[发明专利]水下滑翔机内波观测方法

说明书

技术领域

本发明属于水下滑翔机内波观测技术领域。

背景技术

水下滑翔机是一种新型水下自主航行器，它依靠浮力驱动，通过位姿调节，实现锯齿状轨迹航行。水下滑翔机具有精确控制浮力的能力，能够实现目标水层的中性体悬停。同时水下滑翔机可以调节重心位置，实现对其位姿的有效控制，具有功耗低、航程长、工作时间长、隐蔽性高等优点。

内波是指当海水密度上下分布不均匀，两层海水的相对密度有差异时(如差值大于0.1％)，在外力扰动下，在两层海水界面上产生的波浪。内波对海上石油平台以及潜艇等海上物体产生巨大的冲击，容易引发事故。因此需要对内波的形成以及传播过程进行研究。

现有的主要观测方法有两种：遥感观测、潜标测量。

遥感观测通过遥感图片获得强内波影响的海面波浪图像，范围较广，但受恶劣天气影响，只能观测到强信号内波。潜标测量是在内波高发区域的跃层安放潜标，观测海水要素的变化情况来反演内波，较为被动，成本高，观测手段单一。

到目前为止，水下滑翔机内波观测主要方法是剖面观测内波海水要素变化，数据较为粗糙，无法准确描述内波的动力学结构。

发明内容

本发明提出水下滑翔机采用拉格朗日法观测内波的方法。

本发明包括以下三个部分：一是选取跃层最值点水层作为水下滑翔机观测位置。二是利用水下滑翔机观测内波运动的方法，包括以下步骤：预先测量、下潜至目标深度，并设置参考点、目标深度水平稳定悬停、上浮重新定位、资料处理。三是由滑翔机运动推算内波运动算法。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

图1是海洋跃层最值点分布。

图2是水下滑翔机预先测量。

图3是水下滑翔机观测内波位姿。

图4是内波垂向速度推算流程图。

图中：1.跃层最值点，2.跃层区域，3，航行轨迹，4.内波造成的垂直运动。

具体实施方式

首先要确定水下滑翔机观测内波的位置，内波的出现具有很强的的不确定性和随机性，因此观测内波一般采用守株待兔的方法。由于内波主要发生在跃层区域，而跃层区域可以用“五点三要素”表征，如图1所示，即跃层上界点、强跃层上界点、跃层最值点、强跃层下界点、跃层下界点和跃层最大强度、强跃层平均强度、跃层平均强度。其中跃层最值点不仅是海洋要素变化速度最大的一点，同时也是跃层的中心位置，距离上下均匀层位置较近，更容易捕捉内波的出现，因此选定跃层最强点作为观测内波的位置。

1.预先测量。水下滑翔机采用守株待兔式的观测方式，需要观测区域的海洋要素的垂直分布结构，因此由遥感卫星确定观测区域后，甲板单元控制滑翔机航行至该区域，并先做两到三个剖面观测以获得该区域温盐数据，如图2所示，分析该区域海水分层结构，为水下滑翔机中性悬停精确控制提供数据支持。

2.下潜至目标深度，并设置参考点。在获得海水分层结构后，通过计算获得在跃层最值点保持中性体悬停所需浮力来确定水下滑翔机的排油量。由于水下滑翔机的吸油依靠海水压力，对于油量的精确控制较难实现，而上浮过程需要液压泵排油，液压泵的每转一圈的排油量和内油箱内所剩油量可以精确控制，实现对浮力的精确控制和快速反应。因此下潜过程只是用于到达指定位置，上浮过程用于观测数据。在正式的测量过程中，下潜航行为主要目标，可以适当增大水下滑翔机的滑翔角快速到达高密度混合层。再根据预先观测获得的数据排出设定好的油量，水下滑翔机上浮至指定位置，通过内置的加速度计获取当前运动状态。当加速度计测量在固定时间内结果小于一定值，我们就认定滑翔机进入指定区域，并以此位置为参考点，开始测量。

3.跃层最值点处水平悬停。水下滑翔机到达跃层最值处水层后，控制重心，使其俯仰角保持为零，如图3所示。这样水下滑翔机在遭遇内波后，获得最大的迎流面积，提高其无滑脱随流运动能力。

4.上浮重新定位。水下滑翔机以一个月为周期，每两天上浮一次，传输数据、接收指令，同时重新定位。如果水下滑翔机因为海流的作用而偏离目标区域，可以重新寻址，返回目标区域。至此，对目标区域的一个周期观测结束，随后安排后续的观测任务。

5.资料处理。水下滑翔机的负载能力较强，可以搭载多种传感器，如CTD、溶解氧传感器、叶绿素传感器等，这些传感器的综合使用更好的反映内波的海洋要素变化，为内波的研究提供全方面的数据支撑。

内波速度推算过程如图4所示，通过流体力学分析和模型试验获得水下滑翔机在悬停状态下遭遇不同流速差时所受阻力，建立水下滑翔机-内波运动模型：