基于水下滑翔机的湍流观测平台研究

海洋湍流混合过程对大洋热盐环流具有重要调控作用,因此海洋湍流混合特征量如湍动能耗散率等物理量的定量刻画,主要通过现场湍流观测来实现。为满足长期连续海洋湍流混合观测资料的迫切需求及打破国外的技术封锁,自行研制了基于水下滑翔机的湍流观测仪。为了测试滑翔机在小尺度湍流观测方面的可行性,将一个携带有剪切探头的湍流仪安装在滑翔机本体上,并在千岛湖进行了一系列的实验。滑翔机平台的主要噪声来源于浮力调节机构中的油泵,油泵会在接近剖面的底端时开启。三轴加速度谱在30 Hz左右有明显的谱峰,说明滑翔机油泵的振动频率应该是在30 Hz左右,在其他频率点上振动较小。由剖面下潜过程(开泵)的波数谱可知,开泵时虽然对湍流观测有影响,但是振动频率在波数空间中处于无效观测谱一侧,由此说明平台的振动对剪切信号影响很小。剪切探头测得的耗散率在10-7 W/kg量级上,且都与Nasymth理论谱吻合良好,验证了滑翔机在小尺度湍流观测方面的可行性。     

水下滑翔机温盐深观测数据处理研究

为提高水下滑翔机搭载的温盐深剖面仪(CTD)数据处理质量及效率,在船载CTD数据处理方法基础上,研究了国产水下滑翔机CTD数据处理方法,基于Matlab GUI编程技术设计与研发了水下滑翔机CTD数据处理软件,利用该软件处理了“海燕”水下滑翔机GPCTD观测数据并与船用SBE 911 plus CTD、XCTD及MVP300传感器成果数据进行了对比,结果表明：GPCTD观测数据经处理得到的温、盐、声剖面整体趋势与各传感器成果数据基本一致,数据质量介于各传感器之间,其中温度、声速与XCTD、MVP数据更接近,而盐度与CTD数据更吻合,本文研究将为规范处理与使用水下滑翔机海洋水文数据提供参考。     

基于水下滑翔机观测数据的西北太平洋混合层特征研究

基于水下滑翔机在2019年8至10月观测到的温盐资料,本研究分析了西北太平洋混合层总体的变化情况,并探讨了混合层异常变化的原因。结果表明,混合层温度总体上呈现随季节转换逐渐降低的趋势,混合层深度总体上呈现随季节转换逐渐增大的趋势。进一步的相关性分析得出,该海域混合层温度、混合层深度的变化特征主要是由外部大气强迫场(海面风场和净热通量)所决定的。水下滑翔机还观测到了混合层温度异常降低、混合层深度异常变浅的现象。通过计算混合层热收支发现,垂向夹卷作用是海洋混合层内温度降低和混合层深度变浅的主要原因。通过进一步计算研究海域冷涡的上升速度与海水垂向夹卷速度的变化情况,并结合卫星遥感资料,得出海洋的中尺度涡旋活动主导了混合层异常现象的发生。     

面向典型海洋现象观测的水下滑翔机应用综述

水下滑翔机是一种浮力驱动的无人水下自治观探测平台, 具有持续性、鲁棒性、自主性等特点, 是构建海洋观测技术体系重要的水下航行器之一。文章从水下滑翔机发展历程、运行方式和专用传感器展开, 基于国内外海洋学文献综述研究, 重点对水下滑翔机在典型海洋现象观测应用方面进行总结。水下滑翔机的运行稳定性、长时续, 观测高分辨率、低成本的特点, 满足了对海洋中尺度涡、内波、湍流、环流/边界流和锋面的长时间、精细化立体观测要求; 鲁棒性、自主性的特点使其能够适应台风过境、地震、原油泄漏前后等紧急恶劣海洋状况的监测; 运行平稳、低噪声的特点使其成为声学监测与探测的良好平台。对比分析国内外的水下滑翔机(组网)应用状况可以发现, 国内水下滑翔机在传感器、数据处理和组网技术方面都需要进一步完善。最后总结并展望了国内外水下滑翔机面向海洋现象观测的应用。     

