水下目标光学隐蔽参数测量方法研究

水下目标光学隐蔽参数测量技术在光学侦察、探测水下目标等军事运用中发挥了非常重要的作用。为了改变以往使用透明度盘测量海洋光学参数方式,提高测量的效率和测量结果精准度,在分析水下目标光学隐蔽参数的基础上,设计了船载水下目标光学隐蔽参数测量方法,利用lightools软件优化光学探头设计,采用无线方式实时传输海水光学参数数据,并进行了海上实验,测量得到了海水辐照比、海水体衰减系数和漫衰减系数,完成水下目标光学隐蔽参数分析,实验证明了该测量方法的可行性和可靠性。     

东海海面辐射特征及影响因子分析

利用2006-2007年东海海区(120°E～128°E,26°N～31°N)的太阳辐射、常规气象和皮温等观测资料,分析太阳辐射季节变化特征,并讨论其与相关因子的关系;分析大气透过率与太阳高度角、总云量和相对湿度的关系,并进一步讨论海而反照率与太阳高度角、大气透过率和风的相关性.结果表明:东海海区辐射分量除向上短波辐射外,都表现出夏季最大,冬季最小的季节变化特征;大气透过率秋季最大,夏季最小;海面反照率秋季最大,春季最小.向下(上)短波辐射主要受太阳高度角和云量影响,向下长波辐射与气温、相对湿度的相关性较好,向上长波辐射与皮温的关系非常密切;大气透过率在少云时主要受太阳高度角影响,多云时主要受总云量影响,空气湿度的影响较弱;大气透过率变大时海面反照率减小;太阳高度角是影响海面反照率最主要的因素,且影响作用随着大气透过率的变大而增强,太阳高度角越大,海面反照率越小;风引起的海而粗糙度影响最弱,在太阳高度角较高、大气透过率较大时,风增大海面反照,卒的作用增强.     

多波束系统搜救水下目标的探测深度计算

针对多波束测深系统种类、探测模式等因素影响水下目标搜索效能的问题,提出了一种面向水下目标搜索的多波束系统探测深度计算方法。分别对多波束系统等角与等距模式进行探讨,考虑波束间重叠角的影响,由多波束横向分辨率计算公式推导了 2 种模式的探测深度公式,并将不同波束角度的探测深度进行计算。经过结果比对,总结出等角模式搜索水下目标的探测能力要优于等距模式。最后结合算例,得出多波束探测能力与目标尺寸、海水深度、波束开角有关。     

机载海洋激光雷达测量叶绿素a浓度、悬移质浓度和浅海深度的性能估计

以14:00时离水辐亮度作为背景光强度,模拟355nm激光雷达测量不同深度水层叶绿素a荧光的信噪比.分析体积衰减系数c、辐照度衰减系数k、散射系数b和透明度盘深度(SDD)的关系.最后模拟532nm激光雷达测量悬移质浓度的最大测量深度和误判率小于10%时的最大海底探测深度随SDD的变化.     

Spar平台环境载荷风洞测试及载荷分析

介绍某桁架式Spar平台风洞环境载荷测试及分析,为国内首次在风洞中开展的Spar平台风、流载荷模型试验。通过在风洞中模拟真实海洋环境,考虑倾角变化对平台载荷的影响,测试Spar平台水上部分风载和水下部分的流载,给出最大风倾覆力矩风向角,确定平台最容易发生危险的关键风向。试验结果表明:水上部分风阻随纵倾角的增大而增大;风倾覆力矩随倾角增大先增大后减小,在纵倾角10°时达到最大值;水下部分只在流向角-15°～15°范围内,流阻随倾斜角度增大而减小,但最大阻力发生在倾斜角为15°时。试验结果可以为Spar平台设计以及性能预报提供参考。     

热带西太平洋海区生物-光学变异性

在海上测量期间,观测到几次浮游植物大量繁殖过程,每次分别持续8—18d,叶绿素含量分别升高约3—10倍。由于浮游植物大量繁殖,光束衰减系数随叶绿素a含量升高而增大。谱分析的结果表明,光束衰减系数与叶绿素a含量的时间序列有较好的相干性,其相干系数在0．6—1．0之间。在此基础上,讨论了生物-光学变异性与海洋物理过程的关系。结果表明,混合层深度及水温等物理参数的变化是导致生物-光学特性在数十天时域尺度上变化的重要因素。     

