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地理学专业

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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

17、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标定律。通过数值模拟方法模拟各向同性湍流，发现了间歇性特征，在此基础上又提出了湍流能量级串理论及标度律。通过深入研究湍流理论知识，发现这些理论仅适用于雷诺系数较大且假设湍流是各向同性的条件基础上。年，雷诺() 9提出了湍流应力输运方程和时均动量方程(即方程)，由于湍流方程的无规则运动和不封闭特性，给实际的工程应用研究中带来很多的困难与障碍，雷诺认识到采用确定的方法来描述湍流运动的时间、空间变化特征是基本不现

18、实的，故采用统计学方法来处理湍流的平均运动，如时间平均法、概率平均法(或系综平均法)和整体平均法。在湍流的实际研究中，通常使用海流的速度、温度、压强、盐度等参数的局部流动量的均值来表示湍流，各参数的瞬时值等于平均量与脉动量之和，而平均量的平均仍为该平均值，脉动量的平均值为零10。国内外学者针对纳维斯托克斯()方程11的不封闭性问题提出很多解决的方法。年，泰勒()首次提出了湍流脉动速度的关联函数：在湍流流场中，空间内的任意两个相邻点的运动参数具有一定的关联性或相关性，如速度之间的关联性、速度与压强之间的关联性等。年后，柯尔莫哥洛夫() 12提出了湍流脉动速度的结构函数，开创了湍流统计理论的研究工

19、作的先河。世纪年代，我国研究员周培源等人13 开展对湍流模式的研究并提出了求解平均涡流结构的统计理论方法。随着人们对湍流及其理论方法理解的不断深化，湍流从求解维纳斯托克斯()方程，逐步发展为探究湍流拟序结构8、研究湍流统计理论14、探索湍流模式15等问题。目前，湍流理论的研究成果已广泛应用于众多科学领域内，如环境问题16、预测模拟问题17、流体机械18、新能源开发19、航空航天20等。湍流理论的研究对工程技术的发展具有理论指导意义，反过来，工程技术的进步终有一日也会成功打破湍流理论认知的屏障。由于湍流运动的复杂性，很难在现实中实现湍流环境的模拟，因而湍流的研究与发展严重依赖着湍流观测技术及仪器

20、观测获取的真实湍流数据，湍流数据的实测工作也就成为研究湍流内部机制的奠基石。计算机技术的突飞猛进及湍流理论的日益完善推动了湍流观测方式的进步引领了湍流脉动参数的测量技术方法的发展，使得探究湍流内部运动机理有了可靠的数据支持。湍流观测技术主要与传感器的电子电路及观测平台相关，目前剪切探头和热敏电阻成为测量湍流脉动速度的两大主流传感器，湍流观测技术也成为工程方面的研究重点方向。不同的观测方式要求的观测平台也不一样，例如垂向测量方式要求观测系统在布放过程中处于垂直状态；水平观测方式则要求观测仪器在水平方向处于平衡状态；观测深海湍流时要求仪器有足够的耐压能力；观测浅海湍流时系统必须尽量避免风浪过大导致

21、的系统倾斜晃动。仪器在进行外海试验前需要先在室内实验水槽中进行配平实验以及对其他相关设计内容进行检验，观测的仪器姿态数据也要进行全面分析，从而验证水下仪器是否符合设计原理、能否满足海洋观测的条件以及观测数据的有效性。以海洋湍流的观测试验为基础，不断发展创新观测平台及观测方式是湍流研究的重点方向，具有非常广泛的应用前景。湍流试验的主要目的是获取真实的湍流数据，并深入研究湍流运动的规律和特征。目前，湍流能谱和湍动能耗散率( Energy)21是两个重要的统计参量，主要描述了湍流脉动流场的特征和湍流能量在时间及空间上的变化状态。湍流能谱通过与标准的理论谱进行比对，来衡量观测湍流数据的质量并判断数据的

22、可信度，因此湍流能谱是研究湍流特征中的重要参考量。湍动能耗散率主要描述湍流能量耗散过程中的能量演变规律，它的量级越低代表仪器观测的数据越好、仪器的精度越高。此外，湍流数据观测过程中的噪音信号会在一定程度上影响耗散率的计算精度，因此湍流信号的噪声消除问题也是研究湍流特征过程中需要解决的关键性问题22，对提高湍流观测数据的质量具有重要作用。综上所述，人类研究湍流的终极目标为正确的预测湍流，进而控制湍流并有效利用湍流，如何研究、控制及预测湍流已经成为专家学者研究的热点课题之一。由于湍流的极端复杂性和随机性，统计平均方法、真海实验、数值计算与理论分析是重要的研究手段。以湍流真海试验观测为基础，获取真实

