自容式海洋温度和湍流热耗散率测量方法及同步测量仪
阅读说明：本技术 自容式海洋温度和湍流热耗散率测量方法及同步测量仪 (Self-contained ocean temperature and turbulent heat dissipation rate measuring method and synchronous measuring instrument ) 是由 郭双喜 岑显荣 鲁远征 屈玲 黄鹏起 韩广辉 周生启 于 2021-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种自容式海洋温度和湍流热耗散率测量方法及同步测量仪,本发明属于海洋观测技术领域,尤其是海洋湍流混合观测领域,涉及温度和湍流热耗散率同步观测的仪器及方法。一种自容式海洋温度和湍流热耗散率同步测量仪,包括热敏电阻、控制仓、和电池仓三个部分；所述热敏电阻为两根,设置在控制仓的头部；所述控制仓内部设置有主控制单元和数据采集存储单元,数据采集存储单元与热敏电阻相连,主控制单元与数据采集存储单元相连；所述电池仓设置在控制仓的尾部,通过减震连接器与控制仓相连。本发明结构简单,尺寸小巧,固定在海洋潜标的锚系或其他观测平台上,通过热敏电阻测得温度数据,并反演出湍流热耗散率,从而实现海洋温度和湍流混合的同步测量。(The invention discloses a self-contained ocean temperature and turbulent heat dissipation rate measuring method and a synchronous measuring instrument, belongs to the technical field of ocean observation, particularly relates to the field of ocean turbulent mixed observation, and relates to an instrument and a method for synchronously observing temperature and turbulent heat dissipation rate. A self-contained ocean temperature and turbulent heat dissipation rate synchronous measuring instrument comprises a thermistor, a control cabin and a battery cabin; the two thermistors are arranged at the head part of the control bin; a main control unit and a data acquisition and storage unit are arranged in the control bin, the data acquisition and storage unit is connected with the thermistor, and the main control unit is connected with the data acquisition and storage unit; the battery compartment is arranged at the tail part of the control compartment and is connected with the control compartment through a damping connector. The device has simple structure and small size, is fixed on an anchor system of an ocean submerged buoy or other observation platforms, measures temperature data through the thermistor, and inverts the turbulent heat dissipation rate, thereby realizing the synchronous measurement of ocean temperature and turbulent flow mixing.)
技术领域
本发明涉及海洋观测
技术领域
，尤其是海洋湍流混合观测领域，具体涉及一种自容式海洋温度和湍流热耗散率测量方法及同步测量仪。背景技术
海洋湍流混合过程是海洋中最主要的动力过程之一，对海洋多尺度动力过程有重要的调制作用。一方面，海洋中的大、中尺度结构的动能通过级串过程向小尺度传递，最终通过湍流混合耗散掉；另一方面，湍流混合将深层海水抬升，从而维持全球大洋的翻转环流。海洋湍流混合的特征量，如湍动能耗散率和湍流热耗散率等，需要通过现场观测来实现。
传统的海洋湍流混合观测仪器为自由下落的剖面式观测仪，如湍流海洋微结构观测仪(TurboMap)，垂向微结构剖面仪(VMP)等，其主要缺陷是：需要通过通讯脐带缆与母船甲板单元相连；只能进行单个剖面观测，不能长时间观测；尺寸较大，操作较复杂，且价格高昂，需要占用较高的人力物力和观测船时。最近海洋学者发明的可抛弃式湍流混合观测仪(如ZL 201610888759.7)，解决了传统湍流混合观测仪需要通讯脐带缆的缺陷，但是其测量单元不能回收再利用，进一步增加了成本。
近年来另一方观测海洋湍流混合的观测技术是基于锚定的剪切流观测仪。该方案是通过剪切流观测仪测得的流速剪切数据来反演湍流耗散率。虽然该方案可进行湍流混合的长期观测，但是该方案是基于湍流泰勒冻结理论，反演湍流耗散率的过程中需要用到流速，因此必须需要额外的流速观测仪器，如声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、声学多普勒点式流速仪(ADV)、海流计等(如ZL 201410852813.3)，进行流速观测，这大大增加了观测的复杂程度和经济成本。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种自容式海洋温度和湍流热耗散率测量方法及同步测量仪，可以实现温度和湍流热耗散率的长时间同步测量，并且尺寸小巧，操作简单，可大量节省传统的湍流混合观测模式所需的人力、物力和成本。
