移动式水下观测网络的队形稳定性

移动式水下观测网络是依靠水声通讯无线链接多个观测型水下机器人的自组织网络,因而使组网机器人趋于和保持稳定的队形对移动探测任务的完成非常关键。研究了变拓扑的移动式观测网络的队形控制问题,在线性时变系统稳定性分析的基础上,提出了镇定变拓扑网络队形的分布式控制器设计方法,并通过仿真验证了此方法的可行性。     

不同时段下海平面相关参数的差异分析

验潮站观测的海面高度数据是监测海平面变化以及确定平均海面时常使用的重要基础观测信息,针对平均海面以及相对海平面变化速率在不同时段观测资料下结果的差异进行了分析,统计了不同时间尺度平均海面确定的差异,并设计了两组数据实验,具体讨论了不同年份19年观测以及观测时长逐年累加两种情况下,相对海平面变化速率确定结果的规律。实验结果表明,月平均海面具有明显的季节性变化,最大互差可达几十厘米,1年平均海面基本稳定,19年平均海面精度可达厘米级;利用19年的观测资料确定的相对海平面变化速率反映的观测时段内海平面的变化情况,各时段结果差异较大且可靠性较低;为获得稳定可靠的相对海平面变化速率,观测时长应至少涵盖两个潮汐变化周期。     

无线传感器网络路由协议研究

总结目前已提出的基于地理位置信息的无线传感器网络路由协议存在的问题,着重讨论路由协议中的安全性能,分析GPSR和GEAR存在的能量消耗和安全性能问题,以改进GEAR路由协议。文中将新设计的路由协议的安全性能与GPSR和GEAR进行了比较,结果表明该路由协议不仅可以节省无线传感器节点的能量消耗,而且还可以抵抗一些针对无线传感器网络的特定方式的攻击。     

南海季风试验期间海面低层大气过程的初步数值模拟试验

采用一维高分辨率大气边界层模式(OSUPBL),模拟了南海海面低层大气,得到高分辨率的海面低层大气的各种气象要素及界面通量和能量平衡关系,并将模拟结果和南海季风试验(SCSMEX)观测结果和日本气象厅(JMA)再分析资料进行对比分析.结果指出,OSUPBL模式模拟得到的海面大气边界层的风速、温、湿垂直廓线,大气边界层高度以及海表面短波辐射、长波辐射、感热、潜热通量、净辐射和海面热收支等与实际观测结果基本一致.     

基于POMgcs模式中国海及邻近海域三维温盐流数值预报海面温度的检验分析

对基于POMgcs海洋模式建立中国海及邻近海域三维温盐流数值预报系统的海面温度产品,进行检验分析。利用2011年预报的月平均海面温度数据同卫星观测的月平均海面温度资料相比较,发现三维温盐流数值预报系统预报偏高。此外,分别利用2011年GTS海洋观测海面温度数据和2012年2、3、4月份卫星融合海面温度数据,与该系统海面温度预报逐日产品进行检验分析。检验结果表明:预报精度随着预报时效逐渐降低;预报海面温度高于观测值1℃~2℃。     

环境参数对L波段盐度计观测亮温的影响研究

星载海洋盐度计依据海表面盐度在微波波段的辐射特性,通过构建海面微波辐射探测器,利用海面辐射亮温、海表面粗糙度以及海面温度等信息反演得到海表面盐度,是实现全球海洋盐度观测的有效手段。构建合理的星载L波段盐度计辐射传输正演模型是准确定量反演海表盐度的基础,卫星盐度计观测亮温不仅与卫星固有参数有关,还与海洋、大气及空间因素密切相关。为了研究外界环境因素(海表盐度、温度、海面风场、海面气压、海表气温、大气水汽含量、降雨以及法拉第旋转角等)对盐度计观测亮温的影响,文中基于L波段盐度计辐射传输正演模型以及MPM93大气毫米波传播模型,通过敏感性分析,研究星载盐度计在不同环境条件下的参数敏感性,为减小外界因素对海表盐度反演精度的不利影响提供理论依据。     

人工神经网络在南海近海面气温反演中的应用研究

基于人工神经网络方法,利用海面水温、海面风速以及海面气压反演南海近海面气温,采用的基础数据集是国际综合海洋-大气数据集(International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set,2.4 Release,ICOADS2.4)1981—2008年的观测资料,其中1981—2000年的观测资料用来建立模型,2001—2008年的观测资料用来进行模型检验。采用的人工神经网络方法是引入动量因子并采用批处理梯度下降法的BP(Back propagation)算法。试验结果表明,基于人工神经网络建立的近海面气温反演方法明显优于多元线性回归方法,尤其是在春季和冬季,海面水温、海面风速以及海面气压与近海面气温之间存在较强的非线性关系,人工神经网络的优势更加明显。总体而言,人工神经网络在各月的反演效果较均衡,均方根误差介于1.5—1.8℃之间,平均绝对误差为1.1—1.3℃。     