水下滑翔机观测台风“天鸽”过境的海洋响应研究

水下滑翔机作为一种新型移动观测平台,可以对热带气旋过境期间引发的海洋响应进行全方位的观测,利用获取的观测数据能够进一步增强台风预报的准确性。从水下滑翔机相较于其他热带气旋观测方式的优势展开,基于“海燕”系列水下滑翔机观测到的台风“天鸽”(Hato)引起的海洋温盐异常历史数据, 并结合同期卫星的观测数据和 JMA(Japan Meteorology Agency)最佳台风路径数据库,分析研究水平和垂直方向上的海洋温盐异常响应。验证了 4 台“海燕–II”水下滑翔机具有对 2017 年台风“天鸽”引起的海洋响应进行精细化剖面观测的能力,可以完整捕捉台风过境引起的垂直混合现象以及降雨对其观测区域内盐度变化的影响,并分析水下滑翔机观测数据得出台风期间海洋响应的程度与其距离台风的位置有关,即台风期间水下滑翔机观测海域与台风路径距离越近,其温盐异常变化越明显,并且台风路径右侧海域相较于路径左侧海域的温度异常幅度更大。     

水下滑翔机海上试验研究

介绍了水下滑翔机工程样机"海翔1"号2015年在南海的海上试验情况,包括试验对象、试验海区、试验步骤和试验数据分析等。本次试验最大下潜深度达到503.7 m,最大垂直速度为0.15m/s,最大水平航速为0.33 m/s,水中航行里程总计41.2 km。在4级海况下完成了通信定位、数据传输、布放与回收作业,搭载了CTD、叶绿素和溶解氧浓度传感器进行海洋环境参数测量,获得了500 m深度剖面内的温度、电导率、叶绿素浓度和溶解氧浓度参数信息。本次海上试验为水下滑翔机产品设计定型和示范应用奠定基础。     

基于水下滑翔机平台的海洋声学探测技术发展现状与展望

水下滑翔机作为一种新型海洋监测平台,具有大航程、长时序、高隐蔽性、低成本及通用性强的特点,是用于水下移动目标探测、海洋水文环境精细化测量的优势平台,在海洋勘测与探测、国家海洋安全、海洋环境监测体系建设中发挥着重要作用.详细梳理了基于水下滑翔机平台的海洋声学探测技术的国内外研究进展现状,展望了推动海洋声学探测未来发展的关...     

基于牛顿力学积分的水下滑翔机群协同控制研究

水下滑翔机是开展海洋无人移动观测的重要平台,其实际航行轨迹往往与预设路径存在较大差异,多台水下滑翔机协同观测时,难以始终保持预设的组网阵列.本研究提出一种基于牛顿力学积分的水下滑翔机群协同控制算法,根据水下滑翔机群出、入水的异步性调节水下滑翔机入水前的运动参数.基于对水下滑翔机受力分析,利用牛顿力学积分还原水下滑翔机在...     

“海翼号”水下滑翔机盐度数据的热滞后效应偏差订正方法探讨

水下滑翔机可以高效地观测海水的温度、盐度和压强等海洋参数,但由于热滞后效应,盐度数据,特别是在温度梯度较大的温跃层,会出现一定程度的偏差。本研究选取了3种目前常用的盐度热滞后订正方法,对带泵的“海翼号”水下滑翔机,于2019年8月在中北太平洋所观测的盐度数据因热滞后效应引起的偏差进行订正处理,与船载911型温盐深测量仪(Instrument for Measuring Conductivity Temperature and Depth,CTD)观测盐度进行对比,在比较了3种方法对滑翔机盐度订正前后下降和上升剖面偏差的减少程度、订正后剖面与船载CTD观测剖面的偏差大小和下降上升温盐曲线(T-S曲线)的一致程度后,得出了水下滑翔机盐度订正的最优方法,即在订正电导池中实际温度的前提下,采用计算机图形分割方法,最小化滑翔机机载CTD测得的下降和上升两个剖面T-S曲线围成面积所确定的目标函数,来确定合适的热滞后修正振幅和时间常数,从而修正下降和上升两个剖面之间盐度偏差。     

浅海型水下滑翔机技术研究现状分析

美国Teledyne Webb Research公司按照型号系列化、结构模块化和测量多样化的设计思路研制水下滑翔机,其Slocum 200浅海型和Slocum 1000深海型水下滑翔机在海洋环境观测领域具有广泛的客户需求。文中以200 m浅海型和1 000 m深海型两款水下滑翔机为例,详细对比了两者的技术特点,并在此基础上阐述了两者各自适用的海洋环境观测应用范围,两者优势互补,难以取代对方。浅海型水下滑翔机具有锯齿剖面密度大、折返机动性高和平均前向速度快的特点,适合在近海岸、陆架坡折和深海温跃层等区域对高时空变率海洋现象进行观测。近几年,我国深海型水下滑翔机技术取得了惊人进步,同时,我国浅海型水下滑翔机技术也在快速发展,这对推动我国海洋环境监测业务水平的提升意义重大。     

