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(硕士)

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(硕士)(论文53000字)
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，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。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 Algorithms
Abstract

Keywords: ocean turbulence; free fall vertical profiler; vortex-induced vibrations; noise modeling; fractional fourier transform; filtering algorithm;


目录
ABSTRACT    III
第一章 绪论    1
1.1引言    1
1.2研究背景和意义    3
1.2.1课题的研究背景    3
1.2.2课题的研究意义    5
1.3国内外研究现状    7
1.3.1海洋湍流传感器及观测平台国外研究现状    7
1.3.2海洋湍流传感器及观测平台国内研究现状    13
1.3.3湍流数据处理算法研究现状    14
1.4论文的内容与结构    17
1.4.1 主要研究内容    17
1.4.2 文章结构    19
第二章 海洋湍流信号处理与分析方法    21
2.1剪切探头测量原理    21
2.2.1剪切探头的基本结构    21
2.2.2剪切探头的测量原理    22
2.2剪切脉动速度计算方法    23
2.3数据预处理法    24
2.4湍动能耗散率计算方法    25
2.5湍流数据统计分析方法    30
2.5.1湍流统计理论    30
2.5.2湍流数据统计分析方法    31
2.6本章小结    33
第三章 基于自容式存储系统的下放式剖面仪设计与研究    34
3.1自由下放式湍流仪设计    35
3.2湍流仪下潜速度分析与控制理论研究    40
3.2.1下潜速度理论分析    40
3.2.2下潜速度控制理论    41
3.3湍流仪姿态与振动理论分析研究    43
3.3.1湍流仪动力学模型建立    43
3.3.2湍流仪姿态与摆动理论分析    46
3.3.2湍流仪流致振动理论分析    49
3.4本章小结    51
第四章 基于下放式剖面仪的湍流观测技术及消噪算法    52
4.1基于交叉谱的运动补偿校正算法    52
4.2基于自由下放式剖面仪的湍流观测技术    57
4.3算法验证及结果分析    60
4.4本章小结    61
第五章 基于分数阶理论的湍流功率谱分析算法    62
5.1分数阶基本理论    62
5.1.1分数阶理论研究现状    62
5.1.2分数阶微积分的时域定义    63
5.1.3分数阶微积分的频域定义    66
5.2基于分数阶理论的湍流功率谱分析算法    69
5.2.1功率谱指数与分数阶维数    69
5.2.2湍流的分数阶功率谱表达式    71
5.2.3湍流的分数阶功率谱计算    72
5.3实验结果与分析    72
5.4本章小结    73
第六章 基于分数阶滤波器的湍流信号消噪算法    74
6.1滤波器的分类    75
5.1.1模拟滤波器    75
5.1.2数字滤波器    76
6.2基于分数阶滤波器的湍流信号消噪算法    78
6.2.1分数阶滤波器原理    78
6.2.2基于分数阶滤波器的消噪算法    79
6.3实验结果与分析    81
6.4本章小结    82
第七章总结与展望    83
7.1总结    83
7.2 创新点    85
7.3研究展望    86