剪切湍流數據處理技術

馮月永，康建軍，周 達，張建濤，鄔海強

（國家海洋技術中心，天津 300112）

剪切湍流數據處理技術

馮月永，康建軍，周 達，張建濤，鄔海強

（國家海洋技術中心，天津 300112）

湍流在海洋能量和水體的交換演化中起著非常重要的作用。海洋湍流研究的發展和海洋湍流觀測儀器的研發密切相關。世界上湍流觀測儀器的研發起步于20世紀50年代，但是我國在湍流觀測設備方面到目前為止僅僅處于起步和引進國外設備階段。針對我國的情況，利用DSP技術設計電路，并通過電路對剪切湍流數據進行處理。用ALEC公司生產的湍流剖面儀測量的數據分別通過其公司自帶軟件和電路處理的結果進行對比，結果吻合較好。文中提供的方法解決了湍流數據量較大不利于遠程數據傳輸的問題，為大面積長期的湍流觀測提供了可能。

湍流；混合；DSP

海洋內部湍流混合是物理海洋學一個十分重要的研究領域，已經成為制約許多研究領域的改進和發展的關鍵因素，因此大面積長時間海洋湍流觀測已經成為人類認識海洋的迫切需求。湍流運動是一個小尺度快速的變化過程，要想準確反應海洋中湍流的變化過程就要運用統計學方法對大量微結構觀測數據進行統計處理。同樣要提高測量精度就要提高采樣頻率，這樣勢必會提高數據量。而就目前的技術手段而言，大數據量的傳輸不僅在技術上還存在一些問題，而且費用也是非常昂貴的。將數據處理過程移植在儀器電路中，將處理過的數據進行傳輸將會順理成章地解決大數據量傳輸的問題。數據處理是指將傳感器測量的脈動信號經過統計分析計算湍流動能耗散率或混合率等特征值。目前比較成熟湍流測量傳感器探頭主要是指海洋微結構翼型剪切湍流探頭（剪切探頭），其主要測量的是海水水體速度的脈動量。本文主要針對剪切探頭測量的數據，利用DSP技術設計電路，并對數據進行處理。

1 剪切湍流數據處理方法

1.1 數據除噪方法研究

傳感器測量的原始數據含有大量噪聲信號，噪聲主要有高頻噪聲和低頻噪聲。低頻噪聲主要是由于儀器在海水中的狀態不可能是理論上的絕對穩定下降及其他干擾造成的。湍流剪切信號測量的是海水相對于儀器的速度脈動量，而我們需要的是海水的絕對脈動量。當儀器本身抖動時，就會對實際測量的數據產生噪聲。怎樣剔除這樣的噪聲將決定最終數據結果的準確性。高頻噪聲主要是由于傳感器測量精度和響應頻率的限制而造成的噪聲信號。

由于湍流脈動量頻率較高，遠大于儀器在海水中的抖動頻率，在實際的除噪過程中，首先對原始數據進行高通濾波。高通濾波器選擇一個二階高通Butter濾波器。然后將濾波后的數據的絕對值進行256個點的滑動平均。對比高通濾波后的數據和滑動平均后的數據，剔除高出閾值的數據，然后對原始數據進行兩次修正。第一次修正用原始數據的1/2代替。第二次修正對第一次修正后的數據進行256個點的滑動平均，然后用滑動平均后的數據的1/2代替原始數據（如圖1）。從圖1中可以看到處理后的數據已經將原始數據中的孤立噪聲信號剔除掉。對于開始和結尾部分的數據除噪并不是非常好，主要是因為儀器在剛入水和測量結束時受到了外力的影響較大，儀器處于不穩定狀態，除噪效果不好。

1.2 湍流耗散率的計算

W是垂向剖面儀相對于海水的速度（一般由加速度計求得）。根據流速剪切計算的耗散譜ψ（k）和相應尺度的Nasmyth廣義譜進行比較。湍流動能耗散率則根據下式求得：

式中：v為運動粘性系數（由標準CTD資料算得），它的大小與溫度、鹽度和密度有關；u是水平脈動流速；z是垂向的坐標。脈動流速的剪切的平方則是由每個剖面觀測記錄的ψ（k）積分求得，積分的下限是1 cpm（理論值），積分的上限是沒有被高頻信號污染的最大波數。只有選擇合適的積分區間才能正確估計湍流耗散率及其混合系數。從實際的資料分析中可以看出由觀測資料得到的耗散譜ψ（k）與Nasmyth廣義譜符合的較好，對此詳細評價見文獻[1]和文獻[2-4]。

