（机械工程专业论文）海洋微结构剖面仪数据采集与处理系统研究.pdf

摘要 湍流运动是海洋内部动能耗散的主要形式，是产生海洋宏观现象的原动力。 观测湍流获取准确的湍流运动数据对分析海洋宏观运动与研究海洋物理学具有 重大的意义。海洋微结构剖面仪是观测海洋微结构湍流的重要工具，海洋微结构 剖面仪所携带的传感器能方便的探测各种与湍流相关的信号。近年来，剖面仪平 台技术的发展极大地推动了包括湍流研究在内的海洋内部混合研究。信号采集与 处理系统是微结构剖面仪的重要组成部分，其性能的好坏直接决定t n 面仪观测 到湍流数据的准确性。因此，进行湍流数据采集与处理方法的研究进而设计出适 合海洋微结构剖面仪使用的高精度信号采集与处理系统，是剖面仪平台开发过程 中极为关键的工作。 近年来，湍流观测平台技术的研究在世界各国得到了普遍关注，国外许多科 研机构进行了相关研究。加拿大、美国等国家先后开发出不同特点的微结构剖面 仪，并进行了海域实验。在国内，湍流观测技术的研究起步较晚，相关设各主要 依靠进口。因此，开展湍流测量平台的研究，开发出经济实用又准确可靠的湍流 信号采集与处理系统，对推动我过海洋观测事业的发展具有重要作用。 本文在研究湍流信号采集与处理理论的基础上，研制了剖面仪信号采集与处 理系统。该电路系统具有1 6 位数字精度，能耗低，性能稳定性好，基本满足了 海洋微结构剖面仪信号采集与处理的要求。此外，由于湍流观测容易受到不良海 况及平台振动等因素的影响，信号中不可避免的会含有噪声。本文研究了湍流信 号的去噪机理和方法，提出将小波分析理论应用到湍流信号去噪中。本文的主要 研究内容和成果如下： 1 研究了湍流信号预处理理论，在此基础上，设计了湍流信号预处理电路系 统。该预处理电路可完成对湍流信号的微分、放大、滤波等功能，为数据的采集 和后续分析打下基础。 2 海洋微结构剖面仪可搭载多种传感器。本文分析了不同传感器信号采集的 特点，设计了满足所有传感器信号采集要求的高精度信号采集系统。 3 提出将小波分析理论应用于湍流信号去噪过程，研究了小波阈值去噪法对 湍流信号去噪的适用性和操作流程。由于湍流信号中的噪声的频带很宽，传统的 基于傅立叶变换的滤波方法对其难以取得良好的去噪效果。实验证明，小波阈值 去噪法对湍流信号有很好的实用性。 4 进行了剖而仪信号采集与处理系统各模块的功能验证实验，验证了各模块 的性能。在此基础上，进行了剖面仪海域实验，使电路系统的整体性能得到了验 证。实验证明，本文所设计的剖面仪信号采集与处理系统功能全面、性能稳定可 靠，适合用于海洋湍流的观测。 关键词：海洋微结构，湍流，剖面仪，信号预处理，信号采集，信号去噪 1 1 a b s t r a c t t u r b u l e n c ei st h em o s ti m p o r t a n td i s s i p a t i o nf o r mo fo c e a ni n t e r n a l k m e t l c e n e r g v ，a n d i t i sa l s ot h ed r i v i n gf o r c eo ft h em a r i n em a c r op h e n o m e n o n i t 1 8o fg r e a t s i g n i f i c a n c et oo b s e r v eo c e a nt u r b u l e n c ea n dg e ta c c u r a t ed a t aa b o u t t h em o t l o no t o c e a nt u r b u l e n c ef o rt h ea n a l y s i so fo c e a nm a c r om o v e m e n ta n dt h e r e s e a r c no l p h y s i c a lo c e a n o g r a p h y o c e a nm i c r o s t r u c t u r ep r o f i l e r i sa ni m p o r t a n te q u i p m e n tt o r o b s e r v i n gm a r i n e m i c r o s t r u c t u r et u r b u l e n c e t h e s e n s o r sc a r r i e db y o c e a n m i c r o s t n j c t u r ep r o f i l e rc a nd e t e c tav a r i e t yo fs i g n a l sa b o u to c e a nt u r b u j e n c e i n r e c e n tv e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to f t h ep r o f i l e rp l a t f o r mt e c h n o l o g yh a sg 心a t i y d t o m o t e dm er e s e a r c ho fo c e a ni n t e r i o rm i x i n gt h e o r i e