1、基于垂直剖面仪的海洋湍流观测技术及分数阶数据处理算法研究摘 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。正确地认知、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，其研究成果不断地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。海洋湍流数据的获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
2、，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度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，针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观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，为获取广泛的垂向观测数据提供了观测手段。在处理与分析微尺度
3、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，传统噪音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，真实观测到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
4、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，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(Free Fall Vertical Profiler, 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成本湍流观测平台。通过
5、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。分析下潜速度、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，有效证明了平台的有
6、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。
7、首先，对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积
8、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，进而获得具有更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；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 绪论1.1引言海洋是地球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
10、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，海洋对地球系统的生物循环、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容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、生态环境的重要作用，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的探索行列，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
11、蓝色海洋经济的发展战略，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阶段，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：层流、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，称为层流。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
12、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，此时就称为湍流，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，人们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动，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：湍流是一种带有涡旋的不规则的、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
13、化而随机地发生变化，流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“剪切流”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，由于受到实验观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。图1-1湍流漩涡举例年，在观测技术和计算机技术的不断改革发展下， 和
14、4首次提出利用剪切探头传感器来测量湍流脉动量，他详细地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发展奠定了基础。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、海洋科学等都取得显著进步，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。利用先进的计算机技术、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
15、，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发展研究的大趋势。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，还控制着海洋生态整体环境，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数据资料，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
16、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丝万缕的联系。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、轮船在海上的航行过程，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诸多难题，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有随机性，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合统计概率规律的。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
