剪切湍流数据处理技术

冯月永，康建军，周 达，张建涛，邬海强

（国家海洋技术中心，天津 300112）

剪切湍流数据处理技术

冯月永，康建军，周 达，张建涛，邬海强

（国家海洋技术中心，天津 300112）

湍流在海洋能量和水体的交换演化中起着非常重要的作用。海洋湍流研究的发展和海洋湍流观测仪器的研发密切相关。世界上湍流观测仪器的研发起步于20世纪50年代，但是我国在湍流观测设备方面到目前为止仅仅处于起步和引进国外设备阶段。针对我国的情况，利用DSP技术设计电路，并通过电路对剪切湍流数据进行处理。用ALEC公司生产的湍流剖面仪测量的数据分别通过其公司自带软件和电路处理的结果进行对比，结果吻合较好。文中提供的方法解决了湍流数据量较大不利于远程数据传输的问题，为大面积长期的湍流观测提供了可能。

湍流；混合；DSP

海洋内部湍流混合是物理海洋学一个十分重要的研究领域，已经成为制约许多研究领域的改进和发展的关键因素，因此大面积长时间海洋湍流观测已经成为人类认识海洋的迫切需求。湍流运动是一个小尺度快速的变化过程，要想准确反应海洋中湍流的变化过程就要运用统计学方法对大量微结构观测数据进行统计处理。同样要提高测量精度就要提高采样频率，这样势必会提高数据量。而就目前的技术手段而言，大数据量的传输不仅在技术上还存在一些问题，而且费用也是非常昂贵的。将数据处理过程移植在仪器电路中，将处理过的数据进行传输将会顺理成章地解决大数据量传输的问题。数据处理是指将传感器测量的脉动信号经过统计分析计算湍流动能耗散率或混合率等特征值。目前比较成熟湍流测量传感器探头主要是指海洋微结构翼型剪切湍流探头（剪切探头），其主要测量的是海水水体速度的脉动量。本文主要针对剪切探头测量的数据，利用DSP技术设计电路，并对数据进行处理。

1 剪切湍流数据处理方法

1.1 数据除噪方法研究

传感器测量的原始数据含有大量噪声信号，噪声主要有高频噪声和低频噪声。低频噪声主要是由于仪器在海水中的状态不可能是理论上的绝对稳定下降及其他干扰造成的。湍流剪切信号测量的是海水相对于仪器的速度脉动量，而我们需要的是海水的绝对脉动量。当仪器本身抖动时，就会对实际测量的数据产生噪声。怎样剔除这样的噪声将决定最终数据结果的准确性。高频噪声主要是由于传感器测量精度和响应频率的限制而造成的噪声信号。

由于湍流脉动量频率较高，远大于仪器在海水中的抖动频率，在实际的除噪过程中，首先对原始数据进行高通滤波。高通滤波器选择一个二阶高通Butter滤波器。然后将滤波后的数据的绝对值进行256个点的滑动平均。对比高通滤波后的数据和滑动平均后的数据，剔除高出阈值的数据，然后对原始数据进行两次修正。第一次修正用原始数据的1/2代替。第二次修正对第一次修正后的数据进行256个点的滑动平均，然后用滑动平均后的数据的1/2代替原始数据（如图1）。从图1中可以看到处理后的数据已经将原始数据中的孤立噪声信号剔除掉。对于开始和结尾部分的数据除噪并不是非常好，主要是因为仪器在刚入水和测量结束时受到了外力的影响较大，仪器处于不稳定状态，除噪效果不好。

1.2 湍流耗散率的计算

W是垂向剖面仪相对于海水的速度（一般由加速度计求得）。根据流速剪切计算的耗散谱ψ（k）和相应尺度的Nasmyth广义谱进行比较。湍流动能耗散率则根据下式求得：

式中：v为运动粘性系数（由标准CTD资料算得），它的大小与温度、盐度和密度有关；u是水平脉动流速；z是垂向的坐标。脉动流速的剪切的平方则是由每个剖面观测记录的ψ（k）积分求得，积分的下限是1 cpm（理论值），积分的上限是没有被高频信号污染的最大波数。只有选择合适的积分区间才能正确估计湍流耗散率及其混合系数。从实际的资料分析中可以看出由观测资料得到的耗散谱ψ（k）与Nasmyth广义谱符合的较好，对此详细评价见文献[1]和文献[2-4]。

混合率可根据Osborn公式求得，选取的混合系数为γ=0.2，这与高Reynolds数湍流一致，

图1 数据滤波前后对比图

式中：N是浮力频率。具体的计算流程参考文献[5]。

2 电路硬件设计

20世纪60年代以来数字信号处理技术（Digital signal processing，DSP）日渐成为一项成熟的技术，并在多项应用中替代了传统的模拟信号处理系统。数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰能力强、设备尺寸小、速度快、性能稳定和易于升级等优点。DSP处理器能够在一个周期内完成乘法累加运算，为复杂信号处理算法和控制算法的实现提供了良好的平台。德州仪器（TI）公司生产的TMS320F28335芯片不仅仅具有一般DSP芯片的功能，其片上FLASH模块大大简化了电路设计和程序设计过程。高速的浮点内核为程序设计提供了更灵活的程序设计思路。3路串口通讯扩大了其使用范围。具体指标如下：

