CN107655460A - 水下滑翔机的中尺度涡观测方法 - Google Patents

水下滑翔机的中尺度涡观测方法 Download PDF

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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明属于水下滑翔机观测技术领域，提出了水下滑翔机组网的中尺度涡观测方法。首先，在水下滑翔机上安装加速度传感器，主要用于监测水下滑翔机中性悬停时随水体的运动加速度和速度；其次，通过海表高度异常资料总体判断待测中尺度涡的位置、范围和移动趋势，利用两台滑翔机在中尺度涡移动方向及其法向上做正交路径的剖面观测，进行中尺度涡整体性初测；然后，用四台滑翔机分别在中尺度涡的海表面最大流速带处、中心区的不同深度处、最大跃层梯度层的最大流速带处和下均匀层最大流速带处分别中性悬停并做随流观测。本发明利用水下滑翔机中性悬停和原位观测特点，实现对中尺度涡结构单体运动学、动力学的系统把控。

Description

水下滑翔机的中尺度涡观测方法
技术领域
水下滑翔机观测技术。
背景技术
水下滑翔机是一种结合了浮标技术和水下机器人技术的自主式水下无人航行器。水下滑翔机由净浮力驱动航行，通过浮力调节机构实现正浮力和负浮力的周期性转换，通过姿态调整机构达到适当的俯仰角，两者结合使水下滑翔机在上浮或下潜的同时向前滑翔运动。水下滑翔机可搭载多种用于海洋观测的传感器，并具备通信系统，可以在浮出水面时进行数据传输与远程控制。水下滑翔机具有目标寻址、随体观测、原位观测、中性体控制的特点，在海洋调查领域具有广阔的应用前景。
中尺度涡是海洋中的一种涡旋现象，其空间尺度为几十到几百千米，时间尺度在几天到几百天之间。中尺度涡在旋转的同时，往往伴随着整体的移动。中尺度涡包含巨大的动能，能够导致强烈的海水运动，引起物质与能量的交换，对海洋物理、化学等各方面都有着广泛的影响，是海洋研究的热点之一。
水下滑翔机经过了十几年的发展，有了初步的应用。但目前水下滑翔机对于中尺度涡仍然缺乏较好的观测方法，现有对中尺度涡的交叉剖面观测方式缺少对特征路径的选择，且观测对象局限于温度与盐度，不能测量中尺度涡的海流速度，无法获得中尺度涡的动力学结构。同时，现有的水下滑翔机交叉剖面观测无法对中尺度涡进行原位观测。所以，本发明提出了一种水下滑翔机观测中尺度涡的方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种可靠、有效的水下滑翔机中尺度涡观测方法，不仅测量中尺度涡的温盐分布，还对中尺度涡的三维结构做系统的动力学观测。
本发明内容包括：
1.水下滑翔机中尺度涡顺向法向正交路径控制性观测。通过海表高度异常资料判断待测中尺度涡的位置、范围和移动趋势，利用两台水下滑翔机分别在中尺度涡移动方向和移动方向法向的路径上做正交路径的剖面观测，从而完成对中尺度涡的整体性初测。
2.基于初测结果对中尺度涡整体结构做初步性判断。根据两台水下滑翔机中尺度涡整体性初测结果，分析出中尺度涡区的上均匀层、强跃层和下均匀层的位置与范围。
3.水下滑翔机中尺度涡控制性、同步性、针对性观测。利用四台水下滑翔机，在由初测结果分析得出的上均匀层、强跃层、下均匀层的最大流速带中性悬停并做随流运动，不仅测量中尺度涡的温盐分布，还对中尺度涡的三维结构做系统的动力学观测。
附图说明
图1为水平面内的水下滑翔机交叉剖面观测路径示意图
图2为四台水下滑翔机在中尺度涡不同位置进行观测示意图。
图中标记：1、水平面内的中尺度涡；2、沿中尺度涡移动方向且通过中尺度涡中心的路径；3、沿中尺度涡移动法向且通过中尺度涡中心的路径；4、中尺度涡的移动方向；5、中尺度涡海表面；6、中尺度的强跃层；7、中尺度涡的下均匀层；8、第一台水下滑翔机；9、第二台水下滑翔机；10、第三台水下滑翔机；11、第四台水下滑翔机。
具体实施方式
1.确定待测中尺度涡的位置。利用高时空分辨率海表面高度异常资料，判断要观测的中尺度涡的位置、范围、移动速度和移动趋势。
2.水下滑翔机整体性初测中尺度涡。如图1所示的水平面内水下滑翔机交叉剖面观测路径示意图，两台水下滑翔机分别在中尺度涡移动速度方向和其法向方向、通过中尺度涡中心且穿越整个中尺度涡范围的正交的交叉路径上做剖面观测，整体上初步测量中尺度涡区域的温盐分布。通过对水下滑翔机整体性初测中尺度涡的结果进行分析，得到中尺度涡区域内上均匀层、强跃层和下均匀层的位置与范围。
3.水下滑翔机中尺度涡控制性、同步性、针对性观测。通过安装在水下滑翔机内部的加速度传感器测量水下滑翔机的运动加速度，特别是中性悬停时随着水体的运动加速度，加速度信号积分计算得到水下滑翔机的运动速度，由此得到海流的速度。这样在测量中尺度涡温盐分布的同时，还对中尺度涡的三维结构做出了系统的动力学观测。如图2所示水下滑翔机在中尺度涡不同位置观测示意图，利用四台水下滑翔机在中尺度涡的不同位置中性悬停并同步测量温度、盐度、海流速度，实现对中尺度涡的原位观测。具体如下：
第一台水下滑翔机在中尺度涡海表面的最大流速带中性悬停，调整为竖直姿态，做无滑脱随流运动，同时测量温度、盐度以及水平方向上的海流速度等数据，水下滑翔机实时通讯传回数据；第二台水下滑翔机在中尺度涡的中心区的不同深度中性悬停，悬停时调整为水平姿态，做无滑脱随流运动，同时测量温度、盐度以及中心区垂直方向上的海流速度等数据；第三台在中尺度涡最大跃层梯度层的最大流速带中性悬停，调整为竖直姿态，做无滑脱随流运动，同时测量温度、盐度以及水平方向上的海流速度等数据；第四台在中尺度涡下均匀层最大流速带中性悬停，调整为竖直姿态，做无滑脱随流运动，同时测量温度、盐度以及水平方向上的海流速度等数据。至此完成了水下滑翔机对中尺度涡温盐结构、三维结构动力学的原位观测。