23、数据资料为研究湍流特征提供了客观依据，逐步完善湍流统计理论，改进湍流数据处理方法可以极大地加快湍流研究的发展进程，这对研究海洋湍流的运动机理及特征具有重要的理论意义。1.2.2课题的研究意义海洋湍流在认知大洋环流的运动机制、改进并完善海洋环流及气候模型、研究海洋能量与水体的传递机制、解决人类能源危机等诸多问题中具有不可替代的作用，与此同时，它也广泛地影响着海洋生态系统与水生生物系统的平衡，有助于人类更好地了解全球气候变化情况。因此，海洋湍流在不同时间及空间尺度上的能量变化规律和内部混合机制成为海洋科学中至关重要的热点研究领域之一。究其本质湍流运动其实就是一个大尺度旋涡快速裂变的过程，在这个过程

24、中，湍流通过强化运输热量和水体中的营养物质、沉积物、有机物等不断地影响着水生生态系统，有机物质及运输机制的变化又会造成环境的改变，进而形成生物物理之间的循环作用过程。海洋湍流的运动不仅影响海洋的活动与海洋气候的变化，在给人类社会带来有利方面的同时，也会给人类带来难以预料的困扰甚至灾难。如果人类能够正确认识湍流运动状态及规律特征，就能减少弊端并充分利用湍流的优势造福人类社会。正确认知海洋湍流不仅能够帮助人们完善和改进海洋环流和气候模型，还对认知海洋环流如何运动及认知海洋生态环境和悬浮物质的分布具有重要作用23。因此，我们不仅要正确认识湍流，还要能够通过预测和完善湍流模型揭示深海海洋的物理-生物地

25、球化学-生态系统的变化过程以及相互作用机制，认识湍流能量演化机制对深海大洋环境影响的时空分布特征及机理，对预测深海大洋环境及气候变化，掌握海洋资源变动情况等有非常重要的科学价值。目前，海洋湍流已成为海洋科学的重要研究领域之一，而海洋湍流数据的测量技术作为研究湍流的重要手段也不断引起专家学者的广泛关注与研究。湍流是一种不稳定的、随机的、不规则的流体运动，其流动参数在三维空间内时刻发生不规则变化，形状及大小各异的旋涡随机分布在流动空间内，湍流脉动速度在空间上的随机变动会形成较为显著的梯度变化，在分子粘性力的作用下，这种速度梯度通过分子内部不间断的摩擦运动，使得湍流的动能转变成分子运动的动能，最终再

26、以热能的形式耗散完。但是，目前人们尚对湍流混合层的各种物理过程缺乏充分的认知，而导致这种情况发生的主要原因在于：缺乏针对该物理过程的观测仪器和数据处理算法，直接导致无法对这些物理过程进行有效地观测也就缺乏直接的观测数据来验证海洋湍流的混合机制。因此，开展基于实测湍流数据和算法的研究工作，探究海洋混合层的湍流生成、发展与演化机制，实现观测数据驱动的湍流统计建模与相干结构研究，有重要的理论和应用价值。近年来，湍流数据处理方法取得长足发展，产生了多样化和智能化的处理算法，在真海中获取大量湍流数据资料并采用智能化、精确化的处理方法成为湍流研究的热点。如何将电子电路板采集的时域内的二进制数字信号转换成物

27、理信号及剪切信号，并在频域及波数域内进行能谱分析，同时有效识别及滤除观测过程中产生的干扰信号，是海洋数据处理与分析的关键技术问题。由于噪声的产生具有随机性和不可预测性，简单的数字滤波方法24并不能完全消除噪音，反而将一部分有用信号一并滤除掉，如何根据不同的湍流观测试验平台及数据特点，选择合适的消噪算法已成为人们研究湍流机制的难点。湍动能耗散率和能谱作为表征海洋混合层复杂动力学的关键参数，对研究海洋环流的能量传递过程及物理机制有重要作用。湍流能谱主要描述湍流流场的变化，常用的衡量观测数据质量的方法是检验实际观测谱是否匹配能谱的规律12以及观测谱型与标准谱25的拟合程度，湍动能耗散率是表征湍流能量