s ，i n c ! u d i n g ，t u r b u l e n tm l x m g t h e o r y s i g n a la c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n gs y s t e m i sa n i m p o r t a n tp a r t o t m i c r o s t m c t u r ep r o f i l e r , a n di t sp e r f o r m a n c ed i r e c t l yd e t e r m i n e st h ea c c u r a c yo tt n e t u r b u l e n c ed a t am e a s u r e db yt h ep r o f i l e r t h e r e f o r e ，i ti s ac r i t i c a lt a s kf o rt h ep r o 腓r d e s i g nt os t u d yt h et u r b u l e n c e d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gm e t h o da n d t n e n d e v e l o p a h i g h p r e c i s i o ns i g n a la c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n gs y s t e m i nr e c e n ty e a r s ，g r e a t c o n c e r nh a sb e e np a i dt ot h er e s e a r c h o ft u r b u l e n c e o b s e r v a t i o np l a t f o r mt e c h n o l o g yi nt h ew o r l d ，a n dr e l e v a n tr e s e a r c hh a sb e e nc 拼1 e d o u ti nm a n vf o r e i g ni n s t i t u t i o n s c a n a d a ，t h eu n i t e ds t a t e sa n ds o m eo t h e r c o u n t r i e s h a v ed e v e l o p e dm i c r o s t r u c t u r ep r o f i l e ro fd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sr e s p e c t i v e l y , a n d c o n d u c t e de x p e r i m e n t si nt h eo c e a n s i nc h i n a ，t h er e s e a r c ho f t u r b u l e n c eo b s e i n g t e c h n 0 1 0 9 ys t a r t e dr e l a t i v e l y l a t e ，a n dr e l e v a n te q u i p m e n t sa r em a i n l y1 m p o r t e d t h e r e f o r e ，t oc a r r yo u tt h er e s e a r c ho ft u r b u l e n c em e a s u r i n gp l a t f o r m ，a n dd e v e l o p e c o n o m i c a ia n dr e l i a b l et u r b u l e n c es i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g s y s t e m ，c a n 锄e a r l yp r o m o t e t h ed e v e l o p m e n to fo c e a no b s e r v a t i o nt e c h n o l o g y l n t h i st h e s i s ，ap r o f i l e rs i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m 1 8d e v e l o p e d b a s e do nd e e pr e s e a r c ho nt h et u r b u l e n c es i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s l n gt h e o r y w i t h16 b i td i g i t a lp r e c i s i o n 1 0 wp o w e rc o n s u m p t i o na n ds t a b l ep e r f o n n a n c e ，t h e c i r c u i ts