Claims (3)

1.水下滑翔机中尺度涡顺向法向正交路径控制性观测。其特征在于：利用高时空分辨率海表高度异常资料，判断待测中尺度涡的位置、范围、移动速度和移动趋势，选取中尺度涡移动速度方向和其法向方向、通过中尺度涡中心且穿越整个中尺度涡范围的正交的交叉路径作为水下滑翔机对中尺度涡整体性初测的观测路径。
2.基于初测结果的中尺度涡整体结构的初步性判断。其特征在于：根据两台水下滑翔机中尺度涡整体性初测结果，分析出中尺度涡区的上均匀层、强跃层和下均匀层的位置与范围。
3.水下滑翔机中尺度涡控制性、同步性、针对性观测。其特征在于：利用水下滑翔机中性悬停实现对海洋内部现象原位观测，不仅测量中尺度涡的温盐分布，还对中尺度涡的三维结构做系统的动力学观测，实现对中尺度涡结构单体运动学、动力学的系统把控。具体如下：第一台在中尺度涡海表面的最大流速带中性悬停并做随流运动观测，第二台在中尺度涡的中心区的不同深度处中性悬停并做随流运动观测，第三台在中尺度涡最大跃层梯度层的最大流速带中性悬停并做随流运动观测；第四台在中尺度涡下均匀层最大流速带中性悬停并做随流运动观测。
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