一种分层海底反向散射模型

In order to predict the bottom backscattering strength more accurately, the stratified structure of the seafloor is considered. The seafloor is viewed as an elastic half-space basement covered by a fluid sediment layer with finite thickness. On the basis of calculating acoustic field in the water, the sediment layer, and the basement, four kinds of scattering mechanisms are taken into account, including roughness scattering from the water-sediment interface, volume scattering from the sediment layer, roughness scattering from the sediment-basement interface,and volume scattering from the basement. Then a backscattering model for a stratified seafloor applying to low frequency(0.1–10 kHz) is established. The simulation results show that the roughness scattering from the sediment-basement interface and the volume scattering from the basement are more prominent at relative low frequency(below 1.0 kHz). While with the increase of the frequency, the contribution of them to total bottom scattering gradually becomes weak. And the results ultimately approach to the predictions of the high-frequency(10–100 kHz) bottom scattering model. When the sound speed and attenuation of the shear wave in the basement gradually decrease, the prediction of the model tends to that of the full fluid model, which validates the backscattering model for the stratified seafloor in another aspect.     

复合雷达后向散射模型与合成孔径雷达、散射计和高度计海面雷达后向散射观测的比较分析

海洋微波散射模型相比于以经验统计建立的地球物理模式函数具有不受特定微波频率限制的优势。组合布拉格散射模型和几何光学模型形成了复合雷达后向散射模型。利用南海北部气象浮标2014年海面风速风向实测值作为散射模型输入,分别比较了复合雷达后向散射模型与RADARSAT-2卫星C波段SAR、HY-2A卫星Ku波段微波散射计的海面后向散射系数,偏差分别为(?0.22±1.88) dB (SAR)、(0.33±2.71) dB (散射计VV极化）和(?1.35±2.88) dB (散射计HH极化);以美国浮标数据中心(NDBC)浮标2011年10月1日至2014年9月30日共3年的海面风速、风向实测值作为散射模型输入,分别比较了复合雷达后向散射模型与Jason-2、HY-2A卫星Ku波段高度计海面后向散射系数,偏差分别为(1.01±1.15) dB和(1.12±1.29) dB。中等入射角和垂直入射下的卫星传感器后向散射系数观测值与复合雷达后向散射模型模拟值比较,具有不同的偏差,但具有相同的海面风速检验精度,均方根误差小于1.71 m/s。结果表明,复合雷达后向散射模型可模拟计算星载SAR、散射计和高度计观测条件下的海面雷达后向散射系数,且与CMOD5、NSCAT-2、高度计业务化海面风速反演的地球物理模式函数的计算结果具有一致性;复合雷达后向散射模型可用于微波遥感器的定标与检验、海面雷达后向散射的模拟。     

海底散射模型对浅海混响的影响研究

对于混响预报,散射强度是一个相当重要的物理量。在波束位移射线简正波理论的基础上推导了浅海混响模型,仿真比较了负跃层浅海情况四种海底散射模型对应的混响衰减曲线,结果表明海底散射模型对浅海混响的影响较为显著。     

基于声相关计程仪(ACL)的海底散射模型研究

为了进行声相关计程仪(ACL)仿真研究,结合K irchhoff近似和R ay le igh-R ice近似散射模型,根据ACL垂直发射波束的特点,在掠射角90°附近,利用已发表的海底散射实验数据与APL-UW散射模型及L am bert公式的理论计算结果相比较,基于K irchhoff近似的散射模型与实验数据具有很好的一致性,仿真结果证明,由于不同类型海底沉积物引起的体积散射在上述情况下是可以被忽略的,这将大大简化进行声相关测速仿真研究的海底建模过程。     