v s t e mm e e t s t h eo c e a nm i c r o s t r u c t u r ep r o f i l e rs i g n a l a c q u l s i t l o n a n d p r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t s w e l l b e c a u s et u r b u l e n c e o b s e r v a t i o n1 s v u l n e r a b l et o a d v e r s es e ac o n d i t i o n s ，p l a t f o r mv i b r a t i o na n ds o m eo t h e rf a c t o r s ，t h e t u r b u l e n c e s i g n a lw i l li n e v i t a b l yc o n t a i ns o m en o i s e b a s e do nt h e t u r b u l e n c es i g n a ld e - n 0 18 1 n g i l l m e c h a n i s m ，an e wt u r b u l e n c es i g n a ld e n o i s i n gm e t h o db a s e do nt h et h e o r yo f w a v e l e ta n a l y s i si s p r o p o s e d t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t so ft h i st h e s i sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t u r b u l e n c es i g n a lp r e - p r o c e s s i n gt h e o r yi sd e d u c e d ，a n dat u r b u l e n c es i g n a l p r e 。p r o c e s s i n gc i r c u i t i s d e s i g n e d t h ep r e p r o c e s s i n gc i r c u i ti sc o n s i g e dw i t hf l d i f f e r e n t i a t o r , a na m p l i f i c a t i o n ，a n daf i l t e r ，w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o nf o rs u b s e q u e n t d a t ac o l l e c t i o na n dd a t aa n a l y s i s 2 o c e a nm i c r o s t r u c t u r ep r o f i l e rc a nc a r r yav a r i e t yo fd i f f e r e n ts e n s o r s i nt h i s t h e s i sc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n ts e n s o r sa r ea n a l y z e d ，a n da h i g h p r e c i s i o ns i g n a l a c q u i s i t i o ns y s t e mi sd e s i g n e dt om e e ta l ls e n s o r s r e q u i r e m e n t s 3 t h et h e o r yo fw a v e l e ta n a l y s i si sa p p l i e d t ot h et u r b u l e n c es i g n a ld e n o i s i n g p r o c e s s a p p l i c a b i l i t yo fw a v e l e tt h r e s h o l d i n gd e n o i s i n gm e t h o df o rt u r b u l e n c es i g n a l d e n o i s i n gi sa n a l y z e da n dt h eo p e r a t i n gp r o c e d u r e sa r ed e t e r m i n e d a st h ef r e q u e n c y b a n do ft h en o i s ei nt u r b u l e n c es i g n a l i s v e r yw i d e ，t r a d i t i o n a lf i l t e r i n gm e t h o d s b a s e do nf o u r i e rt r a n s f o l t f li sn o ts