28、转移与耗散的重要参数，它代表了湍流脉动在时间及空间上的大小，能谱的质量将直接影响湍流耗散率的精度。因此，如何消除噪声的干扰，提高湍流能谱的质量，对后续研究湍流耗散率及其能量演化机制起着关键性作用。创新性的提出新的湍流观测数据处理方法对构建准确的数值模型、预测海洋变化，甚至推动海洋科学的发展有着重要的理论意义。如何有效解决海洋湍流耗散率的观测与认知这一关键科学问题，针对目前海洋短期湍流观测存在的问题和制约，研制并提出一种新的海洋湍流观测平台与处理算法，实现对海洋混合层垂向空间结构的同步时空湍流通量观测平台和算法，获取湍流混合复杂动力过程表征的关键参数，并建模其物理机制和时空演化规律，为海洋混合层

29、理论和模式研究提供观测手段和数据支持，是搭建海洋与大气耦合模式的重要桥梁，对于揭示海洋环流与循环过程具有重要的科学意义。1.3国内外研究现状1.3.1海洋湍流传感器及观测平台国外研究现状由于在物理海洋学中，会出现各种各样的空间尺度，因此会让海洋湍流也会出现各种不同的子域，比方说，耗散子域，惯性子域，以及含能子域等等。子域的不同就会具有不同的能量，相应采用的测量原理与设备就会有所差异。对于其中的耗散子域，会假设局部湍流的信号都是朝着同一个方向流动的，然后将高频的剪切流速信号测量出来，进而计算得到湍流动能耗散功率值。早在世纪年代, 等人用热膜流速计代替早期的铂制热阻丝探头，通过采集与仪器运动方向平

30、行的速度脉动参量来获得湍流信息，但这种热膜探头极易受到温度的干扰，使得测量的数据很不准确。多伦多大学的和最早提出采用翼型剪切流探头()的构想，年，首次对剪切传感器进行了改进，并将其应用于流体测量。年，由奥斯本() 26首次将翼型剪切探头应用到微尺度海洋湍流观测中，从此以后，剪切探头成为测量耗散子域下湍流耗散率的最常用传感器，但是此时剪切探头没有准确的标定准则。在年， 和等人4应用翼型剪切探头进行海洋测量，并首次给出了相关标准工作原理及校准、标定方法，是的对海洋湍流的观测变的更准确，翼型剪切探头开始被广泛地应用于海洋湍流的测量中。两年后，奥基()等人5首次同时利用剪切流数据和温度梯度数据计算海洋

31、湍流能量耗散率，比较了两种探头观测数据的一致性，并对误差产生的原因及平均运动速度进行了定量分析，主要包括剪切探针频率响应误差、电路采集误差、标定误差和振动噪声误差等。世纪末，和 27,28通过改进传感器的耐水性来延长传感器的水下测量时间，为实现长期连续观测提供了条件，他们还探讨了剪切探头测量湍流的不确定性，然后利用与理论谱间的校验总结了一套估算偏差的新方法。随后和29 在年提出了剪切探头的空间相应模型，大大降低了剪切探头在测量湍流动能耗散率时数值偏小的问题。德国公司生产的系列传感器和加拿大 公司研制的系列传感器，是目前最成熟也是最具代表性的两类传感器，被国内外众多研究机广泛使用。国际上常用的湍

32、流传感器大致分为如下几类（图1-2）：加拿大海洋研究所()的等人30研制的剪切流传感器；美国俄勒冈州立大学()的等人31研制的剪切流传感器，其直径约为，灵敏度为；德国公司()的 32研制的系列剪切流传感器，以翼型传感器为例，它的直径为，灵敏度约为110-4V/Pa；加拿大 公司研制的系列传感器，其直径为，灵敏度为。基于以上剪切流传感器开发了不同的观测平台33-35，用于海洋湍流的观测试验。图1-2国外常用的剪切流传感器图湍流观测仪器的研制最早可追溯到20世纪中叶，由于测量平台在深海海洋中运动轨迹以及平台测量方式的不同36，湍流观测平台大致可分为：水平观测平台、垂直观测平台、移动观测平台和锚系观

33、测平台48四大类。水平观测平台技术水平观测平台是以海中的运行轨迹为准水平的观测平台，又称为水平剖面仪()。水平观测平台主要分为：拖曳式平台()37、潜水艇式平台()38,39和潜水器式平台()40等。海洋微尺度观测技术最早始于上世纪中叶，是由格兰特()等人领导的实验小组在加拿大太平洋海军实验室()开展海洋湍流测量的。起初水平测量平台是一种海洋中缓慢运动的拖带模式()(图1-3)，后来格兰特等人对热膜传感器进行了改进。年，实验室41中断了拖曳式的测量实验，并将实验设备转让给了加拿大海洋科学研究所，、等人接棒研发将原设备改进成为一种新型的流线型拖曳体。整个湍流观测平台新增了运动补偿绞车线缆和整流罩

