海洋微结构翼型剪切流探头标定与测量精度分析

海洋湍流剪切流探头是开展海洋微结构湍流观测的重要工具。由于不同的翼型剪切流探头在结构设计、材料使用、标定和校准方法上的差异，不同剪切流探头之间的性能参数并不具备通用性和互换性。本课题以自行设计的翼型剪切探头为载体，详细展开探头的标定和测量精度的影响因素研究，分析探头探针形状、尺寸与信号输出的关系，探头对剪切流激励的动态响应特性以及传递函数获取，探头在低波数和高波数下的性能，探头模拟电路频率响应，以及探头灵敏度标定和误差分析等。并针对不同的动能耗散率测量范围，提出专门的探头设计方法，使其适应测量要求，最终获得高质量的测量结果，为我国自主研制的翼型剪切流探头推广应用奠定理论和试验基础。

本项目基于海洋微结构翼型剪切流探头为研究目标，首先对传感器的形状特性进行了水动力学分析，选定合适的外形结构，建立了翼型剪切流探头动态响应传递函数，提出了探头在标定和实际测量中使用的误差估算方法，并给出了补偿措施。剪切探头直接测量的是脉动速度随着时间的变化率，在计算脉动速度剪切的过程中需要使用该探头的灵敏度参数，因此，灵敏度标定误差和精确性直接影响了最终所获取的微尺度参数的真实性及可靠性。根据特定的剪切探头的测量原理提出了海洋湍流测量剪切探头灵敏度标定方法，建立了室内标定系统。通过标定系统，可以对不同的剪切探头进行灵敏度标定测试，通过实验数据分析验证了标定设备和标定方法的可行性。同时提出了灵敏度参数与环境温度之间相互补偿的计算方法。基于目前国际与国内湍流测量方法均为剖面自由下放式观测，对于长期定点观测基本属于空白。项目在研究后期，完成了湍流观测仪的信号调理与信号采集系统，为了充分验证系统设计的可靠性，成功搭载在其他测量载体中，并完成了相关的结构设计。通过比测实验证明了自行研制的湍流观测仪自身噪音与进口仪器的自身噪音在同一量级，其性能可以满足湍流观测的要求对湍动能耗散率计算方法进行了总结。最终，针对定点观测方法进行了相关的研究和系统设计，并针对定点观测系统中由于观测平台振动污染剪切信号这一现象，提出了运动补偿理论和校正算法，通过实验验证了该理论方法的可行性。