u i t a b l ef o rt u r b u l e n c es i g n a l e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tw a v e l e tt h r e s h o l d i n gm e t h o di sp r e f e r a b l ef o rt u r b u l e n c es i g n a ld e n o i s i n g 4 f u n c t i o nv e r i f i c a t i o ne x p e r i m e n t sf o re a c hm o d u l eo ft h es i g n a l a c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n gs y s t e ma lec o n d u c e dt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo fe a c hm o d u l e c o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t sa r ea l s oc a r r i e do u ti nt h eo c e a n s ，a n dt h eo v e r a l l p e r f o r m a n c eo ft h ec i r c u i ts y s t e mi sv e r i f i e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t t h es i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m ，w i t hi t sc o m p r e h e n s i v ef u n c t i o na n d s t a b l ep e r f o r m a n c e ，i ss u i t a b l ef o ro c e a nt u r b u l e n c em e a s u r i n g k e yw o r d s ：o c e a n m i c r o s t r u c t u r e ，t u r b u l e n c e ，p r o f i l e r , s i g n a lp r e p r o c e s s i n g ， s i g n a la c q u i s i t i o n ，d e n o i s i n g i v 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 海洋是孕育人类生命的摇篮，蕴藏着无尽的资源和无穷的秘密。海洋国界的 无形和海运方式的廉价与便捷促使海洋成为了人类交往的通途。海洋这一广阔的 水域，蕴含着丰富的矿物资源、海洋生物资源和能源，是人类可持续发展极为重 要的财富。积极研究和合理开发海洋，对人类的经济和社会发展有着极为重要的 意义。探索和开发海洋将为现代社会的发展提供丰富的物质和能源支持，是需要 当代科研工作者普遍关注的焦点问题。2 1 世纪是海洋经济可持续发展的时代， 不仅要求对海洋资源的利用效益更高，而且要求经济腾飞与环境治理、社会发展 之间更加协调，科学发展，为子孙后代营造长期、有效的可持续发展条件【1 。 中国是一个海洋大国，拥有约1 8 万公里的海岸线和6 5 0 0 多个5 0 0 平方米 以上的大小岛屿。根据联合国海洋法公约的规定和我国的主张，我国还拥有 面积约3 0 0 万平方公里的管辖海域，大约占中国陆地面积的l 3 。海洋发展战 略，有利于破解中国经济发展的资源限制，减轻土地的压力，缓解我国的能源危 机与粮食危机，增强交通运输能力，解决水资源缺乏问题并且能够提供生活空问 和提高人民的生活水平。经营海洋，利用辽阔而宝贵的海洋国土，把中国建设成 为海洋经济强国，使海洋经济成为整个国民经济新的增长点，对保证国民经济和 社会的持续稳定发展，具有不可替代的重要作用。海洋产业将成为国民经济的 重要支柱和新的经济发展源头。 随着科学技术的迅速发展，人类已经进入开发与利用丰富海洋资源的崭新时 代。要对海洋进行探索和开发，首先须要对海洋进行全面而深入的探索与研究。 在不断发展起来的各种海洋技术中，用于一般潜水技术不可到达的深度进行综合 考察与研究并能完成多种作业任务的水下机器人，极大地推动了对海洋探索与开 发的进程l2 | 。 大洋中的水平运动，上至大洋水平尺度范围的宏观环流运动，下至海水的分 子热运动，形式多种多样。大尺度的大洋环流直接从世界主要风系获得能量，通 过湍流的作用，能量从尺度较大的运动向尺度较小的运动转移，最终传给分子运 动而变为热能1 3 j 。 海洋微结构湍流，即海洋微尺度结构，是指铅直尺度小于1m 的海洋内部湍 第一章绪论 流。海洋微结构湍流可导致海洋中各种物质的扩散与混合，是产生海洋宏观现象 的原动力。微结构湍流对海水的动量、热量和质量输运有着重要贡献，对海水运 动速度、温盐特性及水中溶解态、颗粒态物质的分布有着显著影响【4 巧】。 