基于水下滑翔机的海洋微结构湍流观测技术研究

摘要

海洋作为地球上最庞大的生态系统，其中存在无数个尺度大小不一的运动。海洋中大部分能量由大尺度运动向小尺度运动扩散，最终通过湍流混合的方式耗散掉。海洋湍流促进了海水中溶解物和颗粒物的扩散，对温度、盐度等有重要影响。与此同时，海洋湍流还与大气学、声学以及沉积学等科研领域有密切关系。因此，研究海洋湍流对了解海洋内部运行机制以及其他与海洋相关的领域有重要意义。 海洋湍流近些年逐渐成为海洋学家研究的重点，但由于受到湍流观测技术的限制，研究进展较慢。作为一种新型的水下无人潜航器，水下滑翔机具有能耗低、时序长、潜航深等特点，将其作为湍流观测搭载平台，可实现长时间、不间断、大范围的海洋湍流观测。 本文针对基于水下滑翔机的海洋微结构观测技术问题做如下工作。首先，结合MicroRider的工作原理与滑翔机运动特性，对MicoRider与滑翔机的空间布局进行设计，并通过CFD仿真，从理论上分析MicoRider不同安装位置对湍流数据质量的影响，进而确定其最佳安装位置。其次，建立了湍流观测型水下滑翔机运动学方程，分析了纵平面内滑翔机速度、攻角和俯仰角之间的关系。再次，考虑到滑翔机等外界因素的振动对湍流数据的影响，采用傅里叶变换和小波变换算法处理湍流信号。针对傅里叶变换和小波变换在湍流信号中去噪效果差与分辨率低等不足，提出了基于小波变换的匹配追踪法算法，提高了海洋微结构湍流的观测精度。最后通过海试实验，验证湍流观测型滑翔机的动力学模型及海洋微结构湍流数据处理方法的正确性。 本文主要研究成果为： 1.结合湍流仪的工作原理，采用CFD方法分析了MicroRider安装位置对湍流数据质量的影响。通过建立湍流观测型滑翔机在纵平面内的运动学方程，分析了滑翔机速度、攻角和俯仰角之间的关系，通过海试实验数据分析，得到了“海燕”水下滑翔机适合湍流观测的最佳攻角和最佳垂直速度。 2.针对傅里叶变换和小波变换算法在处理湍流信号中去噪效果差、分辨率低的问题，提出了基于小波变换的匹配追踪算法，经过对模拟信号与真实信号的处理，验证了该方法的正确性，弥补了前两者的不足。 3.首次利用基于水下滑翔机的湍流观测平台在黑潮附近进行湍流观测实验，实验共得到19个连续剖面的湍流分布情况，为海洋学家们研究黑潮提供了丰富的湍流数据。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1引言

1.2海洋微结构湍流观测技术研究现状

1.2.1垂直剖面仪研究现状

1.2.2基于潜标湍流观测平台研究现状

1.2.3基于水下滑翔机湍流观测平台研究现状

1.3海洋微结构湍流数据处理技术研究现状

1.4本文研究目的与意义

1.5本文研究的主要内容

第二章 湍流仪工作原理及滑翔机运动分析

2.1引言

2.2湍流仪工作原理

2.2.1湍流信号的特征

2.2.2剪切流探头工作约束

2.2.3湍动能耗散率的计算

2.2.4噪声信号的来源

2.3 MicroRider安装位置对湍流数据影响分析

2.3.1计算三维模型设定

2.3.2计算区域以及边界条件

2.3.3不同安装位置对湍流数据影响分析

2.4滑翔机运动参数对湍流数据影响分析

2.4.1纵平面内动力学建模

2.4.2纵平面内滑翔机运动分析

2.4.3不同运动参数下海试湍流数据结果分析

2.5小结

第三章 海洋微结构湍流信号处理方法研究

3.1引言

3.2傅里叶变换原理

3.2.1傅里叶变换的定义

3.2.2傅里叶变换的局限性

3.2.3傅里叶变换的应用

3.2.4傅里叶变换处理湍流信号

3.3小波变换原理

3.3.1小波的定义

3.3.2小波变换

3.3.3小波去噪

3.3.4常见的小波函数

3.3.5小波变换处理湍流信号

3.4傅里叶变换与小波变换对比研究

3.5小结

第四章 基于小波变换的匹配追踪算法研究

4.1引言

4.2匹配追踪算法原理

4.3小波原子库的建立

4.4模拟信号与真实信号处理

4.4.1模拟信号数据处理

4.4.2海试湍流数据处理

4.5三种湍流信号处理方法对比

4.6小结

第五章 滑翔机海试介绍与数据分析

5.1引言

5.2海试实验介绍

5.2.1西太平洋黑潮介绍

5.2.2滑翔机传感器介绍

5.2.3滑翔机海试控制参数设定

5.3滑翔机海试数据分析

5.3.1滑翔机运行稳定性分析

5.3.2滑翔机振动特性分析

5.3.3 CTD温盐深仪数据分析

5.3.4 MicroRider数据分析

5.4小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