34、，极大地减小了因船体运动而导致的拖体设备深度变化，拖带模式取得了一定的成果，奠定了海洋湍流观测技术的基础。利用拖曳式测量平台在近海岸观测到了三个脉动速度相对较大但是海洋环境温度相对变化较小的湍流序列，由于这几组数据序列几乎不受周围环境温度的影响，后来成为人们用于衡量其他谱型的标准，即标准谱。通过研究数据发现湍流在垂直剖面上具有间歇性特点，间歇性分布的尺度大小为到之间，为空间上的间歇性分布特征提供了有效证明。由于拖带模式的观测仪器采用热膜风速计探头并由船舶牵引来测量湍流，船体的不稳定性会直接影响测量探头在水下的速度，试验仪器自身的振动会影响测量数据的精度，而测量探头又易受海水温度、环境及浮游生物

35、附着等因素的影响而产生严重的干扰信号。因此，为解决上述问题，和等人在后续的研究中用剪切探头代替了之前的热线热膜传感器42。在年前后，拖曳式的海洋湍流观测仪器在加拿大、美国等国家得到了快速发展，解决了测量温度的污染和机械振动问题。图1-3水平拖曳模式观测平台与第二代拖曳体观测平台年，和等人43对长线拖体技术进行了新的改进，研发出第二代拖曳体测量平台(,) (图 1-3)，平台主体上下使用两个桅杆来代替原有的长线，将和温度传感器置于中间体与上下两个桅杆之间，用重物悬挂在下桅杆的底部，以此加强仪器俯仰角的稳定性。和等人44在平台上同时搭载了热敏电阻和剪切探头传感器，同时对快速温度和垂向剪切脉动速度进

36、行测量，这种海洋湍流水平观测系统至今仍有广泛使用。水平观测平台技术的主要缺点是实验仪器在湍流观测时的稳定性较差，容易受到船体的晃动和仪器自身的振动影响而产生干扰噪音，影响实际观测到的湍流数据质量和精度。由于拖曳式湍流观测平台的局限性，目前该平台已逐渐退出历史舞台。垂直观测平台技术海洋仪器的运动轨迹是基于单点的垂向剖面观测的平台为称为垂直观测平台，即垂直剖面仪()。剪切探头的轴线方向垂直于海平面，用于记录水平方向脉动流速的垂向剪切，进而获取垂直方向的微尺度湍流速度梯度谱和波数谱，剖析湍流混合过程及微结构的空间尺度特征。这种剖面仪通常是长圆筒形且表面光滑，传感器安装在不受干扰的压力仓前端，采取自由

37、落体形式或准自由下落的布放方式，从而让剖面仪与部署的平台完全分离。除了一些基础的配置外，由于估算湍动能耗散率时需要用到仪器的下放速度，因此需要配载压力传感器，用获取的深度数据来计算下放速度，仪器的下放速度一般要控制在之间。早在上世纪后期，半自由落体和自由落体湍流观测平台的出现成功解决了水平拖曳体受船舶和仪器自身振动产生的噪音污染问题，而且翼型剪切探头的使用减小了受海水温度的影响。年，由加拿大哥伦比亚大学的奥斯本() 45研制出第一台搭载翼型剪切探头的垂直剖面仪，随后美国、加拿大、日本、欧洲等国家也陆续研制出垂向系列的剖面仪。如图1-4所示：加拿大公司的 ()系列等；美国第一台微观结构湍流剖面仪

38、 ()46,47、伍兹霍尔海洋研究所研制的高分辨率剖面仪HRP ()50等；日本研发图1-4 各国研制的垂向剖面仪的海洋湍流微观剖析仪器系列52等；欧洲国家英国的第一台海洋温度与剪切同步观测的混合剖面仪 ( )53、德国的系列剖面仪 54和垂向微尺度剖面仪等。目前，国际上比较著名的微尺度垂直剖面仪研制机构具体包括：海洋研究所、加拿大海洋技术公司、欧洲的和公司和日本的公司。其中，加拿大海洋技术公司研制的系列是较为成熟的垂直湍流仪，该公司根据不同的观测参数需求研发了一系列不同深度级别的产品, 如、 (图1-5)。每种剖面仪的基本配置有剪切探头和快速温度传感器、压力传感器及加速度传感器等，另外，可以