关于反向散射函数的讨论

本文讨论了当γ~2σ~2<1时的反向散射函数,给出修正后的表达式。以SEA BEAM多束声呐为例,说明当垂直入射时,修正项不可忽略。     

南黄海砂质海底反向声散射测量（6-24 kHz）

在南黄海某一典型的砂质海底区域,采用全向性声源和全向性接收水听器开展了频率范围为6-24 kHz的海底反向声散射测量。测量结果表明,在避免海面散射干扰并满足远场条件的情况下,本次实验获得了掠射角范围为18~80°的海底反向声散射强度,其数值为-41.1~24.4 dB。在有效掠射角范围内,声散射强度总体上随掠射角的增大呈现出增大趋势,但对于不同的频率,其变化趋势有所不同,反映出不同的散射机理。在20°、40°和60°掠射角处,在6-24 kHz的频率范围内反向声散射强度总体上呈现出正相关的频率依赖性,其线性相关斜率分别为0.2229 dB/kHz、0.5130 dB/kHz、0.1746 dB/kHz。在最大掠射角80°处,反向声散射强度未呈现出明显的频率相关性。     

渤、黄海生态环境模拟的参数敏感度空间差异分析

随着海洋生态系统模型的发展,生态变量增多,众多生物过程参数量值的确定成为制约生态环境模拟的瓶颈问题,生态系统结构区域性要求模型中的生态参数具有区域差异。为探究不同海区的关键参数及参数敏感度的空间差异,本研究在渤、黄海建立了ROMS-CoSiNE物理–生物耦合的高分辨率生态系统模型,并对13种生态参数的敏感度空间分布进行分析。结果表明:南黄海中部与渤海及近岸海域的敏感度差异较大。渤海敏感度最大的参数为决定光合速率的浮游植物P-I曲线初始斜率,其次为浮游动物捕食半饱和常数和浮游动物最大捕食率。而南黄海中部敏感度最大的参数为浮游动物最大捕食率,其次为浮游植物死亡率和浮游植物P-I曲线初始斜率。结合敏感度分布及浮游植物生物量收支得出,渤海水体透明度较南黄海偏低、浮游植物生长光限制较强,是引起浮游植物P-I曲线初始斜率敏感度在渤海高于黄海的主要原因。浮游动物最大捕食率及浮游植物死亡率的敏感度空间差异,受渤、黄海浮游植物生物量差异的影响,与生态系统中的高度非线性特征有关。     

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Pauli分解散射参数特性的潮沟信息提取

以长江口九段沙为研究对象,利用2015-04-05全极化Radarsat-2影像数据,首先进行了多视处理和精极化Lee滤波;然后通过Pauli极化分解提取出九段沙水体、潮沟、低矮植被和芦苇的奇次散射系数、45°二面角散射系数和二面角散射系数,并且对4种地物类型(潮沟、水体、低矮植被和芦苇)的3种参数的散射强度分别进行了统计分析;最后选择二面角散射系数作为潮沟信息提取的判别标准,采用区域生长法提取了潮沟信息,并利用数学形态学对区域生长法中的断裂潮沟进行了连接和非潮沟信息的消除。研究结果表明,潮沟和水体的奇次散射强度值分别为0.040和0.038,二者的45°二面角散射系数值为0.001和0.002;潮沟的二面角散射强度值为0.007,低矮植被和芦苇的二面角散射强度值分别为0.783和0.104。     

不同风区海面雷达后向散射的极化特征对比分析

通过对海南省南保港附近海面ＳＩＲ－Ｃ／Ｘ－ＳＡＲ全极化数据的定量研究,对比研究了该海面不同风区海面的全极化信息特征,定量分析了海面散射的极化信息和极化状态的空间结构情况：用散射矩阵的迹解释了不同海区的散射强度对应关系：对比海面散射极化响应可以确定不同成长类型的粗糙海面类型;用极化响应图的对称特点界定“长尺度”和“短尺度”海面;建立全极化海面散射模型。讨论了海面电磁散射的贡献与雷达系统参数之间的定量     

