(shù)來區(qū)分噪聲信號，根據(jù)信號特征選擇合適的小波基函數(shù)，去除與殘留

49、噪聲的小波系數(shù)，將處理之后的的小波系數(shù)重新構(gòu)造出消噪后的信號，從而達(dá)到消噪目的。彼拉()等人69將小波消噪算法應(yīng)用于微尺度溫度數(shù)據(jù)的消噪問題中，小波的多尺度特性在70尺度下的湍流中是特別有效的?；谛〔夹g(shù)的分析算法既可以獲得信號的空間多尺度特性及特定尺度下的有效數(shù)據(jù)71，又可有效消除噪聲的污染。但是，小波技術(shù)在選取和構(gòu)造基函數(shù)時特別困難，而且缺乏一定的自適應(yīng)特性。因此，張斌等人72提出了一種改進(jìn)的小波閾值消噪算法，通過小波能量熵來自適應(yīng)選取閾值，仿真實驗及真實湍流信號表明改進(jìn)的算法具有自適應(yīng)選取閾值、連續(xù)性好、偏差小等特點，彌補(bǔ)了現(xiàn)有小波閾值算法的不足。由于湍流環(huán)境的極端復(fù)雜性，基于小波變換

50、技術(shù)的消噪算法在湍流信號處理的應(yīng)用中仍需進(jìn)一步改善及優(yōu)化。交叉譜修正方法1999年，Levine和Lueck等人73提出一維交叉譜消噪算法，這種算法只考慮一個軸方向的振動來消除噪音。于2006年，和等人74對算法進(jìn)行了改進(jìn)，用三軸方向的振動代替一維方向的振動，充分利用了三軸加速度的振動特點，提高算法的性能。他們利用自主水下航行器 ()進(jìn)行湍流觀測試驗，通過數(shù)值積分法計算剪切與三維振動信號的自功率譜和互功率譜，得到振動信號轉(zhuǎn)換到剪切的傳遞函數(shù)，從而實現(xiàn)噪聲的有效消除。和 75將這種算法應(yīng)用到熱敏電阻觀測的快速溫度脈動梯度信號的消噪中，結(jié)果表明消噪效果明顯。基于交叉譜的運(yùn)動補(bǔ)償消噪算法在海洋動力學(xué)

51、中得到了廣泛的應(yīng)用，因其消噪效果顯著且算法簡單易實現(xiàn)的特點，現(xiàn)已被許多學(xué)者應(yīng)用到湍流信號的消噪問題中。雖說湍流運(yùn)動是一種運(yùn)動速度及不規(guī)則的運(yùn)動，可是由于統(tǒng)計得到的湍流能譜信息具有隨機(jī)的特點，因此湍流能譜會具有某種統(tǒng)計學(xué)的規(guī)律，而在研究湍流能譜的過程中，其研究的重心主要是放在對能量空間上的特征分布，以及能譜標(biāo)度規(guī)律上的研究，這也為后來對湍流統(tǒng)計理論的系統(tǒng)研究打下了堅實的基礎(chǔ)。國外的很多科學(xué)家曾經(jīng)對自變量為波數(shù)的湍流能譜展開過大量的研究，尤其是通過研究湍流的各向上的同性特征，得到了多種不同形式下的湍流能譜數(shù)據(jù)，其意義重大。在年，泰勒() 49通過研究指出，對各項同性的湍流進(jìn)行均勻處理，然后采用拉格

52、朗日與歐拉相關(guān)理論描述了湍流的脈動場，以及湍流的具體擴(kuò)散能力，這也進(jìn)一步推動了湍流統(tǒng)計理論的深入發(fā)展。到了年, 柯爾莫哥洛夫()根據(jù)相關(guān)的物理模型進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了12，湍流能耗散率的內(nèi)尺度參數(shù)與時間、尺度沒有關(guān)系，不隨之變化而改變，是一個固定的常數(shù)，與尺度譜中的湍流能量流是基本上相等的。另外，他們還得出了一個結(jié)論，即湍能動能耗散率在相應(yīng)的慣性子域中，會唯一對湍渦的統(tǒng)計結(jié)構(gòu)起到?jīng)Q定性作用，于是就能認(rèn)定，中等尺度的湍流能譜同波數(shù)，它的次會與湍能動能耗散率正相關(guān)，這就是大家所熟知的慣性區(qū)次能譜冪次標(biāo)度規(guī)律。當(dāng)旋渦運(yùn)動尺度不同時，也就是波數(shù)不一樣時，它的湍流能量轉(zhuǎn)移速率也會有所差異，可是到了中等尺

53、度范圍時，這個湍流能量的轉(zhuǎn)移速率就會變成一個固定的常數(shù)值。上述的研究成果也算得上是上個世紀(jì)的兩個相當(dāng)偉大的發(fā)現(xiàn)了，這兩個理論成果也是后來科學(xué)家們研究湍流能譜的一個基礎(chǔ)。在年時，彼拉()等人69在研究中使用小波識別技術(shù)對湍流的尺度進(jìn)行計算，得到了與譜51，分別和譜25進(jìn)行對比，將得到的結(jié)果當(dāng)做是對耗散率進(jìn)行計算的一個普適性的標(biāo)準(zhǔn)。通過采用溫度微結(jié)構(gòu)儀來對湍流信號進(jìn)行采集，此時可以使用溫度譜65對耗散率進(jìn)行計算，基本上已經(jīng)將譜的使用給替代了66。上述的大部分研究都是建立在湍流普的普適性規(guī)律基礎(chǔ)上展開的，未來以研究能譜的湍流噪聲為基礎(chǔ)去對湍流能譜進(jìn)行深入研究將是一個大的趨勢。綜上所述，湍流信號的噪音

