CN111498069B - 一种海洋湍流混合观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海洋湍流混合观测方法，该方法包括以下步骤：(1)布放海洋湍流观测系统；(2)海洋湍流观测系统启动，由地面数据中心进行状态检测、定位并设置观测任务；(3)海洋湍流观测系统下潜，进行锯齿下潜、水平航行、锯齿上浮的运动；(4)在海洋湍流观测系统的水下运动过程中，湍流观测仪观测不同深度下的湍流混合分布特征，并通过CTD传感器和流速传感器同步采集CTD数据、流速数据；(5)观测结束后，进行上浮，将采集数据传输至地面数据中心。本发明海洋湍流混合观测方法可同步开展湍流混合的水平观测和垂直剖面观测，实现海洋湍流混合在横向和纵向的空间与时间多维同步观测；且可实现不同海洋现象下湍流混合的自主智能观测。

Description

一种海洋湍流混合观测方法

技术领域

本发明涉及海洋湍流观测领域，具体地说是涉及一种海洋湍流混合观测方法。

背景技术

海洋湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动，具有随机性、耗散性、三维矢量性。海洋湍流混合是海洋中大、中尺度运动能量向小尺度级串并最终耗散的主要途径，已有的湍流混合理论和实验均表明湍流混合的空间分布是不规律的，随地点、深度、海底粗糙度等发生剧烈变化，特别是在海洋边界层区域。因此，深入理解海洋湍流混合的空间分布特征与不同尺度能量之间的级串是提升海洋认知的重要基础。

目前，海洋湍流混合观测方法多采用拖曳或锚定式水平观测以及自由落体垂直剖面观测。其中，水平观测方法仅能获取海洋湍流混合在特定深度上的速度脉动，缺少垂向空间高分辨率拓展度；另外，水平观测方法装置结构体积大、难于布放回收、费用昂贵，缺乏机动性，观测的湍流数据易受拖曳母船海面波浪起伏运动引起的低频振动和由缆绳产生的宽带高频振动影响。自由落体垂直剖面观测方法仅能得到海洋湍流混合在单垂线通路上速度脉动和垂向分布特征，缺少水平空间拓展度和时空演化数据，而且垂直剖面观测系统由母船进行布放，其受海况、人员操作影响大，自主化程度低，缺乏机动性，作业效率低。现有的两种观测方法均无法实现海洋湍流混合在纵向与横向的同步立体观测以及长期连续、大范围自主化观测。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出一种海洋湍流混合观测方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种海洋湍流混合观测方法，采用海洋湍流观测系统，该系统从前至后依次包括湍流观测舱、能源舱、姿态调节舱和推进舱；

所述湍流观测舱包括艏部导流罩，在艏部导流罩的前端中心处设置有湍流观测仪，湍流观测仪与艏部导流罩同轴，且伸出艏部导流罩一段距离；在艏部导流罩的上部位置处设置有CTD传感器，在艏部导流罩的下部位置处设置有流速传感器，CTD传感器和流速传感器均安装在传感器安装支架上；在艏部导流罩处还安装有深度传感器；

所述能源舱包括第一耐压舱体，在第一耐压舱体的前端设置有前端球盖，艏部导流罩与前端球盖相连接，在前端球盖上设置有水密插接件，在第一耐压舱体的内部设置有固定电池组；

所述姿态调节舱包括第二耐压舱体，在第二耐压舱体的内部设置有姿态调节装置；在第一耐压舱体的后端和第二耐压舱体的前端之间设置有中间转接舱体，在第二耐压舱体的后端设置有后端球盖；在第一耐压舱体、中间转接舱体和第二耐压舱体的中心设置有密封拉紧杆，密封拉紧杆的一端与前端球盖连接，密封拉紧杆的另一端与后端球盖连接；通过密封拉紧杆将第一耐压舱体、中间转接舱体和第二耐压舱体拉紧为一体；

所述密封拉紧杆的截面呈方形，在密封拉紧杆的部分段体上方设置有导轨齿条；所述姿态调节装置包括移动电池组，在固定电池组和移动电池组的中心设置有穿孔，所述密封拉紧杆经穿孔穿过固定电池组和移动电池组，在移动电池组的端部设置有驱动电机和传动齿轮，驱动电机与传动齿轮连接，传动齿轮与导轨齿条相啮合；

所述推进舱包括尾部导流罩，尾部导流罩与后端球盖连接，在尾部导流罩上设置有转向装置和推进装置；

所述湍流观测仪包括测量传感器、数字化采集舱、主控制舱和减振装置；所述减振装置包括机械振动减振结构，所述机械振动减振结构包括减振橡胶套筒，减振橡胶套筒套在湍流观测仪的数字化采集舱上，测量传感器安装在数字化采集舱的前端，在减振橡胶套筒的周圈间隔设置有减振膜式橡胶囊；