海洋湍流还与其他海洋研究领域，如海洋生态模式、海气相互作用、河口海 岸动力学、海洋沉积动力学、海洋声学以及遥感海洋学等关系极为密切。在海洋 表面，由于风或降温导致的湍流混合使海洋损失或获得热量，进而对大气或气候 形成影响。在海洋内部，湍流可以对海洋中的营养盐和溶解氧等物质的分布和流 动产生重大影响，进而影响生物种群的分布，改变海洋生产力。在海洋底部，湍 流的混合运动会影响沉积物的运动、沉积与再悬浮【6 。7 1 。因此，海洋湍流运动， 对研究海水宏观运动有重要指导作用，同时也能为研究物理海洋学提供丰富的素 材和有力的依据。 由于海洋湍流研究的重要性日益凸显，海洋湍流观测技术也受到了国内外科 研人员的重视，得到了较快的发展，其中的一个重要研究领域就是用于观测海洋 湍流的剪切流传感器及其载体一海洋微结构剖面仪的研制。 1 2 海洋微结构剖面仪系统的研究背景与现状 发展海洋湍流观测技术，需要同时研究测量湍流的传感器和其搭载平台。由 于海洋观测环境复杂多变，测量过程极容易受到洋流、海况等因素的影响，而湍 流信号极其微弱，很容易受到外部因素的干扰，因此，开发平稳、干扰小的观测 平台势在必行。海洋微结构剖面仪是湍流观测的理想平台，近年来对剖面仪技术 的研究发展十分迅速。 根据回收方式的不同，剖面仪可以分为有缆剖面仪和无缆剖面仪。有缆剖面 仪在尾部系有缆绳。缆绳用中性材质，在水中重力和浮力互相抵消。有缆剖面仪 在下落过程中缆绳处于放松状态，剖面仪自由下落，在下落过程中测量湍流数据。 相反，无缆剖面仪不带缆绳，下落时携带，一定量的重块，到达预定深度后，进行 抛载，减轻系统重量从而实现上浮。无缆剖面仪在自由上浮的过程中测量湍流数 据。相对于有缆剖面仪，无缆剖面仪在回收技术上存在较大的难度。根据测量方 式的不同，剖面仪又可分为垂直剖面仪和水平剖面仪两种类型1 2 j 。各种剖面仪 的主要发展历程简述如下。 加拿大b r i t i s hc o l u m b i a 大学的t o s b o m 率先从事了湍流测试传感器载体技 术的研究。他于1 9 7 2 年研制出第一台垂直剖而仪，并将之命名为o s b o r np r o f i l e r 。 o s b o mp r o f i l e r 除携带了两个翼型剪切流传感器外，还携带了热电偶传感器、姿 态传感器、压力传感器。但是o s b o mp r o f i l e r 振动和测量噪声较大，测量精度较 第一章绪论 低【1 3 1 6 j 。此后，t o s b o m 等科学家对此剖面仪经过进一步的研究和改进，成功 降低了该测量平台的振动和噪声，使得湍流测量的精确度得到了大幅提高。 目前，加拿大r o c k l a n d 海洋技术公司研制的v m p 系列湍流剖面仪技术最为 成熟，该公司根据不同海域测量需求开发了有缆剖面仪v m p 5 0 0 、v m p 2 0 0 0 测 量深度分别为5 0 0 米、2 0 0 0 米，还开发了无缆剖面仪测量深度为5 5 0 0 米。其产 品已应用于许多国家的海洋观测，具有较高的可靠性【1 卜1 8 】。图1 1 为r o c k l a n d 公司v m p 5 0 0 剖面仪，图1 2 为r o c k l a n d 公司v m p 6 0 0 0 剖面仪。 嘲黼 。 图1 1v m p 5 0 0 剖面仪图1 2v m p 6 0 0 0 剖面仪 上世纪7 0 年代开始，美国也开始了对剖面仪技术的研究和探索。w a s h i n g t o n 大学的a p l 实验室开发研制出第一台垂直剖面仪a m p ，并进行了一些海域实验。 2 0 0 6 年该研究所在原有基础上开发了h r p i i 无缆剖面仪，该剖面仪具有较高的 数据精度和较长的工作周期【1 9 。2 0 1 。 第一章绪论 图1 - 3m s s 系列剖面仪 图1 - 4t u r b o m a p 剖面仪 德国和日本也先后开始了对湍流观测平台技术的研究，并先后研制出m s s 系列垂直剖面仪和t u r b o m a p 系列垂直剖面仪。图1 3 为德国m s s 系列剖面仪， 图1 4 为日本t u r b o m a p 剖面仪。 我国对剖面仪技术的研究起步较晚，长期处于空白状态。2 0 0 4 年，天津大 学率先开始了对剖面仪的研制，成功研制出国内首台垂直剖面仪原理样机，并于 2 0 0 4 年11 月在千岛湖和东海进行了较长时间的湖试和海域实验，取得了较好的 实验效果。2 0 1 1 年，天津大学在原有技术基础上，开发出最大测量深度达到1 0 0 0 米的垂直剖面仪。该剖面仪可以搭载剪切流传感器、压力传感器、温度盐度深 度传感器( c t d ) 、电子罗盘等任务传感器，能够对海洋湍流进行较为准确和全 面的观测。图1 5 为天津大学研制的垂直湍流剖面仪。 图1 - 5 天津大学研制的垂直剖面仪样机 第一章绪论 1 3 海洋微结构剖面仪系统信号采集技术的发展现状 信号采集就是将要获取的信息通过传感器转换为信号，并经过信号调理、采 样、量化、编码和传输等步骤，最后送到计算机系统中进行处理、分析、存储和 显示。数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。 数据采集技术所涉及的学科和理论比较多，主要涉及的学科有测试与仪器科学、 信息与通信科学和计算机科学等【2 1 j 。