54、消除問題一直是海洋動力學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注的研究熱點，尤其是對于真海實測數(shù)據(jù)。由于在采集、傳輸過程中難免摻雜噪聲信號，這種噪音會干擾后續(xù)處理與分析湍流的真實特征。傳統(tǒng)的湍流消噪方法大部分是基于傳統(tǒng)分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的，在消除噪聲信號的同時也會消除部分有用信號，而且去噪效果也不是十分理想仍然會遺留部分具有較強(qiáng)能量的噪聲。因此，如何消除背景噪聲信號，盡可能地還原出干凈的原始信號，是研究湍流特征的關(guān)鍵因素。本文將利用分?jǐn)?shù)階理論在處理非平穩(wěn)、非線性信號方面的優(yōu)勢，結(jié)合海洋環(huán)境中采集的湍流信號及噪音的來源特點，提出了具有自主創(chuàng)新性的湍流數(shù)據(jù)分析新方法和消噪新算法。1.4論文的內(nèi)容與結(jié)構(gòu)1.4.1 主要研究內(nèi)容本

55、文以實際觀測的微尺度海洋剪切脈動數(shù)據(jù)為處理對象，針對海洋湍流觀測的關(guān)鍵技術(shù)及數(shù)據(jù)處理流程中的關(guān)鍵問題，利用自制的湍流觀測平臺提出了一種有效湍流觀測方式，并利用分?jǐn)?shù)階原理提出了一種新的分析湍流機(jī)理特征的方法，最后針對垂向湍流觀測平臺中的渦致振動噪音提出了一種新的消噪算法。本論文的主要研究內(nèi)容如下：基于自容式存儲系統(tǒng)的下放式剖面儀設(shè)計與研究本文提出一種自主研發(fā)的自由下放式剖面儀(Free Fall Vertical Profiler, FFVP)湍流觀測平臺，其設(shè)計思想是充分利用垂向觀測方式的空間廣泛性優(yōu)勢，采用自容式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研發(fā)一種適用于深海湍流觀測的低成本湍流觀測平臺。通過建立下潛過程動力

56、學(xué)模型方程，分析影響下潛速度的力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，在理論計算結(jié)果基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的結(jié)構(gòu)配置，明確調(diào)節(jié)下潛速度的方法，并計算該結(jié)構(gòu)下的各力學(xué)參數(shù)，對結(jié)構(gòu)的擺動、姿態(tài)進(jìn)行了分析。確定該結(jié)構(gòu)下湍流儀的擺動頻率，及擺動幅值衰減特性。分析下潛速度、重浮心距離對下潛姿態(tài)的影響，。通過簡化模型，進(jìn)行流致振動分析，得出在水平水流沖擊下儀器的擺動特性。基于下放式剖面儀的湍流觀測技術(shù)及消噪算法海洋湍流的觀測對認(rèn)知海洋混合過程有重要作用，但是實際觀測的微尺度剪切時間序列是非平穩(wěn)的且很容易受到各種噪音的污染。針對自主研制的下放式剖面儀進(jìn)行海洋湍流觀測中平臺下潛速度、姿態(tài)和振動的分析，有效證明了平臺的有效性。為進(jìn)一步消

57、除儀器振動噪音，提高湍動能耗散率的精度，本文提出利用基于交叉譜的運(yùn)動補(bǔ)償校正算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲修正濾除，修正后的剪切譜與標(biāo)準(zhǔn)的Nasmyth譜吻合較好，且耗散率比原始耗散率明顯降低了。實驗結(jié)果表明，F(xiàn)FVP觀測平臺是一個穩(wěn)定的觀測平臺，為觀測湍流提供了新的平臺。基于分?jǐn)?shù)階理論的湍流功率譜分析算法在基于分?jǐn)?shù)階理論的基礎(chǔ)上，對湍流數(shù)據(jù)的功率譜進(jìn)行了探索性的分析。盡管湍流的流體運(yùn)動非常復(fù)雜，呈現(xiàn)的是一種三維非定常模式，可是因為它的隨機(jī)性，使得其在運(yùn)動中又有某種內(nèi)在的統(tǒng)計規(guī)律。本節(jié)是在分?jǐn)?shù)維的空間中展開對湍流特性的研究，然后得到其能譜圖，進(jìn)行分析，并充分考慮湍流本身的規(guī)則性以及隨機(jī)性。首先，對湍流的分

58、形特征進(jìn)行說明，然后對分?jǐn)?shù)維空間內(nèi)的湍流擁有的湍流功率譜的公式形式推導(dǎo)出來，并以此為基礎(chǔ)，研究一種新方法，展開研究如何利用分?jǐn)?shù)維數(shù)來獲得湍流功率譜，并利用自由下放式剖面儀在西太平洋采集的數(shù)據(jù)與原功率譜進(jìn)行比對，驗證新方法的有效性?；诜?jǐn)?shù)階濾波器的湍流信號消噪算法觀測的高精度湍流數(shù)據(jù)集對研究海洋循環(huán)系統(tǒng)起著重要作用。為消除觀測信號中的平臺振動及渦致振動污染，本文提出一種基于分?jǐn)?shù)階濾波的消噪算法。首先，我們在對振動信號的發(fā)生進(jìn)行分析時，并確定剪切信號同加速度之間的關(guān)聯(lián)性，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)而提出一種基于分?jǐn)?shù)階濾波器的湍流信號消噪算法，采用最小化觀測技術(shù)計算出全部信號的加權(quán)平均加速度積分差值，于是就能大致估計得到振動信號的最優(yōu)形式，并設(shè)法消除該信號。本文采用自由下放式湍流觀測平臺在西太平洋海域觀測的數(shù)據(jù)對算法進(jìn)行驗證，并與經(jīng)典交叉