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热带海洋学报 2013年第3期32卷 9-15页

作者：王洁段自强姚小红高会旺中国海洋大学海洋环境学院山东青岛266100 海洋环境与生态教育部重点实验室(中国海洋大学) 山东青岛266100

对西北太平洋海域2005年9—11月"东方红Ⅱ"船载风速脉动资料的功率谱分析发现,在频率区间0.06—0.26Hz普遍存在一个由于船体晃动而产生的异常峰值,本文提出了一种消除船体晃动干扰的滤波校正改进方法。校正方法数据处理步骤如下:在双对... 详细信息

对西北太平洋海域2005年9—11月"东方红Ⅱ"船载风速脉动资料的功率谱分析发现,在频率区间0.06—0.26Hz普遍存在一个由于船体晃动而产生的异常峰值,本文提出了一种消除船体晃动干扰的滤波校正改进方法。校正方法数据处理步骤如下:在双对数坐标系下,利用受干扰频率区间前后的功率谱密度值,线性拟合得到该区间内的功率谱趋势线;然后利用原始功率谱和趋势线反演得到受干扰频率区间的校正功率谱;最后通过傅里叶逆变换得到校正后的海面风速脉动资料序列。通过对校正后风速脉动资料湍流特征量的分析表明了该方法用于校正船体晃动对船载海面风速脉动观测影响的可行性。观测期间西北太平洋海区大气多处于热力作用较强的弱不稳定及不稳定条件,无量纲风速标准差与稳定度参数z/L之间能很好地符合1/3次方定律;各方向湍流强度分别为0.091、0.076、0.043;拖曳系数约为(1.30±0.26)×10 3,与他人在该海域的观测结果类似。

关键词：船载观测风速脉动涡动相关技术西北太平洋湍流特征

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基于姿态传感器的船舶真风观测系统研制

基于姿态传感器的船舶真风观测系统研制

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作者：王君悦齐鲁工业大学

学位级别：硕士

海面风向、风速数据的准确性很大程度上决定了船舶航行过程的安全,也是各种海洋作业的基础,对于气象观测、船舶操纵、预防灾害等具有重要意义。但通常情况下,海上航行的船舶在测风的过程中,由于船舶自身的摇摆所造成的空间运动和航行所... 详细信息

海面风向、风速数据的准确性很大程度上决定了船舶航行过程的安全,也是各种海洋作业的基础,对于气象观测、船舶操纵、预防灾害等具有重要意义。但通常情况下,海上航行的船舶在测风的过程中,由于船舶自身的摇摆所造成的空间运动和航行所导致的各项误差,会造成最终真实风速风向数据测量的不准确。为解决现有的志愿船船舶真风测量不够精确的问题,本文对船舶运动补偿方法以及船舶真风测量方法进行研究,提出一种基于姿态传感器的船舶运动补偿真风观测系统,具体内容如下:首先,分析船舶相对风、航行风、真风的矢量计算和基于旋转矩阵的船舶运动姿态补偿算法,得出影响真风测量的因素主要有风向、风速、航速、航向、横摇角、纵摇角、艏摇角。对系统的功能进行剖析,具体包括真风相关基础数据的采集以及对采集到的基础数据进行处理,在此基础上,确定观测系统的框架,具体分为舱外、舱内两部分:以STM32单片机为主控核心,RT-Thread国产实时操作系统为基础,辅以各种采集传感器的舱外部分,以及搭载了船舶真风观测系统数据接收与处理功能的上位机舱内部分。其次,进行相关的硬件选型并进行电路设计以满足真风解算所需要各项数据的采集。运用三维风速风向传感器WindMaster测量实时风速风向,六轴姿态传感器MPU6050扩展磁力计并配合GPS分别测出船舶在航行过程中的空间姿态角变化和船舶的航速、航向,并对各器件的电路部分进行合理的设计。为更好地实现数据传输,选用LORA模块通过协议进行数据打包传输。然后,为了实时采集相应数据完成传输,以进一步进行真风的解算工作,设计并编写上位机软件以及基于RT-Thread的船舶真风观测系统软件。对于船舶真风观测系统,在硬件层面上首先需要进行初始化、硬件驱动设计。配置线程的优先级以及时间片等,以实现多线程任务之间的实时与同步;舱内上位机部分的设计,需具备无线数据接收与解包、实时显示、真风解算、曲线对比的功能。最后,对船舶真风观测系统进行系统功能性的测试、真风模拟实验及实地实验。功能性的测试确保船舶真风观测系统运行正常,无线通信稳定,各传感器采集数据准确。真风模拟实验分别验证船舶相对风、航行风、真风的矢量计算和基于旋转矩阵的船舶运动姿态补偿算法的准确性和可靠性。分别在海洋实验站与实船上进行实地实验,实验结果表明,实地实验得到了相对准确的风速风向数据,一定程度上改善了船舶运动对真风观测的影响。