一次春季黄海西部离岸气流背景下形成岸滨雾的过程分析

本文利用地面气象站观测资料、青岛近海浮标站及自动气象站资料、卫星云图等数据,结合数值试验的结果,从观测分析、天气形势与边界层结构等方面,对2008年4月6—7日一次黄海西部离岸气流背景下形成岸滨雾过程的物理机制进行了分析与讨论。分析表明:(1)此次岸滨雾是来自陆地的暖湿空气被输送到冷海面凝结产生的。海雾生成前,偏南暖湿空气输送以及降水天气的条件,使离岸气流具有暖湿气流的性质。(2)在1 000hPa局地低压系统作用下,近地面风向转为离岸的偏北风,同时混合层厚度自陆地向海面降低,混合层内部气流离岸下沉至冷海面边界层内,水汽更容易在海面聚集饱和成雾,导致雾区随着离岸气流向南方海面上发展。数值试验进一步证明了离岸暖湿气流对岸滨雾生成过程的作用。该研究可为近海海雾预报提供重要参考。     

外定标中海面参数对发射率影响研究

星载微波辐射计外定标的关键问题是通过辐射传输方程计算天线入瞳处亮温。根据辐射传输方程,海面成份对亮温的影响包括海面的微波辐射和对下行大气辐射的反射,其中的关键参数分别为海面发射率ep和海表面反射率R。文中对平静海面Fresnel反射率模式和粗糙海面反射率模式进行了研究分析,在此基础上着重研究了海面温度TS、海面盐度SS、海面风速W、以及观测角度θ等物理参数对海面发射率ep的影响,进而分析了这些物理参数的测量误差对亮温的计算精度的影响。     

无线移动Ad-hoc路由协议DSR的安全研究

研究分析无线移动Ad-hoc网络中动态源路由协议(DSR,Dynamic Source Routing)面临的多种安全威胁,在分析比较经典DSR安全协议SRP与Ariadne的优势和缺陷的基础上,重点讨论SDSR、SRDP等协议对于DSR安全的优化与改善,分析基于身份和门限的密码体系构建完善安全DSR路由协议的研究方向。     

水声通信及组网的现状和展望

水声通信是海洋中无线信息传输的主要技术手段。水声通信技术在海洋环境监测、水下航行器/载人潜水器作业等方面有着广泛应用。同时,水声信道传输状态多变、海洋作业环境恶劣,对通信算法和设备可靠性有较高要求,水声通信及组网成为目前的研究热点。文中面向海洋环境监测领域,从水声通信物理层技术、网络技术及组网应用等方面进行介绍,并对未来技术趋势进行展望。     

基于LoRa的海洋多功能信标组网及特性研究

针对目前海洋观测网络通信距离、功耗、复杂度、抗干扰能力、成本之间的矛盾,提出了一种基于LoRa(long range)的海洋多功能信标组网观测系统。通过运用新型的LoRa调制技术,采用星型链路网络对多功能信标进行组网设计,并结合北斗通信,构建了一套覆盖范围广、功耗低,组网简单,抗干扰性强的海洋监测网络系统,能够有效实现近海和远海的全范围覆盖,同时降低了组网的成本。通过对多功能信标的低功耗设计,可有效降低信标功耗,延长了工作周期。通过室内和室外的模拟实验,验证了组网通信的有效性,以及远距离传输数据特性,为信标的升级设计和海洋组网观测打下了基础。     

基于双冗余以太网通信的气象实时观测数据采集网络传输系统的设计与实现

随着以太网技术应用的日趋成熟,在海洋和大气观测领域,人们希望对传统不具备网络通讯能力的观测仪器进行智能化和网络节点化改造。设计和实现了一套气象实时观测数据采集与网络传输系统。该系统采用基于ARM的嵌入式系统集成设计方案,实现了对外部传感器实时观测数据的采集和以太网通信。作为多级网络系统中的一个网络节点,该采集传输系统采用双冗余以太网通信接口设计,使系统中的双路以太网在一路局部故障或线路受损时可以自动冗余切换。这一设计特点大幅提高了作为网络节点的数据采集传输系统在与外部其他设备通信时数据传输的可靠性。通过在以太网条件下,网络闭环控制运行试验等测试,证明所开发的气象实时观测数据采集网络传输系统运行稳定可靠,双冗余以太网接口切换正常,数据采集传输及时准确,可完全满足实际应用的需要。     

