Analysis of seafloor backscatter strength dependence on the survey azimuth using multibeam echosounder data

The sediment backscatter strength measured by multibeam echosounders is a key feature for seafloor mapping either qualitative (image mosaics) or quantitative (extraction of classifying features). An important phenomenon, often underestimated, is the dependence of the backscatter level on the azimuth angle imposed by the survey line directions: strong level differences at varying azimuth can be observed in case of organized roughness of the seabed, usually caused by tide currents over sandy sediments. This paper presents a number of experimental results obtained from shallow-water cruises using a 300-kHz multibeam echosounder and specially dedicated to the study of this azimuthal effect, with a specific configuration of the survey strategy involving a systematic coverage of reference areas following “compass rose” patterns. The results show for some areas a very strong dependence of the backscatter level, up to about 10-dB differences at intermediate oblique angles, although the presence of these ripples cannot be observed directly—neither from the bathymetry data nor from the sonar image, due to the insufficient resolution capability of the sonar. An elementary modeling of backscattering from rippled interfaces explains and comforts these observations. The consequences of this backscatter dependence upon survey azimuth on the current strategies of backscatter data acquisition and exploitation are discussed.     

Statistically average atmospheric bending angle model based on COSMIC experimental data

The retrieval of profiles of meteorological variables from radio occultation observations requires knowledge of bending angle profiles up to heights of no less than 60–70 km. Because of the residual error of the ionospheric correction, retrieved profiles become too noisy by a height of about 40 km. In order to invert the bending angle profiles, the statistical optimization is used. This makes it possible to construct an optimal linear combination of the a priori estimate of the average bending angle profile and a posteriori noisy estimate based on observations. The estimate of the average bending angle profile for the given coordinates and the time of year is usually based on the climatological atmospheric model. MSIS and CIRA models that have been used for this purpose are now obsolete and do not describe the global changes in the atmospheric state. The model of average bending angles BA–IAP (Bending Angle–Institute of Atmospheric Physics) is built based on the processing of the array of COSMIC radio occultation observations during 2006–2013. The proposed model is statistically validated based on the COSMIC database. It is shown that our model describes the average bending angle profiles more accurately than the MSIS model.     

基于CUBE算法的多波束测深数据自动处理研究

对CUBE算法自动处理多波束测深数据的模型建立、格网节点的多重估计和最优估值选取准则进行了详细介绍,深入分析了多重估计的实用性,并通过实测数据对该算法进行实现.利用了抗差Kalman滤波改进CUBE算法.通过模拟数据对改进的CUBE算法进行实验,验证了算法改进的必要性.     

面向地形匹配的多波束测深数据抽稀方法研究

基于多波束测深的地形定位是水下潜器导航技术研究和发展的重点,多波束测深数据的高精度快速重采样是水下地形匹配定位的前提。传统的实时抽稀方法因对多波束测深数据模型的过分简化而效果欠佳。参考Douglas-Peucker算法和点云数据抽稀方法,采用角度-弦高联合准则对多波束每ping数据进行抽稀处理,参考导航地形图对抽稀后的多ping数据基于点云离散度进行二次抽稀处理,从而实现多波束测深数据的高精度快速抽稀处理。典型的数学仿真地形和实测多波束条带数据实验表明:文中提出的抽稀方法数据抽稀率仿真地形在85%以上,实测地形在90%以上,数据抽稀前后点云构成的曲面DEM误差在3%以内,并且算法实时性较好。     

基于严密波束归位模型的多波束测深点不确定度改进方法

利用不确定度可有效对多波束测深成果质量进行评估,针对现有不确定度计算模型因近似或简化导致一定误差的问题,本文提出一种基于严密波束归位模型的多波束测深点不确定度改进方法。首先分析了多波束测深过程中的各项误差源,基于误差传播定律与严密波束归位模型,详细推导了各误差源在波束归位各阶段的误差传播情况,最终得出了多波束测深成果不确定度的计算模型。文中利用实测数据计算了每个测深点的不确定度,绘制了单Ping扇面及条带的不确定度分布图,有利于直观、全面地了解所有测深点的误差变化趋势;计算结果与常用HGM不确定度模型进行了对比,表明本文方法更具合理性,对多波束测深成果的质量评估具有一定的参考价值。     