锚泊光学浮标浮体设计及近海试验

文中设计的光学浮标采用了柱状浮体, 提出了自由旋转的马鞍链结构。理论计算结果表明, 该光学浮标一是初稳性高度大, 二是光学浮标重心位于浮心之下, 浮标的摇摆角较小, 抗倾斜及倾覆能力强。海上试验结果表 明, 对于风力7节、浪高3—4m以下的海况, 浮标倾角≤5°的次数占总采样次数的 54%, 浮标倾角≤10°的次数占总采样次数的83%, 浮标性能较好地满足了水下光辐射测量的技术要求。为减小阴影效应带来的光辐射测量误差, 文中采用了两种解决方法: 一是伸臂结构解决浮标体阴影的影响, 当太阳天顶角为0°时, 在近岸或者清洁水体中浮标体阴影引起的向上辐亮度测量误差分别不大于4% 和1%; 二是光纤光谱仪测量技术减少仪器自阴影的影响, 设计的光谱辐照度和辐亮度光学探头直径均为0.042m, 当水体光束衰减系数为0.12m-1, 太阳天顶角为10°时, 自阴影引起的向上辐亮度测量误差仅为1.5%。     

基于WOA13数据的海区位置对北大西洋声波导影响分析

应用WOA13季节平均数据和BELLHOP模型,在季节、声源频率等因素确定的情况下,分10 m表面声源和250 m水下声源,分析北大西洋冬季东、西部海区的声波导情况。在给出不同海区位置的声速场和声波导具体信息的基础上,研究其规律:最小声速值和声道轴深度由直布罗陀海峡向外递减扩散,表层声速值和声速梯度由南向北递减,声跃层存在于低纬度海区,混合层在低纬度通常在100 m以内,在高纬度增加至100 m以上。10 m深度表面声源的汇聚区反转深度随纬度增加逐渐减少,西部海区深于东部海区;西部海区的汇聚区跨度大于东部海区,东西部跨度最大值出现在25°N和15°N,传播损失基本一致。250 m水下声源的汇聚区反转深度浅于10 m深度表面声源时,同样是西部海区大于东部海区,汇聚区跨度呈低-高-低规律,东西部跨度最大值出现在35°N和25°N;东部海区25°N以南、西部海区15°N以南,不同接收深度上的传播损失差异较大,以北差异较小。同时简要叙述了声影区对目标探测的影响。     

台湾海峡1997年8月至1999年8月份海水光学衰减系数的分布特征

利用1997－1999年间8月份台湾海峡的实测资料，分析了海水光学衰减系数的垂直分布类型、水平分布特征。结果表明，台湾海峡海水光学衰减系数的垂直分布类型主要分为5种，大部分随深度而递增；光学衰减系数等值线基本与岸线平行，水平梯度自北向南、自近岸向外海递减，近岸等值线密集，而外海稀疏；影响台湾海峡光学衰减系数的主要因素是县浮物质（主要含浮游生物）和海流运动。     

顾及横向分辨率的目标探测极限深度计算

横向分辨率是多波束系统探测分辨率的主要决定因素,当进行水下目标探测时,其直接影响着探测极限深度的选择。探讨了顾及横向分辨率的水下目标探测极限深度的计算,并以SeaBeam3030型多波束系统为例,给出了等角和等距两种模式的极限深度计算方法,通过仿真计算与分析,验证了计算方法的有效性。结论表明:无论是等角还是等距模式,横向分辨率由中央向外分辨率逐渐增大,并且在等距模式下,探测目标在横向上边缘失真明显,数据不能用于成图。给出的顾及横向分辨率的极限深度计算方法,可为不同类型的多波束测深系统进行水下目标探测提供依据参考。     

Determination of wind roughness characteristics based on an underwater image of the sea surface

The opportunities of diagnosing wind roughness with the help of underwater vision systems have been investigated. The model of the rough sea surface image observed from under water under conditions of natural illumination has been developed. It has been shown that the statistical processing of the image of a solar path which is formed as a result of light refraction at randomly irregular air-water interface allows one to define not only the slope variance and the curvature variance of the surface, but also the coefficient of spatial correlation of slopes. The algorithms for defining of characteristics of wind roughness on the basis of images of underwater solar path and the results of their testing using the data of numerical and natural experiments are given. It was found that waves of very small amplitude images with high contrast near borders of the Snell’s circle (the underwater image of the sky).     

