海洋微结构湍流垂直剖面仪设计与试验

海洋微结构湍流运动，即微结构流速剪切运动，是产生海洋宏观现象的原动力，对其测量是海洋探测的重要任务之一．目前，精确测量海洋毫米级的微尺度流速剪切、温度等原始数据是海洋科学研究的基础和难点之一．使用搭载翼型剪切流传感器的微结构湍流垂直剖面仪，是当前最普遍、最有效地获取海洋垂直剖面微尺度流速剪切数据的方法[1]．

最早的海洋微结构湍流垂直剖面仪是由 Osborn于加拿大英属哥伦比亚大学研制成功的，随后加拿大、美国、日本及欧洲其他国家都进行了垂直剖面仪的研制并形成各自的系列[2]．

目前，笔者完成了海洋微结构湍流垂直剖面仪实验样机的研制，但是，对海洋微结构湍流垂直剖面仪的总体研究水平还处于起步阶段．研究设计的垂直剖面仪实验样机能够携带翼型剪切流传感器、高精度压力传感器、高精度加速度传感器等多种测量传感器，对海洋微结构湍流数据进行测量．实验样机的传感器携带能力与国际先进水平基本持平；微结构湍流动能耗散率ε 的测量范围可达10 ～10 W/kg-10 -4，与加拿大 Rockland 公司生产的 VMP750&2000 微结构垂直剖面仪的测量能力相当[3]．

国外多使用甲板单元对垂直剖面仪供电，并存储实时回传的测量数据．其优点是剖面仪能够对被测站点进行长时间、持久观测；缺点是甲板单元过于复杂，剖面仪操作较为繁琐．

笔者研制的垂直剖面仪实验样机是自容式系统，使用自身携带高能量密度可充电电池供电，测量数据保存在系统内部的存储介质中．其优点是仪器本身及甲板单元结构简单，便于实验操作；缺点是能源有限，不能持久观测．目前，样机具有 8,h 在位、连续测量的能力，能够满足物理海洋学家的观测需求．

垂直剖面仪作为海洋微结构参数测量装备，其测量过程中的运动姿态对测量结果有很大影响．因此，笔者对所设计的剖面仪的运动性能进行了分析研究，这是实现正确测量的基础．

1 垂直剖面仪的物理参数描述

参照水下滑翔器的坐标系描述方法[4-5]，描述剖面仪在垂直剖面内运动的坐标系，如图 1 所示．

图 1 中，OXYZ 是地面坐标系，又称为静坐标系，与地面固连在一起，坐标原点O 可选在地面内任意一点．OX 轴在垂直面内，指向剖面仪的运动方向，垂直向下为正；OY 轴在水平面内，向右为正；OZ 轴垂直于 OXY 平面，其正方向使 OXYZ 构成右手直角坐标系．oxyz 为剖面仪体系，又称为动坐标系，与剖面仪固连在一起，剖面仪体系原点选在剖面仪的浮心o 处．ox 轴沿剖面仪纵轴，指向剖面仪前端为正；oy轴垂直于ox轴，当剖面仪水平放置于地面上时，指向上为正；oz 轴垂直于oxy 平面，其正方向使oxyz 构成右手直角坐标系．