基于中值滤波加权修正的多波束声呐测深数据趋势面滤波方法

针对传统趋势面滤波方法中多项式拟合曲面系数向量的求取和作为阈值的均方根误差的求取都受到异常数据的影响,使该方法在异常测深数据较多的情况下滤波效果不佳的问题,提出了一种中值滤波加权修正的改进方法。在构造趋势面之前,对水深数据进行加权修正,以前后两次修正后数据的拟合优度的变化量作为是否进行下一步水深修正的依据,利用最终修正后的水深数据求取多项式拟合曲面系数向量和均方根误差,大幅降低了异常数据的影响,具有很强的抗差性。经仿真模拟数据和多波束实测数据滤波试验,该方法在异常数据较多的情况下依然良好,能够保持良好的滤波效果,明显优于传统趋势面滤波;同时,该方法能够保持较高的运算效率,适用于海量多波束测深数据的自动滤波。     

基于ARIMA模型的台风频次预测

基于日本东京台风中心的逐月台风生成频次资料,为最近30 a的台风逐月生成频次时间序列建立了合适的ARIMA乘积季节模型,并用该模型对2010—2014年的台风逐月生成频次进行了预测。结果表明:时间序列中的ARIMA乘积季节模型在预测台风频次方面具有一定的预测技巧,除2013年外,其余4 a模型提前1 a预测的全年台风生成总数的异常情况均与观测一致。     

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。     

基于拓扑优化与多目标优化的集装箱相似畸变模型设计

使用相似原理构建缩尺模型是探究大型结构性能的最基本和最优途径。基于PATRAN软件的PCL语言与ISIGHT软件,提出一种联合静动力学、拓扑优化与多目标优化的集装箱相似畸变模型构建方法。利用拓扑优化的SIMP法(Solid Isotropic Material with Penalization)得到缩尺集装箱墙壁结构的最优材料分布,既保证了结构性能又降低了缩尺模型的重量;基于全局多目标算法建立优化模型,采用有限元方法对集装箱性能进行分析,以结构刚度和一阶模态频率为目标函数进行寻优,得到相似模型的最优设计参数。最终利用有限元分析验证该模型的合理性。结果表明:该方法具有一定的通用性,能为其它类似结构的相似模型构建提供参考。     

基于A星算法的无人机路径规划优化模型研究

在分析传统无人机路径规划方法应用局限的基础上,针对传统A星算法启发函数单一、拐点冗余,以及效率不够高等系列问题,以虚拟城市地理环境为研究背景,通过提出面向起讫节点方位角的A星算法加速优化、启发式搜索中动态加权重构评价函数的A星算法加速优化和顾及Floyd算法插点策略的A星算法路径优化等层次递进的算法优化策略,解决了对A星算法搜索方向的量化约束、搜索权重数值的优化重构及冗余拐点的插点删除等技术问题,实现了改进后的A星算法运行效率的显著提高及最短路径判定准确性的明显提升。     

Noise reduction of acoustic Doppler velocimeter data based on Kalman filtering and autoregressive moving average models

Oceanic turbulence measurements made by an acoustic Doppler velocimeter(ADV) suffer from noise that potentially affects the estimates of turbulence statistics. This study examines the abilities of Kalman filtering and autoregressive moving average models to eliminate noise in ADV velocity datasets of laboratory experiments and offshore observations. Results show that the two methods have similar performance in ADV de-noising, and both effectively reduce noise in ADV velocities, even in cases of ...     

数据融合下的短期潮位预报测试及分析

针对短期验潮数据分析难度大、预报精度低的问题,设计了一种基于数据融合技术的短期潮位预报方法,利用扩展卡尔曼滤波(EKF),将通用的潮汐模型计算水位融合到调和预报模型之中,生成精度更高的融合预报值.数据测试表明,对于3天的验潮数据,EKF方法至少对向后5天的预报有效,融合值较两种源数据的平均优化度分别为33％和60％;对...     