所述减振膜式橡胶囊包括膜片本体，膜片本体的截面呈V形，在膜片本体的一边沿设置有第一连接片，在膜片本体的另一边沿设置有第二连接片，第二连接片与减振橡胶套筒相连接，第一连接片的上方设置有固定头，在固定头上设置有通孔，在通孔中穿过有固定杆，固定杆的一端与主控制舱相连接，主控制舱与湍流观测舱相连接；

在姿态调节舱和推进舱的连接处还设置有浮力补偿装置，所述浮力补偿装置包括内油囊和外油囊，内油囊通过出油管与外油囊连接，外油囊通过进油管与内油囊连接，在出油管上设置有出油控制电机泵，在进油管上设置有进油控制电机泵；所述内油囊设置在姿态调节舱中，外油囊设置在推进舱中；

该海洋湍流混合观测方法包括以下步骤：

(1)锯齿下潜

启动姿态调节装置的驱动电机正向旋转，驱动电机通过传动齿轮和导轨齿条带动移动电池组前移，致使系统重心前移，艏部低头，产生下潜俯仰角度；开启浮力补偿装置，外油囊的液压油进入内油囊，致使浮力减少；同步启动推进装置，提供前进动力，系统将以一定的俯仰角度锯齿状向下运动；

(2)水平航行

通过深度传感器实时测量系统下潜深度数据，在到达指定深度时，关闭推进装置，启动姿态调节装置的驱动电机反向旋转，驱动电机通过传动齿轮和导轨齿条将移动电池组调节至中间平衡位置；同时浮力补偿装置调节至初始状态，使系统在水中平衡；开启转向装置，以保证航行角度和转弯；启动推进装置，提供前进动力；

(3)锯齿上浮

启动姿态调节装置的驱动电机反向旋转，驱动电机通过传动齿轮和导轨齿条将移动电池组后移，致使系统重心后移，艏部抬起；开启浮力补偿装置，将内油囊中的液压油部分排到外油囊，致使浮力增加；启动推进装置，提供前进动力，系统将以锯齿状向上运动。

优选的，在姿态调节舱的尾部设置有柔性通信天线，海洋湍流观测系统通过柔性通信天线与卫星系统进行数据传输，卫星系统与地面数据中心进行数据传输；通过地面数据中心进行系统状态检测、定位并设置观测任务。

上述观测方法的整体过程包括以下步骤：

(1)布放海洋湍流观测系统；

(2)海洋湍流观测系统启动，由地面数据中心进行状态检测、定位并设置观测任务；

(3)海洋湍流观测系统下潜，进行锯齿下潜、水平航行、锯齿上浮的运动；

(4)在海洋湍流观测系统的水下运动过程中，湍流观测仪观测不同深度下的湍流混合分布特征，并通过CTD传感器和流速传感器同步采集CTD数据、流速数据；

(5)观测结束后，进行上浮，将采集数据传输至地面数据中心。

优选的，所述海洋湍流观测系统可进行在线数据实时分析，自主决策与观测路径规划的自主智能观测，具体包括以下步骤：

(1)数据采集

在海洋湍流观测系统水下运动过程中，通过湍流观测仪实时采集湍流数据，通过CTD传感器和流速传感器分别实时采集CTD数据和流速数据，并进行存储；

(2)数据处理

依次通过数据滤波、校正补偿和噪声消除步骤进行数据的实时融合与处理，并结合海洋湍流系统运动状态进行观测环境感知判断；

(3)自主决策与观测路径规划

根据所判断的观测环境确定进行水平观测或锯齿状观测，以自主规划观测路径；在观测过程中还实时监测外部环境是否有变化，如果外部环境发生变化，则相应改变海洋湍流观测系统运动方式。

本发明的有益技术效果是：

本发明提出了一种海洋湍流混合观测方法，可同步开展湍流混合的水平观测和垂直剖面观测，实现海洋湍流混合在横向和纵向的空间与时间多维同步观测。

本发明方法所采用的海洋湍流观测系统搭载智能科学载荷控制系统，具备实时采集数据在线处理能力，可感知观测环境、自主决策与观测路径规划，能够实现海洋湍流的长期、大范围、全天候连续自主智能观测。

本发明方法所采用的海洋湍流观测系统结构紧凑，机动性强，系统本体振动噪声小且设计有减振装置，不受母船、海况、操作人员的影响，可在近岸进行布放，极大的降低了海洋湍流观测的作业成本。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明海洋湍流混合观测方法的流程示意图；