基于极限分析上限方法的海底斜坡稳定性评价

极限平衡法仍是当前海底斜坡稳定性的主要工程评价方法,但该法只能给出稳定性分析的近似解答。基于极限分析运动学定理,假定海底斜坡发生对数螺线型滑移破坏模式,将滑体有效自重和简化波浪力等以外荷载形式叠加引入到虚功率方程中,与潜在滑动面上由黏聚力产生的内能耗散率相平衡,建立考虑一阶简化波浪效应的海底斜坡上限解法;利用多变量无导数求极值的逐级迭代方法与最优化技术,结合抗剪强度折减思想,求解波浪加载下不同时刻的海底斜坡稳定性与相应的临界破坏机构,并针对典型算例开展有限元数值解的验证。进而联合采用数值法与上限解,探讨波高、波长、水深等波浪参数对海底斜坡稳定性与滑动机制的影响。结果表明,本文提出的上限解与数值解吻合较好,获得的安全系数与破坏模式等符合一般规律,为波浪作用下海底斜坡的稳定性评价提供了新的途径。     

基于一维综合孔径微波辐射计的大气海洋环境参数敏感性分析

相比于实孔径微波辐射计,一维综合孔径微波辐射计具有高空间分辨率和多入射角观测特点.本文提出采用观测频率为6.9,10.65,18.7,23.8和36.5 GHz,且入射角范围为0°～65°的一维综合孔径微波辐射计遥感大气海洋环境要素.基于构建的微波大气海洋辐射传输正演模型,分析了辐射计亮温对大气海洋环境要素的敏感性,为...     

基于同轴差距测量法的南海深水海底沉积物声衰减特性研究

通过分析沉积物声波测量过程能量损失的实质,阐述平行轴差距衰减测量法和垂直轴差距衰减测量法的研究基础——差动式衰减测量方法原理,并推导了其衰减系数公式。根据南海沉积物的柱状样品分装的特点,结合以上两种方法,提出了同轴差距衰减测量法,这种方法具有原理上的合理性并且其可操作性强;运用此方法测量了沉积物在常温和温度控制变化条件下的声波信号,计算了衰减系数,研究了温度对沉积物声波传播能量的影响,得出南海深水海底沉积物具有以下声衰减特性：沉积物含砂量高,声衰减系数大;随着温度的升高,沉积物的声衰减系数变化具有不均匀性,整体呈非线性减小趋势。以上研究将为声学遥测和反演海底沉积物的物理力学特性提供数据和方法支持。     

基于等相位体概念的水下激光背向散射强度的估算方法

详细讨论了海水作为激光传输信道的基本特点,在此基础上提出了等相位体的概念,分析了等相位体的形状,并且研究了等相位体背向散射强度的估算方法,为利用伪随机序列进行水下测量或通讯获得的资料估算散射强度提供一种方法.     

温度对海底沉积物声学特性影响实验研究

温度的变化是影响海底沉积物声学特性非常重要的因素之一。文章采用同轴差距衰减测量法,在不同温度下对海底沉积物声学特性进行测量,实验得出南海海底沉积物随着温度的升高具有以下声学特性:1)沉积物声速变化比较缓慢,上下波动点较明显,但总体趋势接近线性下降;2)衰减幅值随着温度升高一直下降,偶尔有些波动的异常点,声衰减幅值呈现线性下降的趋势;3)声衰减系数变化呈现抛物线趋势,具有强非线性。对于此类沉积物声速特殊情况,还有待从理论和实验方面更深入地研究解释其成因。     

Sensitivity analysis of submersibles’ manoeuvrability and its application to the design of actuator inputs

The influences of hydrodynamic coefficients on the prediction of manoeuvrability were examined by sensitivity analysis (SA) of direct method. The equations of motion used were the standard equations of motion for submarine [Gertler, M., Hagen, G.R., 1967. Standard equations of motion for submarine simulation. DTNSRDC Report], and three submersibles with different appendages were considered. Numerical simulations of three types of sea trials are performed to obtain the sensitivities of motions to hydrodynamic coefficients. Since the accuracy of hydrodynamic coefficients’ estimates is increased by the use of sensitivity-maximizing inputs, the sensitivity-optimal actuator commands that are sequences of bang-bang type inputs were deduced with genetic algorithm (GA) optimization technique.     