基于浅地层剖面数据和改进地声模型的底质反演方法

浅地层剖面仪发射的声脉冲能够穿透海底面进入沉积层内部,其回波中携带了丰富的底质信息。地声模型是底质声学与物理性质关系的数学描述,广泛用于海底声学与地声反演研究。本文通过对浅地层剖面数据的处理、解译得到海底反射系数,与考虑底质松密影响的改进Biot-Stoll模型相结合,提出底质反演新方法并开展实例验证。研究结果表明：通过对浅地层剖面原始记录的读取、解译,提取反射波振幅,并结合设备声源级,可有效求取海底反射系数。通过引入相对密度改进孔隙度计算公式,进而在基于Biot-Stoll模型构建海底反射系数和底质平均粒径关系过程中进一步考虑了底质松密的影响。基于山东威海某海域及文献的算例均显示,本文提出的改进地声模型可缩小底质反演与实测结果之间的相对误差、提升基于浅地层剖面数据的海底底质地声反演精度。     

基于正交试验的水平井射孔参数优化设计

目前水平井射孔完井已在国内外各油田取得了广泛的应用,射孔参数的优化是水平井经济、高效生产运行的关键。在建立了基于正交试验的水平井射孔参数优化设计模型的基础上,研究并筛选了影响水平井射孔完井产能的9个主要因素,分析了各因素对水平井产能影响的权重,优化了射孔完井参数方案,为水平井射孔参数优化提供了新的方法和技术支持。     

Research on the generation method of seawater sound velocity model based on Perlin noise

In the processing of conventional marine seismic data, seawater is often assumed to have a constant velocity model. However, due to static pressure, temperature difference and other factors, random disturbances may often frequently in seawater bodies. The impact of such disturbances on data processing results is a topic of theoretical research. Since seawater sound velocity is a difficult physical quantity to measure, there is a need for a method that can generate models conforming to seawater c...     

基于拟层流风波生成机制的海浪谱模型

海浪谱的能量可以视为由具有不同相速度的谐波携带的能量所组成。基于对风波形成、发展过程的认识,认为各组成谐波的能量由谐波自平均风摄取而来,由此根据拟层流模型推导出谐波能量密度的计算公式,建立以等效风速和峰值频率等为基本参数的海浪谱模型——随机Fourier函数模型,并给出了确定谐波频率、波长、相速度、振幅以及等效风速等模型参数的原则和计算方法。在59个实测样本谱基础上,采用随机建模方法确定模型参数的取值及其概率分布。结果表明,海浪谱模型可以很好地预测谱能,所计算的物理谱与实测谱均值吻合良好。     

基于尾流模型的风场偏航控制优化研究

在风机大尺度化与风场大型化的趋势下,如何通过合适的控制策略以降低尾流损失成为关键问题。以包括30台NREL-5MW风机并采用5行6列平行四边形布置方式的小型风场为研究对象,基于显示尾流模型,以各风机偏航角度为优化参数,风场总功率为目标函数,使用粒子群优化算法对比分析了偏航控制对不同风速、风向、湍流强度下的风场性能提升效果。结果表明,偏航控制优化可在风向与风机行或列方向平行时发挥明显效果,当风机行列间距为4倍风轮直径且湍流强度为5%时,在不同风速下偏航控制可分别将风场总体发电量提升15%~20%,但对于布置间距大于7倍风轮直径或湍流强度高于15%时的风场,其作用十分有限,总体发电量提升在5%以内。     

基于VOF模型的浮式消波海流机性能优化

针对浮式消波海流机样机测试时出现的问题,对其吃水深度线和叶片安装角度进行优化。根据装置结构特点,用Gambit建立了装置横截面的二维网格模型。根据浮式消波海流机实际工作环境,利用Fluent流体仿真软件,使用VOF(volume of fluid)两相流模型,分配空气相与液态水相在流域中的不同比例,来确定不同的吃水深度线。并且结合k-epsilon紊流模型建立模拟仿真环境。先对3种水线进行仿真分析,然后进行实验验证。通过分析对比装置的3种不同吃水深度线的模拟与实验结果,得到装置的最优吃水深度线为1/3水线。基于最优吃水深度线,分别对叶片的4种安装角度在相同的仿真环境中进行模拟仿真。利用仿真得到的扭矩数据,计算扭矩系数、功率系数,分析对比仿真数据以及仿真过程中扭矩趋势图得出4种叶片安装角度的最优角度是90°。吃水深度线决定了装置的消波能力,并且为叶片获能提供条件,叶片安装角度直接影响着装置的获能效率,所以最优的吃水深度线和叶片安装角度对海流机的消波能力和获能效率具有重要意义。