海底水体耗氧过程建模及原位培养装置的研究

摘要

国际上对海底水体溶解氧消耗过程的原位培养观测研究已经开展了三十多年，而国内对海水中有机质耗氧过程的观测,大多局限于实验室模拟培养实验，尚缺乏进行现场培养实验的手段。为此，自主研发了一种海底水体溶解氧消耗过程原位培养装置。该装置集成了包括电子控制模块、电机、培养容器与海水测量传感器等在内的电控处理模块和机械结构框架于一体，并讨论了其电控处理模块的详细设计，给出了实物样机在象山港海域所进行的性能测试结果，对采集的数据进行了分析和建模。结果表明：设计的现场培养装置具备对海底水体的溶解氧耗氧过程进行现场培养和观测的功能，对于国内开展底层水体缺氧区观测和了解当地生态环境状况具有重要意义。本文的主要工作和成果如下：
　　1.基于面临的缺少现场实验平台的问题，提出了一套原位培养装置的设计思路和要求，并在整体要求框架的基础上，细化了每部分的功能要求。
　　2.设计中涉及到密封性要求、耐腐性要求、耗氧要求，需要考虑各个部分的材料和强度计算。
　　3.在分析了步进电机运动控制系统的基础上，完成了对两相混合式步进电机的硬件电路设计，以恩智浦的LPC1125芯片作为微处理器，详细介绍了系统主要模块的电路设计思路和方案。
　　4.基于电机控制的硬件系统，完成了系统的软件设计。
　　5.应用本文设计的原位培养装置，在象山港潮滩海域进行了测试，验证了实验装置的可靠性，测试结果达到了预期的效果。
　　6.针对海洋溶解氧等数据的特点，分析了时间序列模型的方法及在海洋环境中的应用，对溶解氧数值建立时间序列模型，采用季节模型预测溶解氧的变化趋势。

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符号说明

第1章 绪 论

1.1 课题背景、意义与研究目的

1.2 国内外对原位培养的研究现状及未来发展

1.3 国内外时间序列研究的现状

1.4 课题来源和本文主要研究工作

第2章 近海底层溶解氧时间序列预测模型研究

2.1 引言

2.2 季节模型结构

2.3 季节模型的特性分析

2.4 溶解氧序列的ARMA季节模型的识别与建立

2.5 本章小结

第3章 原位培养装置外围机械系统方案设计

3.1 引言

3.2 原位培养装置设计要求

3.3 海底水体耗氧过程原位培养装置外围机械结构设计

3.4 水样采集装置

3.5 步进电机和直流电机的选型

3.6 本章小结

第4章 原位培养装置控制系统硬件和软件方案设计

4.1 引言

4.2 原位培养装置控制系统硬件电路设计

4.3 原位培养装置控制系统软件设计

4.4 本章小结

第5章 原位培养装置性能分析及数据处理

5.1 引言

5.2 原位培养装置性能测试

5.3 底层水体溶解氧数据季节模型的实施

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

附录A

附录B

附录C

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果