基于多波束背向散射数据的海底底质分类

基于精细处理后的多波束数据生成背向散射影像图,利用灰度纹理共生阵提取影像纹理特征参数,采用支持向量机的神经网络(SVM)对背向散射影像进行底质分类研究。通过实测大面积、海量数据对该方法进行评价和验证,结果表明,该方法可获得比传统分类方法更高的分类精度,这种面状的分类弥补了传统点状分类的缺陷,使得大规模、大范围、高效快速的海底底质分类成为可能,为海洋地质调查、海洋工程建设、海底矿产资源开发等提供一种新型的科学的技术方法和可靠的地质基础资料。     

基于多波束背向散射强度信号的海底表层沉积物粒度分类研究——以澳洲Joseph Bonaparte湾为例

近海海底地形探测与沉积物精确分类对涉海工程建设、生物栖息地反演以及海底资源勘查与开发具有重要的现实意义。以澳洲Joseph Bonaparte湾为例,利用多波束测深技术获取了该海湾约880 km2水域的水深数据与背向散射强度信号,结合同步采集的54个海底表层沉积物样品,通过随机决策树模型对该海域海底表层沉积物进行了分类研究。结果表明:（1）利用随机决策树模型分析该海域沉积物类型与背向散射强度的关系时,当模型内部参数设置:树的总数为200,最小分裂节点为2,每棵树的最大分裂级数为5时,可提高预测准确率;（2）该参数设置下,利用13°和37°入射角的背向散射强度预测该海域沉积物类型时,准确率最高,其值为83.3%,且在研究海域,砂质砾和砾质砂分布在背向散射强度较强的深槽或海沟等地区,而砾质泥质砂和含砾泥质砂主要分布在背向散射强度较弱的浅水海域。分析还发现,当水深数据作为预测海底表层沉积物类型的特征变量时,有可能降低最终预测结果的准确率。     

基于小波的水下图像后向散射噪声去除

介绍水下图像成像的特点,分析影响水下成像的主要因素:吸收和散射。在此基础上,采用小波的方法对水下图像进行去噪。首先对低频系数采用了LUM滤波器进行滤波,然后对高频系数采用了NeighShrink方法和对其改进后的ENS方法进行去噪。通过实验证实,该方法去除水下图像噪声具有较好的效果。     

基于α有限元法的二维水下声散射计算

众所周知,由于存在插值误差和污染误差的原因,高波数声学问题的有限元解是不可靠的。为了提高有限元法的求解精度,本文提出了一种新型的α有限元法来求解水下声散射问题。在α有限元法中,首先运用基于点的梯度光滑技术得到点光滑的梯度场,然后对点光滑有限元法进行推导。因此,α有限元模型既包含来自点光滑有限元模型的梯度成分又包含来自标准光滑有限元模型的梯度成分,充分利用了点光滑有限元模型的"过软"特性和标准有限元模型的"过刚"特性。为了处理外声场问题,本文运用了Dt N无反射边界条件。数值计算结果表明:与标准有限元法相比,α有限元法在水下声散射计算中具备更高的计算精度和计算效率。     

基于可重置联邦滤波器的水下运载体导航定位方法

单一导航系统无法满足水下运载体高精度、高可靠性的导航需求,文中根据常用水下导航系统的特点,提出基于可重置联邦滤波器的水下运载体导航定位方案,设计了以惯导系统(INS)为主参考系统,声学定位系统/深度计、多普勒计程仪(DVL)、罗经为子参考系统的联邦滤波器,并进行了仿真研究。结果表明文中设计的滤波器能有效融合各个传感器的导航信息,实现水下运载体高精度导航定位,并具有一定容错性。     

高度-斜率相关对随机界面背向散射脉冲传播时间统计特性的影响

Fuks和Godin关于随机界面背向散射脉冲传播时间统计特性理论只适应于随机界面和波阵面“up-crossing”且界面高度-斜率不相关情形。文中扩展以上分析,考虑随机界面和波阵面“up-crossing”和“down-crossing”2种不同的相交情况,给出确定最早返回的2个脉冲传播时间概率的一般公式;并研究界面高度与斜率之间存在相关性的一般情形。数值结果表明:第1个和第2个返回脉冲传播时间的概率分布跟界面高度-斜率相关系数的绝对值有关;传播时间是相关系数绝对值的增函数。     