其中，测试与仪器科学侧重于信息的获取， 信息与通信科学侧重于信息的传输，计算机科学侧重于信息的处理。信号采集技 术在现代科技进步中占有重要地位，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领 域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术 得到了迅速的发展【2 2 i 。 海洋湍流信号的测量同样需要依赖精确、稳定、可靠的信号采集系统。海洋 湍流信号十分微弱，只有几毫伏到几十毫伏量级，极容易收到外界干扰因素的影 响，这不仅对测量平台的稳定性提出了极高的要求，同时也对剖面仪系统的数据 采集电路提出了很高的要求。为了得到准确的观测结果，数据采集电路既要有很 高的分辨率，又要将电路噪声控制在很低的范围内【2 3 】。 要使剖面仪观测系统取得良好的观测效果，信号采集系统的重要性不言而 喻。世界各国的剖面仪研究者都极其重视对信号采集统统的研究和开发，取得了 一定的技术成果。如美国研制的v m p 6 0 0 0 垂直剖面仪携带的数据采集系统，其 采样率为5 1 2 h z ，共有1 6 路模拟输入通道，a d 转换器精度为1 6 位，较好的满 足了湍流观测任务的需要，但测量精度和工作稳定性仍有改善的余地。天津大学 自2 0 0 4 年研制第一台垂直剖面仪开始，就同步开展了剖面仪数据采集电路的研 究与设计。最初设计的信号采集系统使用r s 2 3 2 串口进行数据通信，数据存储 容量为2 g b ，一定程度上满足了信号采集的要求，但系统性能有待进一步的优 化和改进。 1 4 本文主要研究内容 本文主要研究内容是研制一套用于能够测量1 0 0 0 米深度海洋湍流数据的垂 直剖面仪的信号采集与处理系统。随着对剪切流传感器理论研究的不断深入以及 加工工艺的不断进步，剪切流传感器对海洋湍流的测量精度不断提高，一个观测 剖面中能够获取的数据量也越来越多。同时，剖面仪技术也发生着日新月异的发 展，测量平台稳定性越来越好，能搭载的传感器也不断增加。2 0 1 0 年，天津大 学在吸取多种国外多种湍流测量平台优点的基础上研制出的海洋微结构垂直剖 第一章绪论 面仪( o c e a nm i c r o s t r u c t u r ev e r t i c a lp r o f i l e r ，简称o m v p ) 可以搭载剪切流传感器、 三维电子罗盘、温度盐度深度传感器( c t d ) 、压力传感器、加速度传感器等 多种湍流观测传感器，同时在位工作时间也得到了很大的提高。这些技术的进步， 需要一套高性能的信号采集与处理系统与之相配套。为此，本文在深入研究信号 采集和数据处理原理的基础上，结合国外成功经验，研制了这套用于微结构剖面 仪的信号采集系统。 这套信号采集与处理电路系统主要包括信号预处理电路和信号采集电路两 个功能单元。信号预处理单元需要对湍流信号进行电荷转换、微分、放大和滤波 等预处理工作。信号采集单元可以对16 路模拟信号进行采集和存储，要实现的 功能主要包括：高精度a d 转换、采样和保持、系统通信、系统时序控制和数 据存储等。 为了从采集到的湍流数据中获得准确有效的观测结果，对湍流数据的后续处 理也是极其重要的。由于湍流信号十分微弱，采集到的数据中往往包含着许多由 于外部干扰而引进的噪声。因此，在对数据进行后续处理前，进行适当的软件滤 波十分必要。本文基于小波变换在信号滤波中的独特作用，将小波变换应用到湍 流信号的滤波中，引进了一种湍流信号去噪的新方法一小波阈值去噪法。 本文共分五章，各章内容安排如下： 第一章绪论。本章综述国内外海洋微结构剖面仪及其数据采集系统的发展 历程与研究现状，阐明了本课题的主要研究内容与意义。 第二章海洋微结构剖面仪信号预处理电路设计。本章研究了微结构剖面仪 携带的各种传感器所得信号的预处理方法和原理，并在此基础上设计了相应的预 处理电路。 第三章海洋微结构剖面仪信号采集系统设计。本章针对湍流信号的采集特 点，研制了适合微结构剖面仪使用的高精度、低能耗数据采集系统。 第四章基于小波分析的湍流信号去噪方法研究。本章研究了湍流信号的去 噪方法，提出了将基于小波分析的滤波方法一小波阈值去噪法应用到湍流信号 的去噪过程。 第五章结论与展望。对全文工作进行总结，并对未来需要进行的进一步工 作进行展望。 1 5 本文研究的意义 信号采集系统是海洋微结构剖面仪的重要组成部分，信号采集系统性能的好 坏直接决定着观测数据的准确性。本文的研究工作探讨了剖面仪数据采集系统的 第一章绪论 开发原理和关键技术，研制出1 6 通道的高精度数据采集系统，较好的满足了海 洋微结构垂直剖面仪对湍流观测的要求，使得自行研制的海洋微结构湍流剖面仪 具有较精确的测量精度，填补了我国在海洋微结构湍流观测领域的空白。 由于湍流信号受到的干扰因素十分复杂，其所含噪声信号的频率成分也很复 杂，噪声分布的频带很宽。因此，传统的傅立叶变换对湍流信号去噪效果并不明 显。相反，本文提出的小波阈值去噪法对噪声信号频带很宽的情况具有很好的实 用性。理论和实验结果证明这种方法对湍流信号有很好的去噪效果，对于改善微 结构剖面仪测量精度，提高海洋湍流观测的准确性，具有重要意义。 