海洋微结构剖面仪数据采集与处理系统研究

摘要

湍流运动是海洋内部动能耗散的主要形式，是产生海洋宏观现象的原动力。观测湍流获取准确的湍流运动数据对分析海洋宏观运动与研究海洋物理学具有重大的意义。海洋微结构剖面仪是观测海洋微结构湍流的重要工具，海洋微结构剖面仪所携带的传感器能方便的探测各种与湍流相关的信号。近年来，剖面仪平台技术的发展极大地推动了包括湍流研究在内的海洋内部混合研究。信号采集与处理系统是微结构剖面仪的重要组成部分，其性能的好坏直接决定了剖面仪观测到湍流数据的准确性。因此，进行湍流数据采集与处理方法的研究进而设计出适合海洋微结构剖面仪使用的高精度信号采集与处理系统，是剖面仪平台开发过程中极为关键的工作。近年来，湍流观测平台技术的研究在世界各国得到了普遍关注，国外许多科研机构进行了相关研究。加拿大、美国等国家先后开发出不同特点的微结构剖面仪，并进行了海域实验。在国内，湍流观测技术的研究起步较晚，相关设备主要依靠进口。因此，开展湍流测量平台的研究，开发出经济实用又准确可靠的湍流信号采集与处理系统，对推动我过海洋观测事业的发展具有重要作用。
　　 本文在研究湍流信号采集与处理理论的基础上，研制了剖面仪信号采集与处理系统。该电路系统具有16位数字精度，能耗低，性能稳定性好，基本满足了海洋微结构剖面仪信号采集与处理的要求。此外，由于湍流观测容易受到不良海况及平台振动等因素的影响，信号中不可避免的会含有噪声。本文研究了湍流信号的去噪机理和方法，提出将小波分析理论应用到湍流信号去噪中。主要研究内容包括：⑴研究了湍流信号预处理理论，在此基础上，设计了湍流信号预处理电路系统。该预处理电路可完成对湍流信号的微分、放大、滤波等功能，为数据的采集和后续分析打下基础。⑵海洋微结构剖面仪可搭载多种传感器。本文分析了不同传感器信号采集的特点，设计了满足所有传感器信号采集要求的高精度信号采集系统。⑶提出将小波分析理论应用于湍流信号去噪过程，研究了小波阈值去噪法对湍流信号去噪的适用性和操作流程。由于湍流信号中的噪声的频带很宽，传统的基于傅立叶变换的滤波方法对其难以取得良好的去噪效果。实验证明，小波阈值去噪法对湍流信号有很好的实用性。⑷进行了剖面仪信号采集与处理系统各模块的功能验证实验，验证了各模块的性能。在此基础上，进行了剖面仪海域实验，使电路系统的整体性能得到了验证。实验证明，本文所设计的剖面仪信号采集与处理系统功能全面、性能稳定可靠，适合用于海洋湍流的观测。