水下激光线扫描探测系统的设计及试验

针对水下目标图像探测一直是困扰海洋界的1个难题,进行了水下探测的线扫描系统的设计和相关试验。从实验结果来看,线扫描系统可以很好地描述水下物体的三维外形细节,对于水下目标探测、识别十分有效。     

应用自适应相位补偿法减弱机载激光探测时湍流的干扰

从理论上推导了自适应相位补偿法的基本原理,详细分析了探测光波在经过湍流前后的相位畸变关系。得出了为能补偿掉湍流影响所要求辐射孔径上需要的场强。     

夏季加拿大海盆海冰边缘区声体积后向散射强度研究

声信号的体积后向散射强度是声传播过程中一个关键的参数。海冰边缘区的声体积后向散射强度研究对深入认识北极声场环境有着十分重要的意义。本文利用中国第六次北极科学考察获取的数据资料研究了海冰边缘区声体积后向散射强度特性。结果表明:加拿大海盆海冰边缘区是声体积后向散射强度的明显过渡区。无冰海面(海冰密集度小于15%)海洋深层水的声体积后向散射强度明显大于密集海冰区域的海水(海冰密集度大于50%)。讨论了声体积后向散射强度与海冰融化之间的关系,造成融冰区声体积后向散射强度增大的原因是水下悬浮泥沙、浮游生物等悬浮物质增加。根据海冰密集海域的海水后向散射强度弱的特点,对北极下放式声学多普勒测流仪(LADCP)观测的设置提出建议。     

一种基于视觉的水下机器人动力定位方法

以7 000 m载人潜水器的工程需求为背景,以水下单目摄像机为视觉传感器,进行了水下机器人动力定位方法研究。该动力定位方法利用视觉系统测量得到水下机器人与被观察目标之间的三维位姿关系,通过路径规划、位置控制和姿态控制分解,逐步使机器人由初始位姿逼近期望位姿并最终定位于期望位姿,从而实现了机器人的4自由度动力定位。通过水池实验验证了提出的动力定位方法,并且机器人能够抵抗恒定水流干扰和人工位置扰动。同时,该动力定位方法还可以实现机器人对被观察目标的自动跟踪。     

水下目标方位估计的一种新方法

矢量传感器是一种新型水声传感器。介绍了应用矢量传感器确定目标方位的理论和方法，给出了仿真和实验研究结果，讨论了矢量传感器具体体积小、输出信号多、抗各向同性干扰等特性。最后定性地分析了目标方位的方位估值误差。     

基于Sobol法的海底反向散射模型参数敏感度分析

为了对海底声学参数反演中的估计精度做出预估,合理解释反演结果,本文基于Jackson海底声散射模型,利用Sobol算法,对该模型中的耗散系数、速度比等7个参数进行定量的敏感度分析。Sobol算法可以给出参数的一阶敏感度和参数间相互作用的敏感度,适用于分析散射强度的影响因子。仿真结果表明,所选择的声波频率对于参数的敏感度影响不大,模型各参数交互作用较为强烈,速度比的全局敏感度最大,而耗散系数敏感度很小。将参数划分为地声属性参数、粗糙度参数和非均匀性参数,地声属性参数敏感度最大。模型参数敏感度分析结果对于反演有一定的指导作用。     

基于无结构网格有限体积法的风暴潮数值预报模式

基于无结构三角单元网格和有限体积法,建立了一个高精度高分辨率的风暴潮二维数值预报模式。该模式采用对岸线有较强拟合能力的无结构网格对求解区域进行离散,采用藤田公式和宫崎正卫风场模式模拟气压场和风场。由于台风暴潮在近岸地区受底部地形的影响,可能引起非线性较强的波动,从而产生陡度大的波面,因此模式中利用Roe的通量函数给出守恒方程的无粘性通量。针对复杂的海底地形,对模式专门进行了通量梯度项与源项的平衡。应用此模型模拟和预报珠江口地区的风暴潮增水,取得了较满意的结果。     

A new model for electromigration grain boundary noise based on free volume

Grain boundary plays a key role in electromigration process of polycrystal interconnection. We take a free volume to represent a 'vacancy--ion complex' as a function of grain boundary specific resistivity, and develop a new characterisation model for grain boundary noise. This model reveals the internal relation between the boundary scattering section and electromigration noise. Comparing the simulation result with our experimental result, we find the source as well as the form of noise change in the electromigration process. In order to describe the noise enhancement at grain boundary quantitatively, we propose a new parameter—grain boundary noise enhancement factor, which reflects that the grain boundary noise can characterise the electromigration damage sensitively.     