（1）具有一个浮点内核，处理速度更快；

（2）工作速度可达150 MIPS；

（3）片上 RAM68 k*16 bit；

（4）自带16路12 bit A/D，最大采样速率12.5 MSPS；

（5）3路UART串行接口，两路为RS232接口；一路为RS232/RS485可选；

（6）片上256 k*16 bit FLASH，自带128位加密位；

（7）内部+3.3 V、+1.9 V电源管理。

在实际的电路设计中主要分为电源模块、存储模块、时钟模块、传感器电源控制模块、传感器通讯模块。

电源模块主要为系统中各个芯片及其传感器供电。12 V外界电源通过TCL2594转化为5 V电源，5 V电源通过TLV117-33转化为3.3 V，再通过TLV117-ADJ将电源转化为1.9 V。传感器供电主要是由CPU的I/O端口通过一个光电耦合器件来控制IRF9530给传感器加电或断电。

存储模块采用的是SD卡。系统中有大量的数据要记录下来，需要大量内存来保存数据，在CPU上连接SD卡以扩大存储容量。SD卡具有存储容量大、读写速度快、灵活性强的特点，是一种理想的存储载体，本系统选用的是mini SD卡，它是SD卡发展而来的，性能和传统的SD卡并无大的区别。mini SD卡和SD卡一样，都具有2MB/s的数据传输速度。与传统SD卡一样，mini SD卡具有硬件数据写保护保护开关，可避免存储内容不慎删除的风险。mini SD卡的特点是体积小、性能稳定，可配合专用转换卡使用，完全兼容标准SD卡插槽。而且mini SD卡采用的是低功耗的设计，比SD卡更适合用在低功耗设备上，具体电路参考文献[6]。

时钟模块采用的是PCF8563时钟芯片。PCF8563时钟芯片是一个低功耗的可提供年月日时分秒百分秒的实时日历/时钟芯片。通过TMS320F28335芯片内置集成电路IIC接口，把PCF8563连接到微控制器的IIC接口。

传感器通讯模块主要是指RS232通讯。本部分电路主要包括信号电平转换电路、串口扩展电路和其它的一些外围电路。电平转换电路主要由MAX202和ADUM1201完成，串口扩展电路由CD4052芯片完成。

电路的具体指标为：

主芯片电路供电为5V，电流140mA；整个电路供电12V，电流220 mA；RS232串口5路；模拟频率信号1路；垂向加速度信号1路；PCF8563日历时钟电路；SD卡存储。

3 软件设计

系统的设计包括时序控制、数据采集、数据存储和数据处理等部分。具体流程图如图2所示，系统加电后稳定3 s；由于湍流实际测量的是速度随时间的脉动量，利用泰勒公式将时间上的脉动量转化为空间上脉动的过程中需要用到速度，所以整个过程多次测量仪器的速度；CTD、湍流数据通过RS232采集得到；数据经过处理得到湍流耗散率后，通过RS232将结果输出。整个运行过程的时间长度主要取决于湍流传感器的数据输出频率和耗散率的精度的影响。湍流剪切传感器的采集频率一般高于256 Hz，湍流耗散率以2 048组湍流数据处理一次。

图2 软件流程图

图3 数据除噪流程图

图4 数据结果图

数据处理过程比较繁琐，主要包括原始数据除噪和湍流耗散率计算两部分。

数据除噪主要包括噪声信号的提取和噪声信号的修正两部分，如图3所示。滤波参数主要是指滤波器的高通频率、平滑尺度和阈值选择等参数。对于不同的仪器在海水中的固有频率不同，所以高通频率的选择也不同。平滑尺度取决于实际仪器的采样频率，本项目实际使用的是ALEC公司生产的TurboMap湍流剖面测量仪的数据，其测量频率为256 Hz，本项目中实际选取的平滑尺度为256个测量点。阈值的选取也是一个人为因素比较大的环节，若过小会淹没实际的数据，若过大则不能有效剔除噪声信号。通过大量的数据对比（与ALEC公司自带软件计算结果对比）选择阈值为5。高通滤波器选择一个二阶高通Butter滤波器。然后将滤波后的数据的绝对值进行256个点的滑动平均。对比高通滤波后的数据和滑动平均后的数据，剔除高出阈值的数据。本项目对原始数据进行两次修正。第一次修正用原始数据的1/2代替。第二次修正对第一次修正后的数据进行256个点的滑动平均，然后用滑动平均后的数据的1/2代替原始数据。

湍流耗散率计算康建军等[5]已经做了详细的介绍。而程序流程和数据处理方法的过程基本相同，这里不做详细介绍。

4 结果分析

为了验证数据处理方法和电路的可靠性，用ALEC公司生产的TurboMap湍流剖面仪测量的数据分别通过其自带软件和本电路处理结果进行对比分析。从滤波前后数据中可以明显看出，对于一些孤立的噪声信号得到了有效剔除，并且没有影响整体的剪切数值的趋势。从图4中可以看到最终耗散率的两种处理结果吻合较好，在7～9 m，12～14 m，17 m左右的结果有偏差，这主要是由于选择的滤波器或除噪方法不同而导致的。耗散率可以充分反映出实际水体的混合程度，也就是说在原始数据中混合较强的区域（剪切较大的区域），耗散率大，混合强。

5 结束语

通过DSP技术设计电路并且对湍流测量的原始数据进行初步处理，得到其特征值进行数据的传输，解决了湍流数据量较大不便于传输的问题，为大面积长期实时湍流观测提供了可能。同时本方法不仅适用于湍流观测，同样可以应用于其他一些数据量较大的观测项目中。本文提到的观测方式主要取决于数据处理方法选择是否得当，只有采用有效的处理方法得到的结果才是可信的。

[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] 康建军,邬海强，等.海洋湍流观测技术[J].海洋技术,2007,26（3）：19-23.

[6]兰卉,李建国.基于Sd卡的七电极CTD数据采集系统[J].海洋技术,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

国家高技术研究发展计划（863）资助项目（2007AA09Z123）

冯月永（1975-），男，高工，主要研究方向为海洋监测技术。