图2为本发明海洋湍流混合观测方法所涉及智能科学载荷控制系统的原理框图；

图3为本发明海洋湍流混合观测方法中自主智能观测的流程示意图；

图4为本发明方法所采用海洋湍流观测系统的整体外部结构示意图；

图5为本发明方法所采用海洋湍流观测系统的结构原理示意图；

图6为本发明所涉及海洋湍流观测系统中能源舱、中间转接舱和姿态调节舱的结构原理示意图；

图7为图6中去除第一耐压舱体、第二耐压舱体后的结构原理示意图；

图8为本发明中间转接舱的立体结构示意图；

图9为本发明固定电池组或移动电池组的立体结构示意图；

图10为本发明密封拉紧杆的结构示意图；

图11为本发明导轨齿条部分的结构示意图；

图12为本发明移动电池组与导轨齿条相配合的结构示意图；

图13为本发明湍流观测舱去除艏部导流罩后的结构示意图；

图14为图13的另一角度视图；

图15为本发明湍流观测舱中艏部导流罩的结构示意图；

图16为本发明湍流观测舱的整体结构原理示意图；

图17为本发明减振装置的整体结构原理示意图；

图18为本发明减振装置的外部结构视图；

图19为本发明减振装置省去流激减振结构后结构原理示意图；

图20为本发明减振装置中机械振动减振结构的示意图，图中示出正视结构；

图21为本发明减振装置中机械振动减振结构的示意图，图中示出侧视结构；

图22为本发明机械振动减振结构中减振膜式橡胶囊的结构示意图；

图23为本发明减振膜式橡胶囊的膜片本体一种实施方式的结构原理示意图；

图24为本发明减振装置中流激减振结构的立体结构示意图；

图25为本发明中浮力补偿装置的结构原理示意图；

图26为本发明中浮力补偿装置安装时与后端球盖的位置结构示意图；

图27为本发明中转向装置和推进装置的结构示意图；

图28为图27的侧视图。

图中：1-湍流观测舱，11-艏部导流罩，12-湍流观测仪，13-CTD传感器，14-流速传感器，15-传感器安装支架，16-开孔，2-能源舱，21-第一耐压舱体，22-前端球盖，23-水密插接件，24-固定电池组，3-姿态调节舱，31-第二耐压舱体，32-后端球盖，4-推进舱，41-尾部导流罩，42-转向装置，421-水平舵，422-垂直舵，43-推进装置，431-螺旋桨，44-耐压机舱，45-连接架，5-中间转接舱体，51-定位通孔，6-密封拉紧杆，61-导轨齿条，62-连接头，63-锁紧螺母，64-限位固定盘，7-姿态调节装置，71-移动电池组，72-穿孔，73-驱动电机，74-传动齿轮，75-电机支架，8-柔性通信天线，9-浮力补偿装置，91-内油囊，92-外油囊，93-出油管，94-进油管，95-出油控制电机泵，96-进油控制电机泵；

121-减振橡胶套筒，122-数字化采集舱，123-测量传感器，124-减振膜式橡胶囊，1241-膜片本体，4101-第一膜片，4102-第二膜片，4103-空隙，1242-第一连接片，1243-第二连接片，1244-固定头，1245-通孔，125-固定杆，126-主控制舱，127-橡胶罩体，1271-固定柱，1272-固定孔，128-导流筒罩。

具体实施方式

结合附图，一种海洋湍流混合观测方法，采用海洋湍流观测系统，该系统从前至后依次包括湍流观测舱1、能源舱2、姿态调节舱3和推进舱4。所述湍流观测舱1包括艏部导流罩11，在艏部导流罩11的前端中心处设置有湍流观测仪12，湍流观测仪12与艏部导流罩11同轴，且伸出艏部导流罩11一段距离。在艏部导流罩11的上部位置处设置有CTD传感器13，在艏部导流罩11的下部位置处设置有流速传感器14，CTD传感器13和流速传感器14均安装在传感器安装支架15上。在艏部导流罩的上下两端分别对应CTD传感器13和流速传感器14的位置处设置有开孔16。在艏部导流罩处还安装有深度传感器。

所述能源舱2包括第一耐压舱体21，艏部导流罩11的尾部与第一耐压舱体21相连接，在第一耐压舱体21的前端设置有前端球盖22，在前端球盖22上设置有水密插接件23，通过水密插接件23可分别与湍流观测仪12、CTD传感器13以及流速传感器14等进行连接。在第一耐压舱体21的内部设置有固定电池组24。