基于南海水下滑翔机观测的业务预报系统温盐分析数据评估

利用2019年7月12日至9月20日“海翼”号水下滑翔机在南海北部的温盐观测数据,对3个海洋业务预报系统（法国Mercator Océan International的PSY4、美国HYCOM Consortium的GOFS3.1和中国国家海洋环境预报中心的CGOFS）的温盐分析数据进行了质量评估。结果表明,3个业务预报系统对温度和盐度都有较好的刻画能力。其中,PSY4系统的温度、盐度在所有评估点处的总体均方根误差分别为0.45℃、0.056,小于另外2个系统,是3个系统中最优的。从总体偏差来看,PSY4与CGOFS温度呈现暖偏差,而GOFS3.1温度呈现冷偏差;3个系统的盐度都呈现负偏差。均方根误差的垂向结构显示,温度均方根误差与偏差最大值出现在水深100 m附近,盐度最大值在水深50 m附近。以上结论为南海北部海域使用分析数据提供参考。此外,大气强迫场的降水量偏多可能导致了CGOFS系统8月的盐度值出现较大的均方根误差和较明显的负偏差,因此在数值预报时需更多地关注强迫场的选取。     

基于卡尔曼滤波的水下滑翔机组合导航研究

水下滑翔机定位与导航精度的提高对于其完成水下作业任务至关重要。水下滑翔机传统的定位方法是依托于GPS信息的航位推算,定位精度较低,不能满足按既定路径航行的导航要求。为此,本文提出了一种利用卡尔曼滤波的组合导航方法,该方法在传统航位推算技术的基础上采用卡尔曼滤波器融合惯性导航系统数据和深度计数据,得出深度的卡尔曼最佳估计值,以此代替传统航位推算技术中的深度计直接测量值,从而提高航位推算精度。基于该方法,进行了仿真分析,并通过样机水池实验验证了该方法的有效性。     

基于改进LHS方法的翼型水下滑翔机水动力外形优化

针对如何获得翼型水下滑翔机最佳升阻比外形这个问题,提出了基于改进拉丁超立方抽样方法的翼型水下滑翔机外形优化方法。分别应用中值拉丁超立方抽样方法和改进拉丁超立方抽样方法从翼型水下滑翔机参数化模型中进行二次取样,利用计算流体力学(CFD)方法计算其在水中做匀速运动时的升力系数和阻力系数,获得翼型水下滑翔机优化模型。对比改进拉丁超立方抽样方法和中值拉丁超立方抽样方法的优化结果表明:在相同样本数量条件下,改进拉丁超立方抽样方法可以获得更好的优化结果。     

基于水下滑翔机观测数据的白令海海盆区域温度及溶解氧特征分析

基于2019年夏季中国第十次北极科学考察("十北"科考)中"海燕"水下滑翔机观测的温度和溶解氧(Dis-solved Oxygen,DO)数据,对白令海海盆区水团分类,及其温度和溶解氧分布特征进行了分析研究.结果表明:北极白令海海盆区水体一般由温度差异较为明显的上层水,中层水和深层水组成,其温度水平分布具有东高西低的特...     

水下滑翔机在识别水团新结构中的应用

本研究基于中国科学院沈阳自动化研究所自主研发的水下滑翔机在热带东太平洋观测获取的连续剖面温盐数据,并通过与多套不同数据的比测,证实国产水下滑翔机观测的温盐数据准确可靠,未来可大范围应用于深海大洋。观测结果首次发现该海域北太平洋中央水（NPCW）（50~100 m）的60~80 m层分布着中间层低盐水,分析认为该低盐水来源于水团下方的加利福尼亚流系水（CCS）,中间层低盐水形成的动力机制主要受跃层附近的内波控制,并与内波强度密切相关,同时受上层（20~60 m）障碍层的影响,该中间层低盐水仅仅出现在60~80 m。本研究发现内波与障碍层能够通过影响动能与热能的传输进而促进水团新结构的形成,相关成果丰富了内波与障碍层对上层海洋响应的研究,具有重要的科学价值。     