混合率可根據Osborn公式求得，選取的混合系數為γ=0.2，這與高Reynolds數湍流一致，

圖1 數據濾波前后對比圖

式中：N是浮力頻率。具體的計算流程參考文獻[5]。

2 電路硬件設計

20世紀60年代以來數字信號處理技術（Digital signal processing，DSP）日漸成為一項成熟的技術，并在多項應用中替代了傳統的模擬信號處理系統。數字信號處理技術及設備具有靈活、精確、抗干擾能力強、設備尺寸小、速度快、性能穩定和易于升級等優點。DSP處理器能夠在一個周期內完成乘法累加運算，為復雜信號處理算法和控制算法的實現提供了良好的平臺。德州儀器（TI）公司生產的TMS320F28335芯片不僅僅具有一般DSP芯片的功能，其片上FLASH模塊大大簡化了電路設計和程序設計過程。高速的浮點內核為程序設計提供了更靈活的程序設計思路。3路串口通訊擴大了其使用范圍。具體指標如下：

（1）具有一個浮點內核，處理速度更快；

（2）工作速度可達150 MIPS；

（3）片上 RAM68 k*16 bit；

（4）自帶16路12 bit A/D，最大采樣速率12.5 MSPS；

（5）3路UART串行接口，兩路為RS232接口；一路為RS232/RS485可選；

（6）片上256 k*16 bit FLASH，自帶128位加密位；

（7）內部+3.3 V、+1.9 V電源管理。

在實際的電路設計中主要分為電源模塊、存儲模塊、時鐘模塊、傳感器電源控制模塊、傳感器通訊模塊。

電源模塊主要為系統中各個芯片及其傳感器供電。12 V外界電源通過TCL2594轉化為5 V電源，5 V電源通過TLV117-33轉化為3.3 V，再通過TLV117-ADJ將電源轉化為1.9 V。傳感器供電主要是由CPU的I/O端口通過一個光電耦合器件來控制IRF9530給傳感器加電或斷電。

存儲模塊采用的是SD卡。系統中有大量的數據要記錄下來，需要大量內存來保存數據，在CPU上連接SD卡以擴大存儲容量。SD卡具有存儲容量大、讀寫速度快、靈活性強的特點，是一種理想的存儲載體，本系統選用的是mini SD卡，它是SD卡發展而來的，性能和傳統的SD卡并無大的區別。mini SD卡和SD卡一樣，都具有2MB/s的數據傳輸速度。與傳統SD卡一樣，mini SD卡具有硬件數據寫保護保護開關，可避免存儲內容不慎刪除的風險。mini SD卡的特點是體積小、性能穩定，可配合專用轉換卡使用，完全兼容標準SD卡插槽。而且mini SD卡采用的是低功耗的設計，比SD卡更適合用在低功耗設備上，具體電路參考文獻[6]。

時鐘模塊采用的是PCF8563時鐘芯片。PCF8563時鐘芯片是一個低功耗的可提供年月日時分秒百分秒的實時日歷/時鐘芯片。通過TMS320F28335芯片內置集成電路IIC接口，把PCF8563連接到微控制器的IIC接口。

傳感器通訊模塊主要是指RS232通訊。本部分電路主要包括信號電平轉換電路、串口擴展電路和其它的一些外圍電路。電平轉換電路主要由MAX202和ADUM1201完成，串口擴展電路由CD4052芯片完成。

電路的具體指標為：

主芯片電路供電為5V，電流140mA；整個電路供電12V，電流220 mA；RS232串口5路；模擬頻率信號1路；垂向加速度信號1路；PCF8563日歷時鐘電路；SD卡存儲。

3 軟件設計

系統的設計包括時序控制、數據采集、數據存儲和數據處理等部分。具體流程圖如圖2所示，系統加電后穩定3 s；由于湍流實際測量的是速度隨時間的脈動量，利用泰勒公式將時間上的脈動量轉化為空間上脈動的過程中需要用到速度，所以整個過程多次測量儀器的速度；CTD、湍流數據通過RS232采集得到；數據經過處理得到湍流耗散率后，通過RS232將結果輸出。整個運行過程的時間長度主要取決于湍流傳感器的數據輸出頻率和耗散率的精度的影響。湍流剪切傳感器的采集頻率一般高于256 Hz，湍流耗散率以2 048組湍流數據處理一次。