Variation of diffuse attenuation coefficient of downwelling irradiance in the Arctic Ocean

The diffuse attenuation coefficient(Kd) for downwelling irradiance is calculated from solar irradiance data measured in the Arctic Ocean during 3rd and 4th Chinese National Arctic Research Expedition(CHINARE), including 18 stations and nine stations selected for irradiance profiles in sea water respectively. In this study, the variation of attenuation coefficient in the Arctic Ocean was studied, and the following results were obtained. First, the relationship between attenuation coefficient and chlorophyll concentration in the Arctic Ocean has the form of a power function. The best fit is at 443 nm, and its determination coefficient is more than 0.7. With increasing wavelength, the determination coefficient decreases abruptly. At 550 nm, it even reaches a value lower than 0.2. However, the exponent fitted is only half of that adapted in low-latitude ocean because of the lower chlorophyll-specific absorption in the Arctic Ocean. The upshot was that, in the case of the same chlorophyll concentration, the attenuation caused by phytoplankton chlorophyll in the Arctic Ocean is lower than in low-latitude ocean. Second, the spectral model, which exhibits the relationship of attenuation coefficients between 490 nm and other wavelength, was built and provided a new method to estimate the attenuation coefficient at other wavelength, if the attenuation coefficient at 490 nm was known. Third, the impact factors on attenuation coefficient, including sea ice and sea water mass, were discussed. The influence of sea ice on attenuation coefficient is indirect and is determined through the control of entering solar radiation. The linear relationship between averaging sea ice concentration(ASIC, from 158 Julian day to observation day) and the depth of maximum chlorophyll is fitted by a simple linear equation. In addition, the sea water mass, such as the ACW(Alaskan Coastal Water), directly affects the amount of chlorophyll through taking more nutrient, and results in the higher attenuation coefficient in the layer of 30–60 m. Consequently, the spectral model of diffuse attenuation coefficient, the relationship between attenuation coefficient and chlorophyll and the linear relationship between the ASIC and the depth of maximum chlorophyll, together provide probability for simulating the process of diffuse attenuation coefficient during summer in the Arctic Ocean.     

海洋磁力仪拖体入水深度试验与分析

拖体入水深度是水下拖曳作业的主要参数,其取决于拖体自身重量、拖缆长度和船速。通过G882TVG海洋磁力仪阵列的拖曳试验,分析了船速、配重、拖缆长度的相互关系,导出拖体入水深度计算模型,对类似设备的拖曳参数确定具有借鉴意义。     

基于能量平衡的跨海桥梁钢管桩局部冲深计算

综合国内外现有研究成果，分析了桩周流场结构及局部冲刷坑的分布形态，通过三维数值模拟，验证了局部冲刷最大值点出现在桩前，且冲坑坡度近似等于泥沙水下休止角的结论。从国内外规范内局部冲深计算公式中筛选出跨海桥梁钢管桩局部冲刷深度的主要影响因素。基于能量平衡理论，通过来流水流搬运冲刷坑内泥沙过程中的能量守恒，推导了概念清晰、形式简单的局部冲刷深度预测公式。区别于现有多数公式主体结构，该公式为关于局部冲深的一元三次方程，通过水下泥沙休止角来考虑泥沙对冲刷的影响以及冲刷过程中冲刷坑自身深度及范围变化对冲刷产生的影响。利用最小二乘法，结合环杭州湾区域三座跨海大桥的试验及实测数据拟合确定了公式相关参数，并与国内外规范内的公式对比验证，结果表明，该公式精度较高，可为实际工程计算分析提供参考。     

基于北斗定位导航系统的水下监测平台出水报警定位信标机设计与实现

由于海洋内部环境复杂多变,加之渔业捕捞作业范围和深度的逐步扩大,对水下监测平台的安全构成了极大威胁。而且,在水下平台的海上回收作业过程中,恶劣海况、海雾、海面光反射等不利因素无不给回收过程造成很大麻烦,一旦平台浮出海面后漂出视距范围,将面临丢失风险。文中借助北斗定位导航系统,结合压力检测电路,设计并实现了一种可用于水下平台意外出水报警、出水后实时定位的卫星定位信标机系统,经多次应用,证明性能稳定可靠。     