基于主元分析技术的海底沉积物声速预报方程

通过应用主元分析技术建立预报海底沉积物声速的经验方程,将前人研究报道的经验方程进行分析研究,指出其计算误差,运用南海南部大陆架和大陆坡数据,建立了主元回归计算模型。从理论上研究了如何在众多影响声速的物理参数中,排除相互关联的参数,优选出相互独立的、且对声速有显著影响的少数几个物理参数,用优选后的物理参数建立了南海南部海域大陆架及大陆坡沉积物的3参数（孔隙度n、颗粒中值粒径Ma、塑限W,）声速预报方程：Cp=1774-5．0944n＋12．499Md＋0．9985Wp,该方程的相对预报误差仅为-4．48％-3．77％。     

Sensitivity analysis of nitrogen and carbon cycling in marine sediments

Biogeochemical cycles in coastal sediments encompass numerous interconnected processes and are sensitive to a high number of external forces. Usually a small subset of these factors is considered when developing state-of-the-art models of marine nutrient cycling. This study therefore aims to assess the degree of complexity required in the model to represent the dependency of major biogeochemical fluxes on both intrinsic as well as external factors. For this, a sensitivity analysis (SA) of the generic Integrated Sediment Model (ISM) was performed comparing two different model setups: 1) a back barrier tidal flat in the German Wadden Sea and; 2) a deep sea site in the Argentine Basin. Both setups were first calibrated to fit pore water profiles of SO₄²⁺, NH₄⁺ and CH₄. We then employed a new type of SA that evaluates parameter impact rather than targeting variable change.General structural stability of the model is demonstrated by similar sensitivity patterns of both setups regarding carbon and nitrogen cycling. Mean temperature, organic carbon bio-availability, bacterial adaptation and sediment texture emerge as the most influential parameters of ubiquitous importance. It appears that in coastal settings, transport and sediment mixing and the composition of suspended particles in the bottom water are especially important. The nitrogen cycle displays a high responsiveness to internal feedback mechanisms as well as interdependencies to carbon and metal cycling, which is statistically reflected by sensitivities to 79% of all parameters. In contrast, the carbon cycle appears to be mainly controlled by organic matter decay. The SA also pointed to unexpected responses of the sediment system, which are analyzed by further scenario calculations. These, for example, reveal a nonlinear response of nitrification, denitrification and benthic fluxes of NH₄ and NO₃ to changing bioturbation and bioirrigation due to the interactions of different metabolic pathways.     

海底沉积物声衰减同轴差距衰减测量法与其他测量方法的对比研究

以精度较高的现场测量Hamilton的原位测量所得数据为标准,对比研究了钱正明的直立同轴衰减测量法、刘强的垂直轴差距衰减测量法和我们课题组的同轴差距衰减测量法等3种研究海底沉积物声衰减的实验室测量方法。通过3种实验测量方法所得数据跟Hamilton原位测量所得数据进行对比,分析了以上实验室方法的优缺点,并分析了声衰减与样品长度和测量频率的关系。同轴差距衰减测量法与直立同轴衰减测量法相比,前者在消除测量仪器和耦合衰减误差方面,以及在实验样品长度方面更合理。同轴差距衰减测量法与垂直轴差距测量法相比,同轴差距衰减测量法在原理上保证了声波传播能量接收的同轴性和同指向性,其实验数据比利用相同实验仪器的垂直轴差距测量法的数据更准确。     

基于LZW的海底声学探测数据压缩方法研究

针对海底声学探测仪器采集数据量大而存储容量有限、数据传输带宽不足的实际问题,基于Lempel-Ziv-Welch(LZW)无损压缩算法,研究海底声学探测数据的实时压缩方法,提高数据压缩效果、节省传输带宽。并在LZW无损压缩算法的基础上结合数据存储的特点对压缩结果进行内存重新分配,极大提高压缩比(压缩数据大小/原始数据大小)。利用海底地震仪(OBS)采集的原始声学探测数据进行测试验证,结果表明该方法对于OBS声学探测数据有很好的压缩比,可用于对OBS采集的声学探测数据进行压缩处理,对于海底探测仪器的研发有很好的指导意义。