所述姿态调节舱3包括第二耐压舱体31，在第二耐压舱体31的内部设置有姿态调节装置。在第一耐压舱体的后端和第二耐压舱体的前端之间设置有中间转接舱体5，在第二耐压舱体的后端设置有后端球盖32，在后端球盖上也设置有水密插接件，以进行电缆连接等。在第一耐压舱体21、中间转接舱体5和第二耐压舱体31的中心设置有密封拉紧杆6，密封拉紧杆6的一端与前端球盖22连接，密封拉紧杆6的另一端与后端球盖32连接。通过密封拉紧杆6将前端球盖22和后端球盖32拉紧为一体，并使得第一耐压舱体21、中间转接舱体5和第二耐压舱体31紧密连接为一体，整体密闭效果好。

所述密封拉紧杆6的截面呈方形，在密封拉紧杆6的部分段体上方设置有导轨齿条61。所述姿态调节装置7包括移动电池组71，在固定电池组24和移动电池组71的中心设置有穿孔72，所述密封拉紧杆6经穿孔穿过固定电池组和移动电池组，在移动电池组的端部设置有驱动电机73和传动齿轮74，驱动电机73与传动齿轮74连接，传动齿轮74与导轨齿条61相啮合。驱动电机73安装在电机支架75上，电机支架75固定在移动电池组的一侧。

所述推进舱4包括尾部导流罩41，尾部导流罩41的头部与第二耐压舱体连接。在尾部导流罩41上设置有转向装置42和推进装置43。艏部导流罩11和尾部导流罩41上均设置有透水孔，与外部海水环境相连通。

所述湍流观测仪12包括测量传感器123、数字化采集舱122、主控制舱126和减振装置。所述减振装置包括机械振动减振结构和流激减振结构，所述机械振动减振结构包括减振橡胶套筒121，减振橡胶套筒121套在湍流观测仪的数字化采集舱122上，数字化采集舱122的前端安装测量传感器123，在减振橡胶套筒121的周圈间隔设置有减振膜式橡胶囊124。所述减振膜式橡胶囊124包括膜片本体1241，膜片本体1241的截面呈V形，膜片本体的内部中空，膜片本体1241包括第一膜片4101和第二膜片4102，在第一膜片4101和第二膜片4102之间留有空隙4103，第一膜片4101和第二膜片4102的对应侧边缘连接封闭，以使膜片本体1241呈内部中空的囊体结构。在膜片本体1241的一边沿设置有第一连接片1242，在膜片本体1241的另一边沿设置有第二连接片1243，第二连接片1243与减振橡胶套筒121相连接。第一连接片1242的上方设置有固定头1244，在固定头1244上设置有通孔1245，在通孔中穿过有固定杆125，固定杆125的一端与主控制舱126相连接，主控制舱126与传感器安装支架15相连接，当然主控制舱126还与水密插接件23进行线路连接。所述流激减振结构包括一呈锥形的橡胶罩体127，在橡胶罩体127的头部中心设置有圆孔，测量传感器123从圆孔中穿过，且不与圆孔周圈或者说橡胶罩体相接触。在橡胶罩体的内侧周圈间隔设置有固定柱1271，在固定柱1271上设置有固定孔1272，所述固定杆125的另一端插入固定孔1272中。

在姿态调节舱3和推进舱4的连接处还设置有浮力补偿装置9，所述浮力补偿装置9包括内油囊91和外油囊92，内油囊91通过出油管93与外油囊92连接，外油囊92通过进油管94与内油囊91连接。在出油管93上设置有出油控制电机泵95，在进油管94上设置有进油控制电机泵96。所述内油囊91设置在姿态调节舱3中，处于尾部位置，外油囊92设置在推进舱4中，处于尾部导流罩41的内部。

该海洋湍流混合观测方法包括以下步骤：

(1)锯齿下潜

启动姿态调节装置的驱动电机正向旋转，驱动电机通过传动齿轮和导轨齿条带动移动电池组前移，致使系统重心前移，艏部低头，产生下潜俯仰角度；开启浮力补偿装置，外油囊的液压油进入内油囊，致使浮力减少；同步启动推进装置，提供前进动力，系统将以一定的俯仰角度锯齿状向下运动。

(2)水平航行

通过深度传感器实时测量系统下潜深度数据，在到达指定深度时，关闭推进装置，启动姿态调节装置的驱动电机反向旋转，驱动电机通过传动齿轮和导轨齿条将移动电池组调节至中间平衡位置；同时浮力补偿装置调节至初始状态，使系统在水中平衡；开启转向装置，以保证航行角度和转弯；启动推进装置，提供前进动力。

(3)锯齿上浮

启动姿态调节装置的驱动电机反向旋转，驱动电机通过传动齿轮和导轨齿条将移动电池组后移，致使系统重心后移，艏部抬起；开启浮力补偿装置，将内油囊中的液压油部分排到外油囊，致使浮力增加；启动推进装置，提供前进动力，系统将以锯齿状向上运动。