39、根据观测环境决定是否搭载微结构温度传感器、电导率传感器、电导率及浊度传感器等海洋传感器，该系列剖面仪的主要指标如下：表1-1 VMP系列剖面仪主要指标型号长度重量最高采样频率最大下潜深度耗散率范围数据读取方式实时实时实时自容实时图1-5 加拿大Rockland公司VMP系列剖面仪目前，湍流观测平台中应用最广泛的是垂直剖面仪，其优势在于平台具有较强的稳定性，缺点是测量的范围较单一、仅限于垂向、测量方式依赖船体时间。移动观测平台所谓移动观测方式是将湍流剖面仪搭载在可移动的水下航行器平台上进行湍流的测量，如水下滑翔机()55和自治式水下机器人()等56。滑翔机携带式()测量平台(如图1-6)将剪切探

40、头等传感器安装在滑翔机的头部位置，滑翔器上浮下潜时剪切探头进行测量水平和垂直方向的剪切。年，第一台用于测量微尺度结构湍流的被启用，该的鼻端搭载了两个剪切探头、一个快速温度探头以及三维振动姿态传感器，前两者用于海洋湍流脉动信号的观测，后者用于测量平台的水下运动姿态及仪器自身振动加速度数据。移动平台的优点是数据不仅限于单一深度，可同时测得湍流的空间分布数据。缺点是观测平台受限于船时海况的影响，布放回收过程比较困难，需专业的工作人员操作，只能进行短期的数据测量。锚系潜标观测平台图1-6 移动观测平台和定点观测平台比较典型的锚系观测平台是定点湍流观测系统(如图1-6)，用缆绳将湍流仪、海流计、重力锚等

41、连接在一起，观测深海某一固定深度处(定点)的湍流。1997年，等人通过多年的研究，成功研制出了一套潜标系统，并在后来的实际应用中也被证明了该系统是能够长期对湍流进行自主测量的。该种测量方式的优点是不受船时、海况及操作人员的限制，可进行长期连续的大范围湍流观测，耗费成本较小。缺点是测量数据较为单一；回收布放过程比较繁琐；当流体流经缆绳时会形成卡门涡街现象，即旋涡的脱落会引起缆绳的振动，间接引起剪切探头的振动，从而破坏了湍流观测数据的准确度。1.3.2海洋湍流传感器及观测平台国内研究现状微尺度湍流仪在国外的研制与应用已经十分广泛，国外湍流仪经过多年发成已经相对成熟，但对我国实施技术封锁且售价高昂。

42、目前，我国在海洋湍流观测领域还处于起步发展阶段，在传感器的制造工艺技术方面相对缺乏经验，大部分湍流观测仪器上都采用国外的剪切探头。国内相关科研院所、高校大多引进国外的相关仪器，进行海洋湍流测量并对海洋湍流仪器的数据处理算法开展相关研究。进入世纪后，我国开始对翼型剪切流传感器及其搭载仪器进行研究。2007年，天津大学率先展开研究，基于压电陶瓷设计自主研发了具有国际水平的微尺度结构剪切流传感器样机()57 (如图1-7)，最后也选择在中国南海开展相关的实验，其实验结果表明我国研制剪切探头的水平已基本达到国际标准(表1-2所示)；近年来，我国在国家高技术研究发展计划的支持下相继开始研制湍流剖面仪。天

43、津大学最早于年开展对湍流仪的研究，通过多年的研究，他们终于成功研制出了一套湍流传感器和垂直剖面仪的工程样机58 (图1-8)，在此基础上做了大量理论研究对仪器进行多次优化，目前已成功研制出第三代微尺度湍流仪，通过搭载自己研发的剪切流传感器59,60和国外系列传感器在中国南海进行了比对实验。中国科学院海洋研究所在国家“”计划的支持下，也逐步研制出一套能够搭载快速温度传感器的，具有对高频温度信号进行探测的工程实验机，该实验机在年开展了具体的海洋试验，结果成功获得了大量的海洋湍流关于温度脉动的数据信息，通过开展与日本同步的观测实验证明自制仪器与的采集结果非常统一，这表明我国研制的样机能够有效地测得快

44、速温度信号，在快速温度传感器的研制方面取得了初步成功；表1-2 国内外湍流传感器对比机构名称传感器型号点分辨率灵敏度加拿大公司 德国公司天津大学图17 剪切传感器图1-8 国产湍流剖面仪年，中国海洋大学自主研制了基于潜标系统的定点湍流观测仪器，并搭载国外进口的系列湍流传感器在中国南海海域开展湍流现场观测试验，在国际上首次成功获取了长达天的长期连续定点湍流观测数据61，为海洋湍流的研究人员提供庞大的数据资料。随后，中国海洋大学结合定点湍流观测平台和垂向剖面仪的优点，研制了一种基于浮力驱动机制的自治测量方锚系平台往复式剖面仪48(图1-8)，并成功将其试用于南海试验观测中。在已有研究成果的基础上，