基于海图数据的水下岸坡插值精度分析对比研究

数字高程模型是研究水下岸坡冲淤变化的一种重要手段。不同的插值方法和像元大小都会对数字高程模型的精度产生影响,从而导致冲淤分析结果的变化。本研究使用了六种常用的插值方法 (ANUDEM、反距离函数法、克里金法、自然邻域法、样条函数法、不规则三角网转栅格法)对莱州湾和烟台港不同年份和尺度的水深数据进行了插值,计算了均方根预测误差、源数据残差均方根误差、残差均值、残差最大值和残差最小值等精度计算指标。结果表明ANUDEM和自然邻域法的均方根预测误差和源数据残差均方根误差均小于1 m。ANUDEM和自然邻域法对不同尺度的水下岸坡数据插值有着较好的适用性。     

基于水下滑翔机观测数据的西北太平洋混合层特征研究

基于水下滑翔机在2019年8至10月观测到的温盐资料,本研究分析了西北太平洋混合层总体的变化情况,并探讨了混合层异常变化的原因。结果表明,混合层温度总体上呈现随季节转换逐渐降低的趋势,混合层深度总体上呈现随季节转换逐渐增大的趋势。进一步的相关性分析得出,该海域混合层温度、混合层深度的变化特征主要是由外部大气强迫场(海面风场和净热通量)所决定的。水下滑翔机还观测到了混合层温度异常降低、混合层深度异常变浅的现象。通过计算混合层热收支发现,垂向夹卷作用是海洋混合层内温度降低和混合层深度变浅的主要原因。通过进一步计算研究海域冷涡的上升速度与海水垂向夹卷速度的变化情况,并结合卫星遥感资料,得出海洋的中尺度涡旋活动主导了混合层异常现象的发生。     

A two dimensional hydrodynamic and sediment transport model for dam break based on finite volume method with quadtree grid

This study aims to develop a robust, accurate and computationally efficient hydrodynamic and sediment transport model for dam break flows. The two dimensional shallow water equations are resolved based on the finite volume method with an unstructured quadtree mesh. The sediment transport and bed evolution modules are coupled with hydrodynamic module to predict simultaneously the hydrodynamics, sediment concentrations and morphological changes. The interface flux is computed by the HLL approximate Riemann solver with second order accuracy. The effects of pressure and gravity are included in source term in this model, which can simplify the computation and eliminate numerical imbalance between source and flux terms. For dam break flows occurring in complicated geometries, the quadtree rectangular mesh is used to refine the interesting area and important part. The model is first verified against results from laboratory experiments, existing numerical models and real life case. It is then used to simulate dam break flows over a mobile bed to investigate the bed evolution. The results are compared with experimental data and field data with good agreement. The method is simple, efficient, and conservative. It shows promise for handling hydrodynamic simulation and sediment transport for a wide range of dam break flows.     

High-fidelity simulation of regular waves based on multi-moment finite volume formulation and THINC method

The performance of interFoam (a widely used solver within OpenFOAM package) in simulating the propagation of water waves has been reported to be sensitive to the temporal and spatial resolution. To facilitate more accurate simulations, a numerical wave tank is built based on a Navier–Stokes model, which employs the VPM (volume-average/point-value multi-moment) scheme as the fluid solver and the THINC/QQ method (THINC method with quadratic surface representation and Gaussian quadrature) for the free-surface capturing. Simulations of regular waves in an intermediate water depth are conducted and the results are assessed via comparing with the analytical solutions. The performance of the present model and interFoam solver in simulating the wave propagation is systematically compared in this work. The results clearly demonstrate that compared with interFoam solver, the present model significantly improves the dissipation properties of the propagating wave, where the waveforms as well as the velocity distribution can be substantially maintained while the waves propagating over long distances even with large time steps and coarse grids. It is also shown that the present model requires much less computation time to reach a given error level in comparison with interFoam solver.