本发明海洋湍流混合观测方法，可同步开展湍流混合的水平观测和垂直剖面观测，实现海洋湍流混合在横向和纵向的空间与时间多维同步观测。

本发明方法所采用的海洋湍流观测系统主要具有两方面优点：一是将湍流观测与水下航行器集成，能够实现海洋湍流的高时空覆盖、高分辨率的长期连续、大范围、自主智能观测；二是在实现自主智能观测的前提下，能够解决湍流观测时振动干扰的问题，提高测量精度。具体地：

1、本发明方法所采用的海洋湍流观测系统通过姿态调节装置与转向装置和推进装置进行配合，可进行锯齿状运动观测和水平航行观测两种观测方式，实现海洋湍流混合在横向和纵向的空间与时间多维同步观测。

2、本发明方法所采用的海洋湍流观测系统搭载智能科学载荷控制系统，具备实时采集数据在线处理能力，可感知观测环境、自主决策与观测路径规划，能够实现海洋湍流的长期、大范围、全天候连续自主智能式观测。

3、本发明方法所采用的海洋湍流观测系统机动性强，不受母船、海况、操作人员的影响，可在近岸进行布放，极大的降低了海洋湍流观测的作业成本。

4、本发明方法所采用的海洋湍流观测系统中分段的舱体通过密封拉紧杆进行拉紧，设计巧妙，密闭效果好，安装简单方便；而且姿态调节装置通过移动电池包沿密封拉紧杆的前后移动进行观测系统重心调节，操作方便，姿态调节容易。

5、本发明方法所采用的海洋湍流观测系统分段布置，前端头处为测量传感器部分，后端头处为动力部分，一方面可防止互相影响，提高湍流测量的精度，另一方面传感器均集成在前端头处，更换方便。

6、本发明方法所采用的海洋湍流观测系统将湍流观测仪设置在湍流观测舱艏部导流罩的前端中心处，且湍流观测仪中配备有减振装置，从两个方面对湍流观测仪的测量传感器进行减振，一方面采用减振橡胶套筒和减振膜式橡胶囊组成的机械振动减振结构对移动式水下观测平台的电机等产生的振动进行消减，另一方面采用数字化采集舱前端头处的锥形橡胶罩体形成流激减振结构，以减小流激振动对传感器测量的影响；该两方面减振结构共同配合，可起到较好的减振效果，提高测量精度。

作为对本发明方法的进一步设计，在姿态调节舱的尾部设置有柔性通信天线8，观测系统通过柔性通信天线8与卫星系统进行数据传输，卫星系统与地面数据中心进行数据传输。通过地面数据中心进行系统状态检测、定位并设置观测任务。

另外，本发明在安装柔性通信天线的位置处设置浮力补偿装置，可在海洋湍流混合观测系统上浮到水面上进行通信时，通过调节浮力补偿装置，将内油囊91中的油输送至外油囊92中，使观测系统尾部翘起，尽可能避免海浪的干扰，提高通信效果。浮力补偿装置9还可与姿态调节装置等进行配合。

本发明通过姿态调节装置、浮力补偿装置、转向装置和推进装置相互配合，可实现观测系统的俯仰姿态调节、动力调节等，实现观测系统的锯齿状运动和水平航行运动。

本发明观测方法的整体过程大致包括以下步骤：

(1)布放海洋湍流观测系统。

(2)海洋湍流观测系统启动，由地面数据中心进行状态检测、定位并设置观测任务。

(3)海洋湍流观测系统下潜，进行锯齿下潜、水平航行、锯齿上浮的运动。

(4)在海洋湍流观测系统的水下运动过程中，湍流观测仪观测不同深度下的湍流混合分布特征，并通过CTD传感器和流速传感器同步采集CTD数据、流速数据。

(5)观测结束后，进行上浮，将采集数据传输至地面数据中心。

地面数据中心检测采集数据正常后，启动智能科学载荷控制系统的智能处理模块，在线实时分析采集的湍流、CTD数据、流速数据、海洋湍流观测系统运动状态等数据，自主决策与观测路径规划，开启长期、大范围、全天候连续自主智能观测。

作为对本发明方法的进一步设计，在固定电池组和/或移动电池组的上方设置有智能科学载荷控制系统。所述智能科学载荷控制系统包括通信模块、控制模块、智能处理模块、电源管理模块、存储模块和时钟模块等。通信模块支持多路RS232协议与传感器通信；智能处理模块采用i.MX6Q-C控制器，具有性能高，支持linux操作系统、计算速度快等特点；电源管理模块为各模块合理分配电源以降低整个电子系统功耗，提高系统续航能力；存储模块为长时、连续的数据采集提供大容量的存储。智能科学载荷控制系统可实现低功耗电源管理功能、控制传感器的数据采集、停止、传输、存储，并将采集的传感器数据进行在线智能化分析功能。智能控制系统采用MOOS-IvP软件架构，智能处理模块采用机器学习算法，根据实时采集的湍流数据，融合CTD数据，流速数据以及海洋湍流观测系统运动状态，在线实时分析采集的数据进行观测环境感知判断，比如底边界层、温跃层、中尺度涡等，从而自主决策与观测路径规划、动态调整高速精细化湍流观测的采样频率和带宽，满足特定现象下湍流追踪观测与精细化观测，实现海洋湍流自主智能观测。大致实现过程如下：