45、根据湍流观测需要又研发了新一代自由下放式剖面仪(Free Fall Vertical Profiler, FFVP) (图1-9)湍流观测平台，该仪器根据实际需要进行了结构优化与改进，在满足性能要求的同时降低了制造成本，并成功完成多次海试试验。图1-9 中国海洋大学自由下放式剖面仪综合分析湍流传感器及观测技术的国内外研究现状，我国在研制湍流观测仪器和研究海洋湍流混合机制等方面仍处于起步阶段，较国外先进的仪器还存在很大差距，海洋湍流相关理论的研究还有待进一步完善。随着湍流观测技术的不断进步及全球海洋经济的快速发展，我们需要不断自主研制海洋湍流仪器，打破国外对我国在这方面长期持久的技术封锁局面，对

46、推动我国在海洋湍流测量仪器研制方面的进展有着深远的影响。1.3.3湍流数据处理算法研究现状随着湍流观测技术的不断发展，人们对湍流理论的了解不断深入。由于海洋湍流是一种不规则的三维流体运动，很难正确有效地进行模拟，相关研究只能依赖湍流观测仪器在海试中采集的数据，因此，一种有效的湍流数据处理算法对海洋湍流的研究至关重要，这也是深入研究湍流内部机理及规律的基础。然而，由于海洋环境的复杂性及多变性，湍流脉动信号在采集、量化和传输的过程中不可避免地受到深海浮游生物以及船舶或仪器的振动、旋涡脱落等多种因素的影响，观测的剪切流脉动信号因噪音的干扰而精度降低，特别是在脉动速度相对较小的湍流信号中, 噪声的干扰

47、会严重影响观测的信号，如何正确有效地消除噪声信号，提高采集数据的信噪比，成为国内外专家学者争相研究的热点问题。近年来，为尽可能地消除湍流观测时产生的噪音信号，国内外学者提出了算法应用于湍流信号的消噪中。比较常见的湍流信号消噪算法有：傅里叶变换消噪法、数字滤波器法、小波变换消噪法、交叉谱修正方法等。傅里叶变换消噪算法傅里叶变换消噪算法62,63的基本思想是对原始含噪信号作傅里叶变换后，用低通或带通滤波器滤除噪声频率，再用傅里叶逆变换恢复原始信号。但是傅里叶变换的局限性非常大，很难将频域较宽的噪声信号从混合信号中高效地抽离出来，只能消除固定频率的噪音，而现实生活中的大部分噪音的频率是很难预先估测的

48、，因此傅里叶变换更多的应用于频谱分析中。数字滤波器法根据频域特性数字滤波器24,64一般可以分为四种类型；低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器及带阻滤波器。由于湍流的噪声信号是随机的、无法预知的，传感器的机械共振造成的部分窄频尖峰可利用带阻滤波器来滤除。数字滤波器算法实现起来比较容易，而且具有比较高的可靠性，但会消耗单片机的资源，导致它的使用具有一定的局限性。小波变换消噪法基于小波变换消噪算法67,68是一种非平稳信号处理的工具，其基本原理是建立在原始信号与噪音信号的小波系数具有不同尺度特性基础上的，通过不同频带上的小波系数来区分噪声信号，根据信号特征选择合适的小波基函数，去除与残留噪声的小波系

49、数，将处理之后的的小波系数重新构造出消噪后的信号，从而达到消噪目的。彼拉()等人69将小波消噪算法应用于微尺度温度数据的消噪问题中，小波的多尺度特性在70尺度下的湍流中是特别有效的。基于小波技术的分析算法既可以获得信号的空间多尺度特性及特定尺度下的有效数据71，又可有效消除噪声的污染。但是，小波技术在选取和构造基函数时特别困难，而且缺乏一定的自适应特性。因此，张斌等人72提出了一种改进的小波阈值消噪算法，通过小波能量熵来自适应选取阈值，仿真实验及真实湍流信号表明改进的算法具有自适应选取阈值、连续性好、偏差小等特点，弥补了现有小波阈值算法的不足。由于湍流环境的极端复杂性，基于小波变换技术的消噪算