圖2 軟件流程圖

圖3 數據除噪流程圖

圖4 數據結果圖

數據處理過程比較繁瑣，主要包括原始數據除噪和湍流耗散率計算兩部分。

數據除噪主要包括噪聲信號的提取和噪聲信號的修正兩部分，如圖3所示。濾波參數主要是指濾波器的高通頻率、平滑尺度和閾值選擇等參數。對于不同的儀器在海水中的固有頻率不同，所以高通頻率的選擇也不同。平滑尺度取決于實際儀器的采樣頻率，本項目實際使用的是ALEC公司生產的TurboMap湍流剖面測量儀的數據，其測量頻率為256 Hz，本項目中實際選取的平滑尺度為256個測量點。閾值的選取也是一個人為因素比較大的環節，若過小會淹沒實際的數據，若過大則不能有效剔除噪聲信號。通過大量的數據對比（與ALEC公司自帶軟件計算結果對比）選擇閾值為5。高通濾波器選擇一個二階高通Butter濾波器。然后將濾波后的數據的絕對值進行256個點的滑動平均。對比高通濾波后的數據和滑動平均后的數據，剔除高出閾值的數據。本項目對原始數據進行兩次修正。第一次修正用原始數據的1/2代替。第二次修正對第一次修正后的數據進行256個點的滑動平均，然后用滑動平均后的數據的1/2代替原始數據。

湍流耗散率計算康建軍等[5]已經做了詳細的介紹。而程序流程和數據處理方法的過程基本相同，這里不做詳細介紹。

4 結果分析

為了驗證數據處理方法和電路的可靠性，用ALEC公司生產的TurboMap湍流剖面儀測量的數據分別通過其自帶軟件和本電路處理結果進行對比分析。從濾波前后數據中可以明顯看出，對于一些孤立的噪聲信號得到了有效剔除，并且沒有影響整體的剪切數值的趨勢。從圖4中可以看到最終耗散率的兩種處理結果吻合較好，在7～9 m，12～14 m，17 m左右的結果有偏差，這主要是由于選擇的濾波器或除噪方法不同而導致的。耗散率可以充分反映出實際水體的混合程度，也就是說在原始數據中混合較強的區域（剪切較大的區域），耗散率大，混合強。

5 結束語

通過DSP技術設計電路并且對湍流測量的原始數據進行初步處理，得到其特征值進行數據的傳輸，解決了湍流數據量較大不便于傳輸的問題，為大面積長期實時湍流觀測提供了可能。同時本方法不僅適用于湍流觀測，同樣可以應用于其他一些數據量較大的觀測項目中。本文提到的觀測方式主要取決于數據處理方法選擇是否得當，只有采用有效的處理方法得到的結果才是可信的。

[1]Wolk F,Yamazaki H,Seuront L，et al.A New Free-fall Profiler for Measuring Biophysical Microstructure[J].J Atmos Oceanic Technol,2002,19：780-793.

[2]Lueck R G.The calibration ofa hot filmturbulence.probe[J].J Geophys Res,1980,85（C9）4923-4932.

[3]Lueck R G,HuangD,Newman D ，et al.Turbulence measurements with a moored instrument[J].Atmos Ocean Tech,1997,14：142-161.

[4]Lueck R G,Wolk F,Yamazaka H.Oceanic velocitymicrostructure measurements in the 20th century[J].J Oceanogr,2002,58：153-174.

[5] 康建軍,鄔海強，等.海洋湍流觀測技術[J].海洋技術,2007,26（3）：19-23.

[6]蘭卉,李建國.基于Sd卡的七電極CTD數據采集系統[J].海洋技術,2009,28（3）：46-49.

Data Processing for Shear Turbulence Probe

FENG Yue-yong,KANG Jian-jun,ZHOU Da,ZHANG Jian-tao,WU Hai-qiang
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

Turbulence plays a significant role in ocean energy and mass exchange.The research of ocean turbulence is closely related to the development of ocean turbulence observation devices.Early in 1950's,foreign scientists began making and testing such devices.While,in China,we could almost do nothing but import such equipment to meet the demand in ocean turbulence research.DSP technology is applied in designing circuit,which is used to process data of turbulence shear.The data measured by TuboMap of ALEC Co.is compared with the results processed by circuits.The results show a good coordination.The solution provided has solved the problem of remote data transmission caused by large amount of turbulence data,which offer the possibility for long-term and large-scale turbulence observations.

turbulence;mixing;DSP

P716+.2；TP274

B

1003-2029（2011）04-0054-04

2011-01-21

國家高技術研究發展計劃（863）資助項目（2007AA09Z123）

馮月永（1975-），男，高工，主要研究方向為海洋監測技術。