无人机组网技术在海洋观测中的应用研究

为了应对海洋多个观测平台间组网通信的迫切需求,作者从体系架构和通信链路等多个层面对无人机组网通信技术的研究进展进行总结,并关注了军用和搜救方面的特殊应用。最后结合实际项目中多机协同海洋观测的具体场景,分析了现有无人机组网通信技术的成果和不足,指出了未来的发展方向。     

基于海洋安全的大气波导观测方法研究

海上船舶一旦遇到大气波导,可使船载电子信息系统之间的短波通信距离增大数倍,同时通信距离范围内的部分区域会出现电磁盲区.本文围绕海洋安全保障需求,开展了大气波导协同观测技术研究,阐述了海上大气波导对超视距传输与探测的重要性.通过对大气波导的形成机制和影响机理进行研究,系统化概述了蒸发波导、表面波导和抬升波导的观测原理及常...     

基于能耗最优的TLP张力腿水下无线监测组网方法研究

张力腿作为张力腿平台(tension leg platform,简称TLP)的重要组成部分,服役水深大,动力学行为复杂多样。为了保障张力腿的结构安全,开展张力腿的水下全方位监测十分必要。文中以某TLP为依托,构建一套能耗最优的张力腿监测系统。首先,利用附加质量法对张力腿进行湿模态分析,结合有效独立法与模态置信度准则确定张力腿监测节点的具体布设方案;其次,以能耗最低为优化目标,基于遗传算法建立了水下无线组网监测方案,同时讨论了监测节点存在失效时监测数据传输路径改变方案;最终,得到一套能耗最优的TLP张力腿水下无线组网监测方法,以降低水下监测系统维护成本。     

低功耗无线网络通信潜标设计应用

介绍了基于802.15.4无线个人网络通信协议和嵌入式模数混合处理器AD 73460在低功耗无线通信潜标系统设计中的应用。内容包括AD 73460(AD I公司的218x系列处理器)和小硬盘在低功耗数据采集电路的设计和基于802.15.4的M AC层无线网络协议芯片(F reesca le公司的M C 13192)在组建无线通信潜标网络中的应用,组建网络的基本形式为星型网络和树型网络。     

基于海战环境的大气波导观测方法研究

海上作战一旦遇到大气波导,可使船载电子信息系统之间的短波通信距离增大数倍,同时通信距离范围内的部分区域会出现电磁盲区。该文以海上战场环境为背景,阐述了海上大气波导对未来海上作战的重要性。通过对大气波导的形成机制和影响机理进行研究,系统化概括了蒸发波导、表面波导和抬升波导的观测原理及常用观测方法。通过对比分析传统大气波导的观测方法,发现其在观测手段、观测精度、观测范围和观测成本方面存在局限性。基于此,该文提出一种多物理场协同探测的大气波导观测方法,该方法通过集合海上浮标网、船联网、星联网和岸基网等各类观测仪器和设备,可实时获取海上大气参数,构建海上大气波导预报系统。最终,通过该预报系统可实现海上大气波导大范围、高精度、实时性预报,对海上作战掌握制空权具有重要意义。     

海洋牧场生态环境在线监测物联网技术研究

海洋牧场生态环境在线监测网是海洋牧场建设的重要发展方向之一.传统海洋监测系统体积大、功耗大、价格昂贵,受牧场建设的经费限制,无法大量投放组成监测网,迫切需要一种低成本的海洋监测手段,可负担大面积、高空间密度的投放,并以分布式的物联网方式进行组网监测,解决这一难题.本文基于MEMS技术研发可大量"群蜂式"布放、高时空分辨...     

山东省海洋牧场观测网的建设与发展

在全球气候变化的背景下,现代化海洋牧场是我国应对近海生态环境恶化和渔业资源衰退、实现海洋生态文明和海洋强国战略的重要手段。而海洋牧场观测网是科学指导现代化海洋牧场建设,并进行科学管理的重要基础。为了保障现代化海洋牧场的可持续健康发展,山东省于2015年底开始在各海洋牧场建设生态环境海底观测站,并组网建成世界先进的海洋牧场观测网,目前已覆盖23处海洋牧场。设立观测网预警中心,负责海洋牧场观测网的日常运行和维护,同时开展水域多学科耦合过程的基础研究和业务化辅助决策的应用服务。海洋牧场观测网的建立和业务化运行初步实现了海洋牧场生态环境和渔业资源的"可测"、"可视"、"可控"和"可预警"。目前,我国现代化海洋牧场观测网的科学发展仍面临诸多挑战,建议进一步增强观测设备的自主研发能力和长期在线监测的稳定性,跨介质立体组网、实现海洋牧场的全方位立体监测,深化多学科耦合过程的基础研究并提供多元业务化辅助决策应用服务,为现代化海洋牧场的高质量发展保驾护航。