(1)数据采集

在海洋湍流观测系统水下运动过程中，通过湍流观测仪实时采集湍流数据，通过CTD传感器和流速传感器分别实时采集CTD数据和流速数据，并进行存储。

(2)数据处理

依次通过数据滤波、校正补偿和噪声消除步骤进行数据处理，并结合海洋湍流观测系统运动状态进行观测环境感知判断。

(3)自主决策与观测路径规划

根据所判断的观测环境确定进行水平观测或锯齿状观测，以自主规划观测路径，动态调整高速精细化湍流观测的采样频率和带宽；在观测过程中还实时监测外部环境是否有变化，如果外部环境发生变化，则相应改变海洋湍流观测系统运动方式。

更为具体的步骤如下：

(1)智能科学载荷控制系统的智能处理模块启动，初始化后，进行CTD数据和流速数据的持续采集与存储。

(2)开启湍流数据采集与存储，包括湍流剪切数据和快速温度数据。

(3)湍流数据滤波：将采集的湍流数据采用低通滤波器进行滤波，滤除频率高于200Hz的无效数据。

(4)湍流数据校正补偿：采用奇异值去除法将湍流数据中的异常值去除；并采用平均数据插值法进行插值，即取缺失时间点t1前后的数据点和的平均，进行插值。

(5)湍流数据噪声消除：根据加速度传感器测量的x、y和z轴方向上的合加速度，求解能够反映在湍流测量时振动状态的动态加速度，利用如下公式

A_ccx＝A_x-gsinθ

式中，A_x，A_y，A_z是合加速度，A_ccx，A_ccy，A_ccz是动态加速度，g是重力加速度，θ和

分别为三轴加速计的倾斜角和横滚角。

随后，进行动态加速度信号的傅里叶变换，得到频域特性。建立动态加速度信号与湍流数据的相干函数，采用经验模态分解方法进行噪声消除。

(6)将采集的CTD数据、流速数据以及海洋湍流观测系统运动状态数据与经过处理后的湍流数据采用基于机器学习的数据融合算法，运用泰勒冻结定理得出当前观测环境下的湍动能耗散率、湍流剪切速度梯度、跃层边界因数。

(7)依据数据融合算法计算结果，进行观测环境感知判断，并自主决策与观测路径规划。以底边界层为例，当海洋湍流观测系统贴近海底时，测量的湍流剪切速度梯度会产生较大的波动，将湍流剪切速度梯度变化与事先设定的阈值进行比较，若达到阈值则说明海洋湍流观测系统已经进入海底边界层，自主开启水平观测，湍流采集也进入高速精细化采集模式。(温跃层和中尺度涡是锯齿状的跃层追踪观测)

(8)观测过程中实时监测外部环境是否有变化，进行自主智能观测。

本发明提出了一种海洋湍流混合观测方法，可实时融合现场观测数据，具备自主决策与观测路径规划功能，针对不同海洋现象观测需求，动态调整湍流采集采样参数，实现不同海洋现象下(底边界层、温跃层、密跃层)的追踪观测与精细化观测，提升了海洋湍流对气候变化的准实时预警预报能力。

作为对本发明方法所涉及海洋湍流观测系统的进一步设计，所述密封拉紧杆6的一端设置有限位固定盘64，密封拉紧杆6依次穿过第一耐压舱体21、中间转接舱5、第二耐压舱体31和后端球盖32，在密封拉紧杆的另一端设置有连接头62，并在连接头处配置有锁紧螺母63，进行一体式锁紧。在中间转接舱5的中心设置有定位通孔51。中间转接舱5的设置可有效降低整个密封舱体的长度，而且可对密封拉紧杆6起到定位导向的作用。

进一步的，所述转向装置42包括水平舵421和可转动的垂直舵422，垂直舵422与用于驱动其转动的舵机相连接。所述推进装置43包括螺旋桨431和用于带动螺旋桨转动的推进电机。所述舵机和推进电机均置于耐压机舱44中。耐压机舱44通过连接架45与后端球盖32连接。所述外油囊92可安装于连接架45的上方。