第二章海洋微结构剖面仪信号预处理电路设计 第二章海洋微结构剖面仪信号预处理电路设计 在采集湍流数据之前，需要对信号进行适当的预处理。本章详细分析了电荷 转换电路、滤波电路、微分放大电路等预处理电路的原理并针对湍流信号的预处 理要求进行了相应电路的设计和优化。 2 1 剖面仪信号预处理电路总体规划 为对海洋湍流进行全面而准确的观测，天津大学研制的垂直湍流剖面仪开发 了专门的剖面仪传感器搭载模块。该模块的设计既需要使剖面仪具有搭载所有海 洋湍流测量传感器的全面搭载能力，更要实现各个传感器安装位置的最优化，避 免各个传感器之间的相互影响，同时还要考虑传感器通信线路的便捷与简单。 分析海洋湍流需要观测的数据主要包括：剪切流信号、加速度信号、温度信 号、盐度信号、深度信号等，对这些这些信号进行综合分析可以得到观测海域微 结构湍流的观测结论。为此，在剖面仪中搭载了剪切流传感器、加速度传感器、 温度盐度深度传感器( c t d ) 。同时，为了检测剖面仪平台的振动情况，在剖 面仪中安装了三维电子罗盘c t m 3 。剖面仪传感器系统的结构如图2 1 所示。 图2 1 剖面仪传感器系统结构图 第二章海洋微结构剖面仪信号预处理电路设t f 对传感器输出的信号进行适当的预处理，将对后续信号采集和数据分析产生 有益的效果。不同的信号，经过的预处理单元不同，应该根据信号本身的特征具 体分析。 对海洋湍流进行观测和分析，需要由剪切流传感器得到的湍流数据经过数据 处理，计算出观测海域的动能耗散率。剪切流传感器的敏感元件是压电陶瓷，受 到湍流作用后，传感器产生相应的电荷信号，为了便于后续信号传递和处理，首 先要将该电荷信号转化成对应的电压信号，为此在湍流预处理电路中引入电荷转 换放大器。根据动能耗散率的计算原理，需要对获取的湍流信号进行微分，为此 在电荷转换放大器之后引入硬件微分电路【2 4 1 。硬件微分电路对湍流信号的微分效 果优于软件微分。在硬件微分过程中，将使原有湍流信号产生一定量的衰减，因 此引入增益放大器来放大被衰减的信号。同时，由于海洋湍流观测环境复杂多变， 所得信号中不可避免的会含有部分高频噪声，为了减少这些噪声对有效信号的干 扰，构建低通滤波电路对信号进行一次滤波处理。预处理工作完成后，湍流信号 将由数据采集卡的模拟通道进入采集卡的a d 转换模块【2 4 1 。剪切流信号的整个 预处理过程如图2 2 所示1 2 孓2 7 j 。 图2 2 剪切流信号预处理流程 同样，搭载在剖而仪中的加速度传感器所测量的加速度信号也会受到洋流、 剖面仪平台振动等因素的干扰，而引入噪声，考虑到真实加速度信号的频率很低， 一般在几h z 到十几h z 范围内，因此在加速度预处理电路中构建截止频率为3 0 h z 的低通滤波电路，这样可以极大的减少加速度信号中所含高频噪声。 综观整个剖面仪信号预处理系统，对于剪切流传感器，其信号在采集之前需 要经过电荷转换、微分、放大、滤波等预处理：加速度信号需要进行低通滤波的 预处理；c t d 传感器自带有信号处理电路板，无需另作其他预处理工作；三维 电子罗盘信号可直接采集，不必进行特别的预处理1 2 8 】 2 9 j 。剖面仪信号预处理电 路总体规划如图2 ，3 所示。 9 第二章海洋微结构剖面仪信号预处理电路设计 图2 3 剖面仪信号预处理电路总体规划 经过预处理后，各个传感器的信号进入数据采集卡的模拟输入通道进行数据 采集。关于各个信号预处理电路的原理和作用，本章后续章节将会详细分析。 2 2 剖面仪信号采集系统电源管理 剖面仪信号采集系统包括多个功能模块，各个模块所需要的电源电压不同， 因此需要对整个电源系统进行科学合理的电源管理。剖面仪系统电源管理，首先 要满足各个电路功能模块的供电需要，在此基础上实现高效节能以及尽量减少电 源对信号干扰的目的。 剖面仪信号采集系统所包含的功能模块包括：加速度信号滤波电路、剪切流 信号微分放大电路、剪切流信号滤波电路、模拟输入多通道数据采集卡、罗盘信 号采集卡。此外，加速度传感器、温度传感器、压力传感器也需要供电。对于各 个电源的分配，需要进行合理的分配。各个用电电源及其需要的供电电压如表 2 1 所示。 表2 1 剖面仪用电单元参数汇总 第二章海洋微结构剖面仪信号预处理电路设计 由以上各个功能模块的用电需求可以看出，整个剖面仪信号采集系统需要 5 v 、7 2 v 和1 2 v 三种电压值的电源，系统总功耗约为3 5 w 。为此，在剖面仪 中携带额定输出电压为7 2 v ，额定输出功率为w 的锂离子电池。其总电量为 a h ，可共剖面仪系统连续工作8 小时。同时，为了给系统提供5 v 和1 2 v 两种 电压的电源，设计了两个电源转换模块，分别将7 2 v 电压转换成5 v 和1 2 v 。 两个电压转换模块的电路原理图如图2 - 4 和图2 5 所示。电压转换电路1 将7 2 v 电压转换为1 2 v ，电压转换电路2 将7 2 v 电压转换为5 v 。 占 一一 j ，、p + 1 2 v 1 国m+ v o + c 9 。土r t ， 、 7 0 v 4 - c l o 吼 、 v r 一k 8 疑，v n 1 2 7 图2 4 电压转换电路1 1 1 g n d v 0 6 # 乞1 ，、，、 v i 一 1 t + c l l j 芝e l o箕j 1 ；一、 耋 v 缸 ， 7 0 v f 1 3 7 , e p 4 6 i 7 ) 3 + c 1 2 僦 h l 鸳 1 j 。 ，5 v n c v o 2 3 电荷放大与转换电路 图2 - 5 电压转换电路2 第二章海洋微结构剖面仪信号预处理电路设计 剪切流传感器所用敏感材料是压电陶瓷片，剪切流传感器受到湍流作用时， 压电陶瓷片发生变形，产生与其成正比的微弱电荷q ，且传感器的输出阻抗 r a 极高。因此，需要将这个电荷信号转化成对应的电压信号，以便于后续数据 传输和处理。这就需要在剪切流信号的预处理电路中加入电荷转换和放大环节。 对压电式传感器产生的电荷信号进行转换与放大的最常用器件是电荷放大 器。电荷放大器由电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功 放、电源几部分组成。电荷转换级采用高输入阻抗、低噪声、低漂移宽带 精密运算放大器构建，可以将电荷信号转换为电压信号。电荷放大器内部 自带的低通和高通滤波器能够滤去一部分有效信号频带以外的噪声。末级 功放环节可以适当的把输入的微弱信号放大。同时由于适调级的存在，电 荷放大器的输入阻抗很大，而输出阻抗很小，可以起到阻抗匹配的作用。 在剪切流传感器信号输出处，由压电陶瓷产生的电荷量可以表示为 3 0 - 3 2 】： q p = 4 2 s u 2s i n ( 2 t z ) = 2 x 2 s uc o s ( z ) us i n ( a t ) = 2 4 2 s w u ( 2 - 1 ) 其中，u 是瞬时流速，w 是垂直流速，u 是横向流速，是剪切流传感器的灵敏 度。 剪切流传感器输出的电荷被迁移到电荷转移放大器，通过电荷转移放大器的 等效反馈电容将电荷转换为电压信号，电荷转移放大器的输出电压可表示为： 明：竺：2 - , 2 c s w uf 2 2 ) c 1c 1 由于使用电荷转移放大器，剪切探头上的输出电压在无输入量时是可以被保 持的，因此在剪切流传感器与放大器之间所形成的电容不会对其输出电压e l 造 成影响【2 ，j 。 根据湍流信号的特点、电路系统的噪声要求、输入阻抗要求、能耗以及体积 和重量要求，挑选高性能电荷转移放大器。选用y e 5 8 51t 0 6 型电荷转移放大器 该型电荷放大器是一种小型、坚固的在线式电荷放大器，具有体积重量小、耐湿、 抗振的特点，内置截止频率为4 0 0 h z 的低通滤波器，使用+ 1 2 v 直流电源供电， 输出电压范围为一5 v + 5 v ；输入信号频率范围为0 5 4 0 0 h z 【2 7 j 。该型电荷放大 器的输入阻抗为1 0 q 量级，当前端所联接的压电式传感器的输出阻抗在 1 0 9 q 1 0 乃q 之间时，可进行准确的动态力的测量。y e 5 8 5 1 t 0 6 型电荷转移放大 器的各项技术参数见表2 2 。 第二章海洋微结构剖面仪信号预处理电路设计 表2 - 2 y e 5 8 5 1 t 0 6 型电荷转移放大器主要技术参数 续表2 - 2 y e 5 8 51 t 0 6 型电荷转移放大器主要技术参数 2 4 微分放大电路 根据湍流信号的处理方法，计算测量海域动能耗散率的过程中，需要对电荷 转换放大器中输出的电压信号进行微分运算。为此，在电荷转换放大器之后设计 了专用的微分电路。从电荷转换放大器输出的电压信号要输入给微分器，微分器 的增益是与电荷转移放大器的电压变化频率成正比的，其输出信号为与变化频率 成正比的电压信号。但是考虑到稳定性的要求，增益要在某一频率以上出现衰减， 因此在微分器之后设置宽带放大器。宽带放大器实现了对信号的末端放大，其增 益大小可通过调节电阻值进行调节 3 3 - 3 4 】。 剪切流传感器信号经过微分增益放大电路以后，其输出表达式为： 风= 西c c 2 压g d q 跏鲁= 西c c 2 惋q 姘老= 2 , f i g s w 2 老( 2 - 3 ) 其中，g d 是相对于理想微分器的微分增益，吒是宽带放大器的增益， g = 等g d q 口5 】 3 5 悯 3 6 。 在这里依据公式鲁= 万1 瓦o ，将时间的微分转换为空间的微分，坐标轴z 就 是传感器的轴线方向。 理想微分电路的原理图如图2 - 6 所示。根据集成运算放大器虚地和虚断特性， 可得： 1 。= - r 如一耻瑚c 鲁一g 。警 ( 2 - 4 ) 上式表明输出电压v 。与输入电压的微分粤成正比。但是基本微分电路对高 频噪声特别敏感，其抗干扰能力差；另外，对反馈信号具有滞后作用的r c 环节， 第二章海洋微结构剖面仪信号预处理电路设计 图2 - 6 理想微分电路原理图 与集成运算放大器内部电路的滞后作用叠加在一起，很容易引起白激振荡；而且 当输入电压v 。突变时，输入电流较大，输入电流与反馈电阻的乘积可能超过集成 运算放大器的最大输出电压致使电路不能正常工作。为此，对理想微分电路进行 适当改进，得到一种改进型的微分电路如图2 7 。其改进方法为：在输入回路中 接入电阻r ，与微分电容c 串联，在反馈回路中接入一个电容c ，与微分电阻r 并 联，并使r 。c r c 。在微分器的正常工作频率范围内，使r ， r ，此时加入电路的r ，和c ，对微分电路功能的影响很小。 w c l 图2 7 改进的微分电路 当输入信号频率较高时，由于墨和c 1 的作用使运算放大器的闭