水下目标磁探测的测线间距设计

测线间距设计是水下磁性目标探测的重要环节。把水下目标简化为磁偶极子，导出了更加合理的测线间距计算公式；为提高水下目标磁探测的可靠性与作业效率，分析了影响测线间距设计的各种因素，认为水下目标磁矩、海洋环境噪声水平和测点定位误差是测线间距设计中必须考虑的三个主要因素。     

北半球夏季中高纬海洋声散射层分布研究

利用第八次北极调查走航ADCP后向散射强度数据，结合太阳高度、海冰密集度和实测水体环境参数数据，统计分析了中高纬海洋声散射层的时空变化特征。结果表明，纬度越高，声散射层在海表滞留时间越短，即使在极昼期间及全海冰覆盖海域，虽然其迁移幅度和后向散射强度减弱，但仍受太阳高度变化影响，且二者具有较强的时序相关性；在北极中央海域，不仅声散射层迁移活动较弱，且出现无明显散射层的情况，可能是因为该海域浮游动物和鱼类聚集度相对较低且迁移活动微弱，超出了本文所用ADCP的探测精度范围；从鄂霍次克海至白令海西南海域，往返ADCP数据均显示有两个后向散射强度上高下低，但垂直迁移时间同步的声散射层，且二者间距随纬度增加而逐渐减小并合为一体，这可能是由不同生活习性的海洋生物造成的。     

GF-1 WFV图像经验模分解的光谱保真性与水深遥感探测

水深是海洋环境的重要参数之一，水深遥感反演是水深测量的一种重要手段。经验模分解（EMD）具有剔除小尺度波浪信息，留下大尺度水下地形信息的特性。本文利用EMD对高分一号卫星宽幅影像进行尺度变换，使用光谱相关系数、光谱角、光谱偏差和光谱相对偏差等评价指标，对剩余层图像进行光谱保真性分析；利用改进的对数转换比值模型对原始影像和剩余层图像进行水深反演，并进行相关性分析与精度评价。研究结果表明:（1）评价指标显示EMD变换后影像具有相当的保真性；空间断面分析表明EMD去除了小尺度的噪声信息，保留了水下地形变化信息。（2）经均匀分布的检查点验证，两区域的原图像反演水深和实测水深的相关性较好，相关系数达0.75以上，且两种波段组合的MAE和MRE均不超过2.42 m和8.5%。（3）对EMD的全部10层进行水深反演，蓝绿波段的MAE和MRE均不高于1.62 m和5.8%；绿红波段的MAE和MRE均不高于1.93 m和6.9%。（4）对于不同的波段组合，蓝绿波段组合在各剩余层的水深反演效果明显优于绿红波段，经EMD后的水深反演效果明显提高。（5）20~30 m水深段的反演精度整体要高于30~40 m，该模型应用于较浅水深段更具优势。     

海翼水下滑翔机测流应用

水下滑翔机其通过集成生物、化学、物理传感器可以测量如温度、盐度、溶解氧等多种海洋基础水文要素,其利用卫星定位系统获得实际出水速度和理论出水模型获得理论出水速度之差可以计算深度平均流,。本文利用海翼水下滑翔机获得温盐场及卫星定位数据评估深度平均流,结果显示利用温盐场获得深度平均地转流与水下滑翔机获得深度平均流相关系数0.95,表明其流场的一致性,同时根据船载观测ADCP误差分析法估算深度平均流误差约为0.036 m/s。借助深度平均流可以估算绝对地转流,包括正压地转流和斜压地转流。在零动力面的假设下,我们选取了海翼号水下滑翔机在南海的一组实验对流量误差进行了评估。该实验为2019年1月3日-2月16日海翼号水下滑翔机自南向北穿越西沙群岛附近一个中尺度涡观测。观测结果表明,该中尺度涡为冷涡流核,在涡心以南,绝对地转流为东向流,最大流速约为0.48 m/s;涡心以北,绝对地转流为西向流,最大流速约为0.47 m/s,稍弱于南侧。受不均匀时空观测计划影响,本文未对流量做出估计。