50、法在湍流信号处理的应用中仍需进一步改善及优化。交叉谱修正方法1999年，Levine和Lueck等人73提出一维交叉谱消噪算法，这种算法只考虑一个轴方向的振动来消除噪音。于2006年，和等人74对算法进行了改进，用三轴方向的振动代替一维方向的振动，充分利用了三轴加速度的振动特点，提高算法的性能。他们利用自主水下航行器 ()进行湍流观测试验，通过数值积分法计算剪切与三维振动信号的自功率谱和互功率谱，得到振动信号转换到剪切的传递函数，从而实现噪声的有效消除。和 75将这种算法应用到热敏电阻观测的快速温度脉动梯度信号的消噪中，结果表明消噪效果明显。基于交叉谱的运动补偿消噪算法在海洋动力学中得到了广泛

51、的应用，因其消噪效果显著且算法简单易实现的特点，现已被许多学者应用到湍流信号的消噪问题中。虽说湍流运动是一种运动速度及不规则的运动，可是由于统计得到的湍流能谱信息具有随机的特点，因此湍流能谱会具有某种统计学的规律，而在研究湍流能谱的过程中，其研究的重心主要是放在对能量空间上的特征分布，以及能谱标度规律上的研究，这也为后来对湍流统计理论的系统研究打下了坚实的基础。国外的很多科学家曾经对自变量为波数的湍流能谱展开过大量的研究，尤其是通过研究湍流的各向上的同性特征，得到了多种不同形式下的湍流能谱数据，其意义重大。在年，泰勒() 49通过研究指出，对各项同性的湍流进行均匀处理，然后采用拉格朗日与欧拉相

52、关理论描述了湍流的脉动场，以及湍流的具体扩散能力，这也进一步推动了湍流统计理论的深入发展。到了年, 柯尔莫哥洛夫()根据相关的物理模型进行分析，结果发现了12，湍流能耗散率的内尺度参数与时间、尺度没有关系，不随之变化而改变，是一个固定的常数，与尺度谱中的湍流能量流是基本上相等的。另外，他们还得出了一个结论，即湍能动能耗散率在相应的惯性子域中，会唯一对湍涡的统计结构起到决定性作用，于是就能认定，中等尺度的湍流能谱同波数，它的次会与湍能动能耗散率正相关，这就是大家所熟知的惯性区次能谱幂次标度规律。当旋涡运动尺度不同时，也就是波数不一样时，它的湍流能量转移速率也会有所差异，可是到了中等尺度范围时，这

53、个湍流能量的转移速率就会变成一个固定的常数值。上述的研究成果也算得上是上个世纪的两个相当伟大的发现了，这两个理论成果也是后来科学家们研究湍流能谱的一个基础。在年时，彼拉()等人69在研究中使用小波识别技术对湍流的尺度进行计算，得到了与谱51，分别和谱25进行对比，将得到的结果当做是对耗散率进行计算的一个普适性的标准。通过采用温度微结构仪来对湍流信号进行采集，此时可以使用温度谱65对耗散率进行计算，基本上已经将谱的使用给替代了66。上述的大部分研究都是建立在湍流普的普适性规律基础上展开的，未来以研究能谱的湍流噪声为基础去对湍流能谱进行深入研究将是一个大的趋势。综上所述，湍流信号的噪音消除问题一直

54、是海洋动力学领域备受关注的研究热点，尤其是对于真海实测数据。由于在采集、传输过程中难免掺杂噪声信号，这种噪音会干扰后续处理与分析湍流的真实特征。传统的湍流消噪方法大部分是基于传统分数阶傅里叶变换的，在消除噪声信号的同时也会消除部分有用信号，而且去噪效果也不是十分理想仍然会遗留部分具有较强能量的噪声。因此，如何消除背景噪声信号，尽可能地还原出干净的原始信号，是研究湍流特征的关键因素。本文将利用分数阶理论在处理非平稳、非线性信号方面的优势，结合海洋环境中采集的湍流信号及噪音的来源特点，提出了具有自主创新性的湍流数据分析新方法和消噪新算法。1.4论文的内容与结构1.4.1 主要研究内容本文以实际观测

55、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。通过建立下潜过程动力学模型方程，

56、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效性。为进一步消除仪器振动噪

57、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。首先，对湍流的分形特征进行说

58、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分差值，于是就能大致估计得到

59、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。1.4.2 文章结构文章的内容总共被分成了6大章节，具体每个章节的情况，如下所述：第一章，绪论。在这一章节中，首先对本文所研究的课题所处背景，以及研究的意义进行细致的阐述与分析，并系统梳理了国内外在研究海洋湍流观测平台，以及观测传感器方面的现状，详细剖析了当前处理海洋湍流数据算法上面临的问题以及不足之处。最后，简要概括本文的研究内容及结构安排。第二章，海洋湍