南海北部最小含氧带水下滑翔机观测结果初步分析*

最小含氧带(Oxygen Minimum Zone, OMZ)是指海洋中层水体处存在的稳定的溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)极小值层, OMZ的分布与变化对南海生态系统和生地化循环具有重要意义。本文利用2019年7—9月“海翼”号水下滑翔机(Sea-wing Glider)在南海北部陆坡区的组网观测数据, 对南海北部陆坡区OMZ的空间分布特征进行了分析。结果显示, 在垂向上, 研究区域内DO极小值层出现在深度约700~900m处, 其浓度约为80~100μmol·L^-1, 且700~900m深度范围内DO浓度变化不大, 形成了厚度约为200m的OMZ。在水平方向上, OMZ自陆坡西南部起向东北方向延伸, 厚度由西南至东北逐渐变薄, 整体呈楔形分布, 并在靠近吕宋海峡处逐渐消失。此外, 本研究还选取了两台水下滑翔机7—8月连续两周内的观测数据, 经计算显示, OMZ区域内的DO浓度在跨陆坡方向上的平均变化速率为0.023μmol·L^-1·d^-1(增加), 在沿陆坡方向上为-0.034μmol·L^-1·d^-1(减少)。沿吕宋海峡入侵南海的高氧水能够解释OMZ东北部DO浓度局部升高的现象, OMZ的分布特征和形成原因与海水的平流运动、水团分布和水体层化等物理过程, 以及生物呼吸、有机物分解和还原性物质的氧化等多种影响因素有关。     

基于遗传算法的碟型水下滑翔机结构优化

以结构质量和应力作为目标函数,结构变形为约束条件,设计碟型水下滑翔机结构优化流程,采用单参数和多参数敏感度分析方法完成关键结构参数的筛选。采用拉丁超立方试验设计方法完成了对设计空间的采样布点工作,利用样本点数据创建了滑翔机结构优化的Kriging代理模型,并对Kriging代理模型进行了联合训练,使模型的拟合达到非常高的可用精度。采用NSGA-2第二代非支配排序多目标遗传算法对滑翔机进行了结构优化求解,得到了优化的Pareto前沿面最优解。优化结果显示,结构质量和应力较优化前分别降低5.57%和14.91%,文中所提方法在滑翔机结构优化设计中具有可行性。     

基于海洋机器人的科学观测与实验系统研究现状与展望

海洋机器人具有观测范围大、作业灵活、机动性好、可控性强等突出优点,在海洋科学观测与海洋科学实验中发挥了重要作用,促进了物理海洋和海洋生物地球化学的发展。为阐明海洋机器人在海洋科学观测和实验中的应用情况,以水下滑翔机、自主水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）和无人帆船3种典型的观测型海洋机器人为例介绍了海洋机器人在海洋科学观测中的应用现状;以原位采样与固定、原位培养与分析海洋机器人为例介绍了海洋机器人在海洋科学实验中的应用现状;最后结合未来海洋科学研究需求,从需求牵引的角度对基于机器人的科学观测与实验系统的发展趋势进行了展望。     

水下自航式海洋观测平台技术发展研究

水下自航式海洋观测平台是一种新型海洋观测平台，主要用于无人、大范围、长时间水下环境监测，包括物理学参数、海洋地质学和地球物理学参数，海洋化学参数、海洋生物学参数及海洋工程方面的现场接近观测。其特点是：成本低，环境适应性强，可冲破人工潜水极限而进入现场进行接近观测，免除了ROV需要水面支援母船的累赘，减少作业经费，体积小，使用方便，便于布放回收；可根据水声信号摇控或预置程序控制，按要求进行相关项目观测；有自主动力，水下运行时间相对较长，有源噪声低，可进行隐弊观测，正是基于以上的优点，近几年颇得海洋环境监测和海军方面的青睐，本文介绍了国际上水下自动观测平台的发展历史和现状，提出了我国开展研究水下自动观测平台的重要性及研究的面容。     

水下滑翔机的海洋应用

<正>水下滑翔机是一种依靠浮力驱动、以锯齿形轨迹航行的新型水下移动观测平台,具有制造成本与使用费用低、续航能力强、自主可控等特点,已经逐渐成为一种有效的海洋观测平台[1]。水下滑翔机是一种新型的海洋环境观测平台,近年来在国内外受到了极大的关注。1995年以来,美国先后研制出Slocum[2]、Seaglider[3]和Spray[4]等多种水下滑翔机,并于2003年前后逐步实现产品化。