更进一步的，所述导轨齿条61与密封拉紧杆6为可拆卸式连接，导轨齿条61的两端通过螺栓与密封拉紧杆6相连接，由于密封拉紧杆6需要顺序将固定电池组24和移动电池组71等串起来，因此上述结构设置方便了观测系统的组装。

作为对本发明所涉及海洋湍流观测系统中减振装置的进一步设计，所述减振膜式橡胶囊124的宽度从连接固定杆125的一端至连接减振橡胶套筒121的另一端逐渐减小，整体呈扇形。减振膜式橡胶囊124采用上述设计，再配合膜片本体的截面形状等，使得减振膜式橡胶囊124既能够承受数字化采集舱的重量，又尽可能进行自身减重，且具有柔软性，整体呈现出较好的减振效果。

上述膜片本体也可设置成实心结构，但内部中空的膜片本体相比于实心结构的膜片本体，刚度更小，减振效果更好。

更进一步的，所述减振膜式橡胶囊124的V形口朝向背离测量传感器123的方向。或者说减振膜式橡胶囊124的凸起方向朝向测量传感器123，以起到导流降阻力的作用。

进一步的，在数字化采集舱122的长度方向上间隔设置有2-3个减振橡胶套筒121，每个减振橡胶套筒121上连接4个减振膜式橡胶囊124，减振膜式橡胶囊124在减振橡胶套筒121的周圈呈翅片状布置，且该4个减振膜式橡胶囊124沿减振橡胶套筒121的外侧周圈等间隔分布。所述固定杆和固定柱的设置个数均与每个减振橡胶套筒上设置的减振膜式橡胶囊个数相等，所述固定杆水平布置。固定杆125依次穿过相邻减振橡胶套筒的同一位置处固定头后，固定杆的端头插入橡胶罩体对应的固定孔中，然后固定头1244的两端可通过卡扣等进行在固定杆上定位固定。当然，上述减振橡胶套筒的设置个数，以及每个减振橡胶套筒上的减振膜式橡胶囊个数均可根据实际需要进行调整。

更进一步的，所述数字化采集舱122的外侧设置有导流筒罩128，导流筒罩128将数字化采集舱122和其周圈的固定杆125等进行包裹，所述橡胶罩体的锥口端与导流筒罩的一端相扣合，整体呈现较好的流线型。

本发明所涉及海洋湍流观测系统中减振的工作原理及过程大致如下：

测量传感器123受到的振动影响主要来自于两方面，一方面是后方电机、推进器等引起的振动，另一方面是运行时的流激振动。采用本发明减振装置，当电机振动时，电机带动与其相连的主控制舱126振动，主控制舱126带动固定杆125振动，但固定杆125和数字化采集舱122之间设置有减振膜式橡胶囊124和减振橡胶套筒121，通过减振膜式橡胶囊124和减振橡胶套筒121的缓冲和吸收振动作用，使得该振动并不能传导至数字化采集舱122和测量传感器123。同时，系统运行时连接在固定杆125前端的保护膜式橡胶罩体能够起到缓冲激流，防止流体流动产生的交替变化激振力冲击数字化采集舱引起测量传感器振动的问题，而且橡胶罩体还具有导流效果。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变型方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种海洋湍流混合观测方法，采用海洋湍流观测系统，该系统从前至后依次包括湍流观测舱、能源舱、姿态调节舱和推进舱；

所述湍流观测舱包括艏部导流罩，在艏部导流罩的前端中心处设置有湍流观测仪，湍流观测仪与艏部导流罩同轴，且伸出艏部导流罩一段距离；在艏部导流罩的上部位置处设置有CTD传感器，在艏部导流罩的下部位置处设置有流速传感器，CTD传感器和流速传感器均安装在传感器安装支架上；在艏部导流罩处还安装有深度传感器；

所述能源舱包括第一耐压舱体，在第一耐压舱体的前端设置有前端球盖，艏部导流罩与前端球盖相连接，在前端球盖上设置有水密插接件，在第一耐压舱体的内部设置有固定电池组；

所述姿态调节舱包括第二耐压舱体，在第二耐压舱体的内部设置有姿态调节装置；在第一耐压舱体的后端和第二耐压舱体的前端之间设置有中间转接舱体，在第二耐压舱体的后端设置有后端球盖；在第一耐压舱体、中间转接舱体和第二耐压舱体的中心设置有密封拉紧杆，密封拉紧杆的一端与前端球盖连接，密封拉紧杆的另一端与后端球盖连接；通过密封拉紧杆将第一耐压舱体、中间转接舱体和第二耐压舱体拉紧为一体；