关键词：风速风向多传感器船载观测 RT-Thread 实时测量

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走航式表层水温观测系统研究

走航式表层水温观测系统研究

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作者：刘帅齐鲁工业大学

学位级别：硕士

海水温度观测对研究海洋物理、海洋化学、海洋生物和地理学等领域具有十分重要的实用价值。船载海水温度观测对全球天气网的有效构建,海洋环境数据的精准预测,船舶航行的安全保障具有极重要的现实意义,是开展相关研究不可缺少的数据获... 详细信息

海水温度观测对研究海洋物理、海洋化学、海洋生物和地理学等领域具有十分重要的实用价值。船载海水温度观测对全球天气网的有效构建,海洋环境数据的精准预测,船舶航行的安全保障具有极重要的现实意义,是开展相关研究不可缺少的数据获取手段。但目前,传统船载测温方法仍面临着观测层深不确定、观测稳定性较差、高度依靠专业技术人员操作等一系列问题,因此本文主要面向于海水表层温度观测,开展了智能化、自动化、低功耗的船载智能水温观测系统的开发研制,旨在为船载表层水温观测提供一定的技术支持。首先,结合当前船载水温观测研究的现状及《GB/T 14914.2-2019海洋观测规范第2部分:海滨观测》等“相关观测规范要求”,提出了系统的总体设计方案,系统包括三大单元:数据采集终端、智能运动单元、主控中心。基于STM32和RT-Thread国产嵌入式操作系统,本文进行了数据采集终端和智能运动单元的开发设计,包括采集终端和运动单元的机械设计、硬件电路设计和嵌入式软件设计,完成了RT-Thread向STM32的系统移植,实现了RT-Thread在STM32硬件平台上的稳定运行。结合物联网技术应用,通过对当前的主流无线通信方式进行对比并对LORA无线通信技术深入研究,设计了LORA无线通信系统用于数据交互。其次,确定了表层水温观测要素指标:准确度为?0.2℃、观测层深为海面下0.5米以内的水层、观测频度为根据观测要求实现自动控制。对温度传感器测量原理进行研究,基于滑动平均滤波结合温盐传感器中盐度和温度数据研究了漂浮装置海水表温的测温算法,通过数据的综合分析实现系统观测结束的自动判别并进一步提高温度测量数据准确性。本文设计了计算机终端主控中心软件,具备决策支持、实时监测、历史查询、故障报警等功能。使用决策支持功能在观测过程结合当前船舶、气象、水文数据综合分析,实现对观测系统的智能控制和系统的自动观测。对通信协议进行设计,数据采集终端与主控中心通过LORA无线通信方式进行指令发送和数据传输。最后在理论分析、算法研究和软硬件设计的基础上,对基于RT-Thread的船载智能水温观测系统进行了现场测试,系统测试结果表明,系统整体运行稳定可靠,系统各部分工作正常,主控中心监测和控制功能正常,智能运动单元控制功能精准,数据采集终端和LORA无线通信系统工作稳定,观测数据准确度达到预期指标。

关键词：海洋表层水温 RT-Thread系统智能控制船载观测漂浮装置

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西北太平洋船载海面风速脉动资料校正及湍流特征分析

西北太平洋船载海面风速脉动资料校正及湍流特征分析

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作者：王洁中国海洋大学

学位级别：硕士

当今全球天气气候变化愈演愈烈，地球表面70%以上被海洋覆盖，大气与陆地和海洋等其它系统的相互作用日益引起人们的重视。海洋与上层大气之间通过海气边界层内的湍流运动实现物质和能量的交换，海气边界层内的通量输送是研究海-气相互... 详细信息