为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种自容式海洋温度和湍流热耗散率测量方法，其包括：
根据热敏电阻反馈的温度数据，获取观测周期内的海水温度数据；
在所述温度数据中选取一时间段内的两根热敏电阻测得的温度数据；
根据两根热敏电阻测得的温度数据计算该时间段内的温度剪切；
根据获得的温度剪切，通过傅里叶变换计算该时间段内温度剪切的功率谱；
根据获得的功率谱，通过湍流热耗散率公式计算得到该时间段内的湍流热耗散率。
如上所述的自容式海洋温度和湍流热耗散率测量方法，进一步地，设一时间段Δt的两端点温度数据为T1(t)和T2(t)，则所述温度剪切为：
Tx(t)＝(T1(t)-T2(t))/L
其中，L为两个热敏电阻之间的距离。
如上所述的自容式海洋温度和湍流热耗散率测量方法，进一步地，设所述温度剪切的功率谱为ΦTx(f)，f表示频率，则湍流热耗散率χ为：
其中，f0和fcut-off分别为积分的起始和终止频率。
一种自容式海洋温度和湍流热耗散率同步测量仪，其利用如上所述的测量方法进行，其特征在于，包括：
热敏电阻，其设置在控制仓的头部，用于获取海洋温度数据；
控制仓，其内部设置有主控制单元和数据采集存储单元，数据采集存储单元与热敏电阻相连，主控制单元与数据采集存储单元相连，以及，
电池仓，其设置通过减震连接器连接在所述控制仓的尾部，用于提供电能。
如上所述的自容式海洋温度和湍流热耗散率同步测量仪，进一步地，所述热敏电阻为两根。
如上所述的自容式海洋温度和湍流热耗散率同步测量仪，进一步地，所述两根热敏电阻之间的距离为1mm～10mm。
如上所述的自容式海洋温度和湍流热耗散率同步测量仪，进一步地，所述的控制仓和电池仓为钛合金耐压材料，直径为1cm～2cm。
如上所述的自容式海洋温度和湍流热耗散率同步测量仪，进一步地，所述的电池仓尾部设置有固定扣环，用来将所述的自容式海洋温度和湍流热耗散率同步测量仪固定在其他物件上。
如上所述的自容式海洋温度和湍流热耗散率同步测量仪，进一步地，所述的自容式海洋温度和湍流热耗散率同步测量仪长度为5cm～20cm。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
(1)本发明可实现海洋温度和湍流热耗散率这两种参数的长时间同步测量；
(2)本发明无需通讯脐带缆，无需流速观测，且结构小巧，操作简单，可大量节省海洋现场观测时的人力、物力、财力和时间成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的自容式海洋温度和湍流热耗散率同步测量仪的结构示意图；
图2为本发明实施例的中电路控制部分示意图；
图中：1、热敏电阻；2、控制仓；3、电池仓；201、主控制单元；202、数据采集存储单元；301、减震连接器；302、固定扣环。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例：
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图1至图2，图1为本发明实施例的自容式海洋温度和湍流热耗散率同步测量仪的结构示意图；图2为本发明实施例的中电路控制部分示意图。
如图1所示，本实施例的自容式海洋温度和湍流热耗散率同步测量仪，包括头部两根热敏电阻1、控制仓2、和电池仓3三个部分。本实施例的外形为圆柱形，长度为15cm，直径为1.0cm。采用的外壳为钛合金耐压材料，可承受6000m水深的耐压强度。
热敏电阻1设置在控制仓2的头部，通过防海水的AB胶水进行封装，两根热敏电阻之间的距离为3mm。
控制仓2内部设置有主控制单元201和数据采集存储单元202，数据采集存储单元202与热敏电阻1相连，主控制单元201与数据采集存储单元202相连。主控制单元201的主要功能为仪器与客户端软件的命令交互和采样参数(如采样起始时间、时长、采样频率等)配置，数据采集存储单元202主要功能为控制数据的采集、转换与存储。控制仓2外表可切成六边形，便于控制仓2与电池仓3之间的拧紧与松卸。
电池仓3设置在控制仓的尾部，通过减震连接器301与控制仓2相连。减震连接器301可采用海洋防水密封橡胶圈，主要作用是减少对热敏电阻1采样时的外部噪声，并对控制仓2和电池仓3之间进行防水密封。电池仓内装有干电池，为自容式海洋温度和湍流热耗散率同步测量仪工作时提供电源。电池仓尾部设置有固定扣环302，用来将自容式海洋温度和湍流热耗散率同步测量仪固定在其他物件上。
使用时，将本实施例的自容式海洋温度和湍流热耗散率同步测量仪固定在海洋潜标的锚系上，开展长时间定点观测。通过热敏电阻观测水体温度，并实时对数据进行自容式存储。回收后，通过两个热敏电阻测得的温度数据反演得到湍流热耗散率，从而实现对海洋温度和湍流热耗散率的长期同步观测。
下面对本实施例的自容式海洋温度和湍流热耗散率同步测量仪，实现海洋温度和湍流热耗散率同步测量的步骤进行说明：
(1)通过长时间固定在海洋中的本实施例的自容式海洋温度和湍流热耗散率同步测量仪上的两个热敏电阻，测得整个观测周期内的温度数据。
(2)取其中一段时间段Δt内的温度数据，分别为T1(t)和T2(t)，Δt的大小一般根据海水湍流强度的不同取3分钟～3小时；
(3)计算该时间段内的温度剪切：Tx(t)＝(T1(t)-T2(t))/L，这里L为两个热敏电阻之间的距离，本实施例中L＝3mm；
(4)通过傅里叶变换计算该时间段内温度剪切Tx(t)的功率谱ΦTx(f)，这里f表示频率；
(5)通过湍流热耗散率公式计算得到该时间段内的湍流热耗散率。湍流热耗散率公式为
式中f0和fcut-off分别为积分的起始和终止频率，f0一般取1，fcut-off取功率谱ΦTx(f)未受到噪声污染部分的频率上限。
(6)按照步骤(2)-(5)，计算得到整个观测周期内的湍流热耗散率湍流热耗散率。
通过以上步骤，从而就得到了该观测周期内该测量位置的海水温度和湍流热耗散率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
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