所述密封拉紧杆的截面呈方形，在密封拉紧杆的部分段体上方设置有导轨齿条；所述姿态调节装置包括移动电池组，在固定电池组和移动电池组的中心设置有穿孔，所述密封拉紧杆经穿孔穿过固定电池组和移动电池组，在移动电池组的端部设置有驱动电机和传动齿轮，驱动电机与传动齿轮连接，传动齿轮与导轨齿条相啮合；

所述推进舱包括尾部导流罩，尾部导流罩与后端球盖连接，在尾部导流罩上设置有转向装置和推进装置；

所述湍流观测仪包括测量传感器、数字化采集舱、主控制舱和减振装置；所述减振装置包括机械振动减振结构，所述机械振动减振结构包括减振橡胶套筒，减振橡胶套筒套在湍流观测仪的数字化采集舱上，测量传感器安装在数字化采集舱的前端，在减振橡胶套筒的周圈间隔设置有减振膜式橡胶囊；

所述减振膜式橡胶囊包括膜片本体，膜片本体的截面呈V形，在膜片本体的一边沿设置有第一连接片，在膜片本体的另一边沿设置有第二连接片，第二连接片与减振橡胶套筒相连接，第一连接片的上方设置有固定头，在固定头上设置有通孔，在通孔中穿过有固定杆，固定杆的一端与主控制舱相连接，主控制舱与湍流观测舱相连接；

在姿态调节舱和推进舱的连接处还设置有浮力补偿装置，所述浮力补偿装置包括内油囊和外油囊，内油囊通过出油管与外油囊连接，外油囊通过进油管与内油囊连接，在出油管上设置有出油控制电机泵，在进油管上设置有进油控制电机泵；所述内油囊设置在姿态调节舱中，外油囊设置在推进舱中；

其特征在于，该海洋湍流混合观测方法包括以下步骤：

（1）锯齿下潜

启动姿态调节装置的驱动电机正向旋转，驱动电机通过传动齿轮和导轨齿条带动移动电池组前移，致使系统重心前移，艏部低头，产生下潜俯仰角度；开启浮力补偿装置，外油囊的液压油进入内油囊，致使浮力减少；同步启动推进装置，提供前进动力，系统将以一定的俯仰角度锯齿状向下运动；

（2）水平航行

通过深度传感器实时测量系统下潜深度数据，在到达指定深度时，关闭推进装置，启动姿态调节装置的驱动电机反向旋转，驱动电机通过传动齿轮和导轨齿条将移动电池组调节至中间平衡位置；同时浮力补偿装置调节至初始状态，使系统在水中平衡；开启转向装置，以保证航行角度和转弯；启动推进装置，提供前进动力；

（3）锯齿上浮

启动姿态调节装置的驱动电机反向旋转，驱动电机通过传动齿轮和导轨齿条将移动电池组后移，致使系统重心后移，艏部抬起；开启浮力补偿装置，将内油囊中的液压油部分排到外油囊，致使浮力增加；启动推进装置，提供前进动力，系统将以锯齿状向上运动。

2.根据权利要求1所述的一种海洋湍流混合观测方法，其特征在于：在姿态调节舱的尾部设置有柔性通信天线，海洋湍流观测系统通过柔性通信天线与卫星系统进行数据传输，卫星系统与地面数据中心进行数据传输；通过地面数据中心进行系统状态检测、定位并设置观测任务。

3.根据权利要求2所述的一种海洋湍流混合观测方法，其特征在于该观测方法的整体过程包括以下步骤：

（1）布放海洋湍流观测系统；

（2）海洋湍流观测系统启动，由地面数据中心进行状态检测、定位并设置观测任务；

（3）海洋湍流观测系统进行锯齿下潜、水平航行、锯齿上浮的运动；

（4）在海洋湍流观测系统的水下运动过程中，湍流观测仪观测不同深度下的湍流混合分布特征，并通过CTD传感器和流速传感器同步采集CTD数据、流速数据；

（5）观测结束后，上浮至海面，将采集数据传输至地面数据中心。

4.根据权利要求3所述的一种海洋湍流混合观测方法，其特征在于，所述海洋湍流观测系统可进行观测路径规划的自主智能观测，具体包括以下步骤：

（1）数据采集

在海洋湍流观测系统水下运动过程中，通过湍流观测仪实时采集湍流数据，通过CTD传感器和流速传感器分别实时采集CTD数据和流速数据，并进行存储；

（2）数据处理

依次通过数据滤波、校正补偿和噪声消除步骤进行数据的实时融合与处理，并结合海洋湍流观测系统运动状态进行观测环境感知判断；

（3）自主决策与观测路径规划

根据所判断的观测环境确定进行水平观测或锯齿状观测，以自主规划观测路径；在观测过程中还实时监测外部环境是否有变化，如果外部环境发生变化，则相应改变海洋湍流观测系统运动方式。

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