当今全球天气气候变化愈演愈烈，地球表面70%以上被海洋覆盖，大气与陆地和海洋等其它系统的相互作用日益引起人们的重视。海洋与上层大气之间通过海气边界层内的湍流运动实现物质和能量的交换，海气边界层内的通量输送是研究海-气相互作用规律的关键所在。本文利用东方红II在2005年9月-11月西北太平洋海域的通量观测数据，通过对风速脉动资料校正方法的探讨以及对大气湍流特征的分析，可以得到以下主要结论：（1）对西北太平洋航次的船载风速脉动资料的功率谱分析发现，在频率区间0.06-0.26Hz普遍存在一个由于船体晃动而产生的异常峰值，本文提出了一种消除船体晃动干扰的滤波校正改进方法。处理步骤如下：根据双对数坐标系下惯性区功率谱密度和频率呈线性关系的特点，利用受干扰频率区间前后的功率谱密度值，线性拟合得到该区间内的功率谱趋势线;然后利用原始功率谱和趋势线反演得到受干扰频率区间的校正功率谱;最后通过傅里叶逆变换得到校正后的海面风速脉动资料序列。通过滤波校正方法结果与船体运动姿态校正系统结果的对比，以及对校正后风速脉动资料湍流特征量的分析表明了该方法用于校正船体晃动对船载海面风速脉动观测影响的可行性。（2）本文西北太平洋航次期间，大气多处于弱不稳定及不稳定状态。利用校正后的资料计算得到的无量纲风速标准差与大气稳定度相似性关系均符合Monin-Obukhov相似理论的“1/3”次方定律;本航次中三个方向的平均湍流强度Iu、Iv、Iw分别为0.091、0.076、0.043;摩擦速度随平均风速的增大而增大，线性拟合关系为：u*=0.0375*U0.0278。动量通量与平均风速关系密切，风速小于4m/s时，海面较为光滑，动量通量趋于一个常数，平均值为0.0063;风速大于4m/s时，随着近海面层风速增大，海面粗糙度变大，动量通量增大;拟合关系为：τ=0.0015U2。本航次西北太平洋海域近中性及不稳定条件下拖曳系数约为（1.30±0.26）×10-3，与他人在西北太平洋不同海域的结果类似，具有一定的空间代表性。（3）走航过程中，三维风速脉动观测的影响因素包括船体运动包括船体的行进、上下沉浮、船体摆动;影响脉动风速观测的因素更为复杂，如走航过程中主导风向不可能始终正对船头方向，所测流场不可避免的受到船体障碍物的影响本文采取如下数据处理步骤来校正三维风速：①去野点;②船体运动姿态校正;③滤波校正;④坐标转换;⑤剔除经过处理后风速脉动序列中出现的量级偏大的极大值;⑥线性拟合去除平均趋势。经过本文校正步骤的一系列处理，走航资料无量纲风速标准差σ u/u*，σ v/u*，σ w/u*随稳定度参数（ζ）的变化，湍流强度，动量通量τ与拖曳系数等湍流特征与停船资料非常一致;通过本文数据处理步骤，走航数据具备了较高的数据质量，能够运用涡动相关技术进行各湍流通量的估计。（4）本文西北太平洋航次感热通量和潜热通量的平均值分别为6.8W/m2和107.6W/m2，该航次的鲍文比平均值约为0.063，热通量结果多为正值表明热量输送主要是由海洋输送给大气，以潜热输送为主。感热通量与潜热通量的日平均变化均不明显;同时白天由于太阳辐射使得海表温度略微上升，使得潜热通量总体上呈现白天略高于晚上。（5）本文将西北太平洋的观测结果与西北太平洋海区2005年9月-11月ECMWF和OAFlux平均热通量结果进行了对比分析，其中ECMWF感热通量预报结果与实测资料相比偏大;OAFlux的资料结果与本文西北太平洋航次运用涡动相关法的到的感热通量和潜热通量的量级更为相似，该海域鲍文比在0.05~0.09之间，与本文及他人过去在西北太平洋海区的实测结果比较接近。OAFlux通量计算中采取了最佳的海面气象学参数和最佳的整体参数估计方法提高了感热通量和潜热通量的估计精度，该方法适用于0–20m/s风速范围，在风速0-10m/s内计算误差在5%以内，10-20m/s范围内误差在10%以内。×

关键词：船载观测风速脉动涡动相关技术西北太平洋湍流特征

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高精度海表皮温红外辐射测量系统

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2020年第5期50卷 157-162页

作者：张凯临杨铭伦曲利芹管磊中国海洋大学信息科学与工程学院海洋技术系山东青岛266100

海表温度是重要的环境特征指标。为了实时高精度测量海表皮温,中国海洋大学研制了一台海表测温辐射测量系统(The First Infrared Radiometer for measurements of Skin SST made by Ocean University of China,OUCFIRST,简称FIRST系统)... 详细信息

海表温度是重要的环境特征指标。为了实时高精度测量海表皮温,中国海洋大学研制了一台海表测温辐射测量系统(The First Infrared Radiometer for measurements of Skin SST made by Ocean University of China,OUCFIRST,简称FIRST系统)。FIRST系统使用热释电辐射传感器,测量海表、天空和内部标准黑体的辐射量,对测量的海表辐射进行实时校正,得到精确的海表辐射值,通过反演计算,得到高精度海表皮温。FIRST系统内部使用了可溯源的测温仪,可测量标准黑体温度,该系统采用了自容式设计,测温精度高且部署容易。FIRST系统参加了2016年在英国国家物理实验室(National Physical Laboratory)NPL进行的联合观测实验,在实验室测量了标准黑体,在室外湖面进行了实测,测量结果优于33mK,测量准确度位列各参测仪器的第二名。实验结果表明,FIRST系统具有较好的测量精度,可用于海表皮温的高精度测量。

关键词：红外辐射海表皮温海表测温辐射测量系统实时校正黑体船载观测

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