XCP投弃式海流剖面仪研制

发布时间：2020-07-23 03:22

【摘要】：投弃式海流剖面测量技术已成为当今国际上进行海流环境监测的高新技术之一,而我国在这方面的研究则刚刚起步。该方法通过测量海水运动切割地磁场所产生的感应电场,来探测海流运动规律。在地磁场稳定的情况下,海流感应电场的大小主要取决于海流的速度,故通过测量海流产生的感生电场,就可以了解海流的大小,从而研究海流的运动特征,XCP投弃式海流剖面仪正是基于此原理设计而成。目前,掌握该技术的国家仅有美国,其与日本共同垄断了 XCP产品,并对非盟友国家实行技术封锁,自主开发XCP技术对我国进行海洋科学调查、军事海洋动力环境观测和特殊海域动力环境观测具有重要意义。本论文分析了海流感生电场的基本原理,提出了投弃式海流电场剖面仪的技术方案,并根据投弃式海流电场剖面仪的实际需求,研发了 XCP海流电场传感器,并通过XCP探头的自旋转(16r/s),实现了将海流电场信号AM调制并频移至海流电场传感器的超低噪声频段,解决了在高噪声背景下快速测量纳伏级微弱海流电场信号。本论文设计实现了 XCP探头前端弱信号处理电路,对海流电场微弱信号进行滤波提取的同时可实现对海流电场同向分量进行硬件电路补偿,在一定程度上克服了 XCP探头下沉引起感生电场的强干扰。在XCP探头内部采用SoPC技术实现对海流电场信号、罗盘线圈信号和温度信息的快速测量及其数字化处理,并将数字信息以UART协议及LVDS物理层数传方式发送到XCP浮筒端,开创了长度2km、直径0.1mm漆包线动态数据传输技术,解决了 XCP探头和XCP浮筒之间的数字化数据传输问题。本论文根据XCP探头所采集的海流电场信号与罗盘线圈信号的同相分量、正交分量、基线量数据,研究了 XCP海流数据处理方式,从而计算出了海流的东向与北向相对速度分量。采用所研发的XCP,进行了 3航次的海洋试验,积累了 XCP海试经验,并在我国南海海域首次采集到海面至海下千米深度的XCP海流电场信息和海洋温度信息。
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P716
【图文】：

流速分布,海流,海流速度,海面

假设海水的流动只出现在海表面，建立直角坐标系，坐标原点位于海面，少逡逑轴的方向为海流的流动方向，Ｘ轴方向的海流为０，ｘ轴和ｙ轴均位于海面，ｚ轴方逡逑向垂直海面向上，Ｘ、＞；、ｚ符合右手螺旋（如图２－１所示）。假设理想化的海流模逡逑型的流速分布为（其中Ｚ／与0为海水的某一深度处，0比＾深，以上海洋表面海逡逑流速度设定为６，Ｚ２以下海流速度设定为０，海平面位于Ｚ＝０处，因Ｚ轴方向向上，逡逑９逡逑

模型图,海流,海水运动,闭合回路

（ａ）水平海流沿ｙ方向逦（ｂ）等效电路逡逑２．１．３邋ＸＣＰ测量原理逡逑图２－３邋（ａ）所示为一个沿ｙ方向的水平海流，海流的宽度为ａ，海流的模型逡逑由除底沉积物外相互隔离的Ｍ层组成。海流感生的电流可用图２－３邋（ｂ）所示的逡逑等效电路图来描述。该电路图包括各海流层的电压源ｅ，、电阻Ｒ，、垂向电阻ｒ，逡逑以及海底介质的等效电阻ＲＮ。因此，％逦—、＆＝１且６，邋＝Ｆ＇．ａ。一般地，逡逑ｃｊＤｊ邋0）ａ逡逑在海流中Ａ邋？ｆｌ，孕＞＞Ｇ，所以可忽略此时，Ａ、Ｂ两点的电压为逡逑±ｅ，ａｌＲ，风从逡逑（２－ｉ0）逡逑７＝１逡逑＾ａｂ邋＝Ｆｚａ＊Ｖ逡逑－ｙ＜ｊ邋ｖ．逡逑名义上为海流的平均速度，它与各层海水电导率和各层海流的逡逑速度有关。因此，在某层海流中，海流沿ｙ方向距离为Ｌ的两点间的电位差为逡逑ＡＯ，＝仄邋＿逦＝仄

示意图,正演模型,示意图

２．２．２积分方程法的模拟结果与分析逡逑１、理论模型逡逑在进行数值模拟中，建立如图２－６所示模型。图中ＡＢ、Ａ’Ｂ’为电偶极子，逡逑电流为１０００Ａ，频率为０、０．０００１、１Ｈｚ。异常体置于电阻率为０．３３Ｑ＊ｍ的无限逡逑海水中。探头的电导率为0Ｓ／ｍ，观测平面为ｚ＝１０００ｃｍ平面。探头短轴直径分逡逑别为１、２、４、５、６、１０和２０ｃｍ，长轴直径为５２ｃｍ。对探头模型进行了网格剖逡逑分，剖分网格数为：４０ｘ４０ｘ５２邋（图２－７）。逡逑＼／逦探头逦＼逡逑Ａ邋ｔ逦逦ｉ逦逦逦］逦＾邋＿邋ｊＢ，逡逑１逦0逦１逦１０００ｃｍ逡逑｜邋ｊ逦卜“逦！邋！逡逑＾逦１０００ｃｍ逦＋逦５ｃ．逦＾逦咖—逦＾邋Ｉ逡逑ｌＯｃｉｎ逡逑：０ｃｍ逡逑图２－６正演模型示意图逡逑２２逡逑

【相似文献】