60、流信号处理与分析方法。首先，详细说明了对海洋湍流脉动量辛哈测量传感器的测量原理，随后给出了剪切探头测得的数字电压信号转换为物理信号的基本原理，简单介绍了湍流信号的预处理方法，进而将三维空间湍流信号转化为时域、频域及波数域的谱进行分析，最后详细给出了海洋动力学中湍动能耗散率的计算步骤和湍流的数据统计分析方法。第三章，基于自容式存储系统的下放式剖面仪设计与研究。首先详细介绍了自由下放式剖面仪的结构设计、搭载的传感器性能与参数及其数据采集系统。然后，根据湍流仪测量原理，分析了下潜速度对测量结果的影响，得出稳定下潜速度是关于净重和阻力系数的函数。最后，借鉴滑翔机建模方法建立湍流仪的动力学模型，在此模型

61、的基础上分了仪器摆动、姿态及流致振动， 第四章，基于自由下放剖面仪的湍流观测技术及消噪算法。首先介绍了基于自由下放式海洋混合剖面仪的湍流观测技术，并对平台的下潜速度、平台姿态及平台振动做出了分析与研究。针对自由下放式剖面仪湍流观测过程中的噪音问题，通过计算姿态传感器测得的振动加速度信号和剪切信号的频谱相关性，得到一种有效的传递函数，进而从测量的剪切信号中剔除振动信号，以提高湍流数据的精度。最后用自由下放式剖面仪采集的西太平洋试验数据验证了平台的稳定性及消噪算法的有效性。第五章，基于分数阶理论的湍流功率谱分析算法。首先详细介绍了分数阶理论的研究现状及分数阶微积分在时域和频域的不同定义。然后，在分

62、数维空间中研究湍流特性，考虑湍流的随机性和规则性的推导出湍流的分数阶功率谱表达式及其阶数的计算方法。最后，在理论证明算法有效性的基础上，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。第六章，第七章，总结与展望。对全文进行了总结，概述了主要研究内容及创新点，从理论及实验的角度来进行综合验证，并指出现存方法的不足以及对未来研究方向进行了展望。第二章 海洋湍流信号处理与分析方法湍流属于一种流动状态，具有不规则、混沌的特点，相关的流动参数与空间，时间有着密切联系，所以说，湍流属于一种三维形式的非定常的流动形式，这种湍流在空间分布上，具有多种形状，且会伴随着各种旋涡的出

63、现。湍流在运动机理上属于三维空间布局，它的速度具有随机涨落的特点，于是就会出现速度梯度，由于具有这样的速度梯度，使得产生分子作用力并不断摩擦，使得湍流获得分子运动带来的自身动能，这种动能又会逐渐变成热能被耗散。 根据湍流的各态遍历定理，在湍流场满足统计上是定常的条件下，湍流的系统平均可以通过湍流的脉动量来代替，因此，我们一旦将湍流的脉动信号时间序列获取到，也就相当于知道了湍流的相应脉动信息，以此为基础就能展开接下来对湍流机理特征的研究。这种湍流的脉动时间序列，具有宽频带的特性，要想将湍流高频分量测量得到，那就要求传感器不仅要特性优良，而且应该具有较高的测量精度。本章将对海洋湍流信号的测量原理进

64、行详细描述。2.1剪切探头测量原理剪切探头是海洋领域中一种常用的测量湍流脉动信号的传感器，其研制水平及测量原理直接影响湍流的观测质量，因此需要对剪切探头的采集电路的设计方法、测量原理、标定方法、测量误差及精度进行深入研究。本节主要描述剪切探头的基本结构及其测量原理。2.2.1剪切探头的基本结构剪切探头的构想最初是由多伦多大学和 80,81提出的。 年，奥斯本() 26首次将剪切探头应用于海洋湍流的观测试验中，并取得了初步成功，自此剪切探头成为了测量耗散子域下的海洋湍流数据的有效传感器。随着计算机技术的不断进步，剪切探头也得到了不断的革新。虽然不同的生产厂家生产的产品外形各异，但其测量原理基本一致。剪切探头的基本结构82,83如图2-1所示，探头的核心部分采用压电陶瓷这种敏感材料，因为压电陶瓷具有响应快、能量密度高等特点。剪切探头在测量流体时，橡皮头受到外部流体横向力后，内部悬梁臂会产生形变，通过悬臂梁将受力传递给压电陶瓷，压力陶瓷受形变力的影响后会产生电荷，从而将力信号转换为电压信号，电荷最终通过尾部的导线传导出来。由于聚四氟乙烯具有抗酸碱性及较低的摩擦系数等特点，因此被涂于压电陶瓷梁