基于水下滑翔机的海洋微结构测量技术平台研究

【摘要】：海洋微结构湍流是一种重要的海洋现象,是海洋中物质的混合与扩散、能量传递的载体,对海水温盐特性、运动以及海水中的颗粒状物质、溶解状物质的分布等海洋环境具有显著作用。海洋微结构湍流测量是海洋观测技术的研究热点之一。研究湍流的关键在于测量海水剪切流数据,进而获取湍动能耗散率。采用常规的垂直剖面仪测量海水剪切流数据需定点布放、回收,耗时耗力,效率低,成本高。水下滑翔机作为新一代移动式自主海洋观测装备,具有长航时、大范围、不受船时海况影响等优点,为湍流的高效低耗地长期连续观测提供了可能。为此,本文提出以水下滑翔机作为搭载平台,将湍流观测仪与水下滑翔机集成,构建海洋微结构湍流观测平台的技术方案,并对该观测平台进行了研究,为湍流长期连续观测提供了技术手段。本文针对湍流观测仪与水下滑翔机的集成问题,从湍流观测仪的测量原理出发,分析确定湍流观测对滑翔机速度及姿态的要求;建立滑翔机纵垂面动力学模型,通过分析滑翔机运动特性,得到了满足湍流测量要求的运动参数。为减小滑翔机振动噪声对测量的不利影响,利用傅里叶分析方法对滑翔机振动噪声进行了时域和频域分析,提出减振降噪的优化改进措施,并采用Goodman技术对测量数据实现了振动信号的分离,进一步提高了测量精度。研究了基于快速温度传感器的湍动能耗散率计算方法,并采用极大似然估计实现温度梯度波数谱与Batchelor温度谱的匹配;通过对比分析基于快速温度传感器和剪切流传感器的湍动能耗散率计算结果,验证了该方法的正确性。基于上述成果,实现了湍流观测仪与水下滑翔机的集成,并进行了水池实验及海上试验。结果表明,观测平台的各项性能指标达到了设计要求,能够满足海洋湍流的观测要求。