A Novel Method for Real-Time Monitoring of Channel Siltation Based on Bistatic Scattering Theory

Monitoring the thickness changes of channel siltation is paramount in safeguarding navigation and guiding dredging.This paper presents a novel method for realizing the field monitoring of channel siltation in real time.The method is based on the bistatic scattering theory and concerned more with the receiving and processing of multipath signal at high-frequency and small grazing angle.By use of the multipath propagation structure of underwater acoustic channel,the method obtains the silt thickness by calculating the relative time delay of acoustic signals between the direct and the shortest bottom reflected paths.Bistatic transducer pairs are employed to transmit and receive the acoustic signals,and the GPS time synchronization technology is introduced to synchronize the transmitter and receiver.The WRELAX (Weighted Fourier transform and RELAX) algorithm is used to obtain the high resolution estimation of multipath time delay.To examine the feasibility of the presented method and the accuracy and precision of the developed system,a series of sea trials are conducted in the southwest coast area of Dalian City,north of the Yellow Sea.The experimental results are compared with that using high-resolution dual echo sounder HydroBoxTM,and the uncertainty is smaller than ±0.06 m.Compared with the existing means for measuring the silt thickness,the present method is innovative,and the system is stable,efficient and provides a better real-time performance.It especially suits monitoring the narrow channel with rapid changes of siltation.     

海洋内波ADCP监测技术研究

海洋内波与声场的相互关系是一个十分重要的研究课题.内波是影响声信道特征的重要因素;反之,受内波影响的声场也包含着海洋内波动力过程的信息.针对二者之间的关系,从工程的角度上介绍了利用声学多普勒海流剖面仪(ADCP)对海洋内波进行监测的原理和方法,并结合实际的海试情况给出声学多普勒海流剖面仪对海洋内波的监测结果,验证了方法的有效性.     

应用走航式ADCP测量分析与验证金塘水道的高悬沙浓度

在金塘水道西口门2006年冬季和2007年夏季大、小潮期间应用美国RDI公司生产的300 kHz声学多普勒流速剖面仪(ADCP)进行25 h的走航式断面观测,同步采集水样过滤获得悬沙浓度.实测断面流速、流向表明:落潮时流向为东南向,涨潮时分两股,靠近北仑为西南向,靠近金塘岛为西北向;夏季大潮最大流速为260 cm/s,大于冬季大潮;观测期间断面悬沙浓度为0.4～1.5 g/L,冬季大于夏季约0.3～0.5 g/L;ADCP后向散射强度冬季大于夏季约5 dB.应用实测CTD数据进行声吸收系数校正,通过计算,断面后向散射强度分布趋势基本不变.后向散射强度与悬沙浓度成正比,与水深成正比,垂向分布与潮时有关,冬季小潮水深增大时,后向散射强度反而减小.回归ADCP后向散射强度与水样悬沙浓度之间半经验半理论统计关系,发现冬季不成线性关系,夏季成线性关系,且相关性较好,相关系数为0.7,说明夏季较高浓度下后向散射强度可以表示悬沙浓度的大小.夏季大、小潮期间高分辨率的悬沙浓度断面数据分析表明,反演后的悬沙浓度值与流速成正比;近岸悬沙浓度大于断面中部;涨急和落急时同一水深高低含沙量值错落分布,涨憩和落憩则分层明显;大潮悬沙浓度大于小潮流约0.05 g/L.断面两端点反演后的悬沙浓度与实测值比较,呈现半日潮含沙量双峰特征,夏季大潮反演后的悬沙浓度与实测值分布一致,实测值大于0.9 g/L时,两者量值相差大,小潮则拟合很好.因此,应用走航式ADCP测量高悬沙浓度是可行的,它可大大提高测量效率,为获取现场悬沙浓度提供了一种新方法.     

水体多次散射作用对分析模型f值贡献率的影响因素分析

基于HYDROLIGHT光学模拟软件模拟水表面以下辐照度比R(0~-)和参数f值,着重分析多次散射作用对f值的贡献率以及太阳天顶角、风速和b_b/(a+b_b)对贡献率的影响,结果表明:多次散射作用对参数f的贡献率受到太阳天顶角、风速和b_b/(a+b_b)的共同影响,使得多次散射作用具有一定的时空差异;贡献率P_(ms)在太阳天顶角从0(°)～85(°)的范围内,随太阳天顶角的增加呈现波动状态,但这种波动随b_b/(a+b_b)值的增加而减弱,P_(ms)在0m/s到4m/s的范围内存在较大的波动,而当风速增加到4m/s时,几乎不随风速的变化而变化;多次散射作用对参数f的贡献率最大值可以达到24.41%,因此在内陆湖泊高散射特性水体中必须考虑多次散射作用对R(0~-)的影响.     

太湖水下平均余弦计算模型研究

基于太湖实测散射系数数据估算水下平均散射次数,结合Hydrolight软件模拟水下平均余弦,对二者的相关关系进行分析;根据单个样点、各个水层求算的水下平均余弦经验模型,确定水下平均余弦估算的最佳模式为二次方程,利用二次方程的二次项、一次项和常数项系数与平均散射次数的高度相关性,建立了利用平均散射次数估算二次方程系数的模型,从而建立了利用平均散射次数计算水下平均余弦的经验模型.模型检验表明:0.6m深度平均误差不高于1.712%,0.9m深度平均误差不高于1.982%,1.2m深度平均误差不高于2.05%,1.5m深度平均误差不高于4.22%,4个深度总的平均误差不高于2.491%.     

多次散射对向上漫射散射系数及漫射吸收系数影响的数值研究

在假定水体表面为镜面、水体中无内光源及非弹性散射的情况下、利用多次散射理论, 研究了在固定体散射函数的情况下, 不同的入射天顶角、单次散射反照率和散射系数对向上漫射散射系数, 上、下行漫射吸收系数的影响。结果表明: 在紧贴水表的下层, 向上漫射散射系数随入射辐射天顶角的增大而增大, 但不随单次散射反照率和散射系数的改变而改变; 当入射辐射为垂直入射时, 向上漫射散射系数的深度廓线随深度呈现单调增的趋势, 并逐步接近一个恒定状态; 随着入射天顶角的增大, 该单调现象发生了变化, 出现先增大后减小, 再逼进恒定状态, 且这个恒定值随单次反照率增大而增大。下行漫射吸收系数随着入射天顶角的增大, 其廓线由单调增加过渡到先增大后减小; 在散射系数和单次散射反照率相同的条件下, 不同入射天顶角的下行漫射吸收系数逐渐收敛于同一稳定的状态。且单次散射率越小, 这种收敛的速度越快, 达到恒定状态的深度也越浅。上行漫射吸收系数的主要特征基本与下行漫射吸收系数类似, 而且两个恒定值均大于属于固有光学参数的吸收系数, 其中向上漫射吸收系数最大。     

基于GNSS-R的海面风场监测系统研究

为全面获取海面粗糙度信息,实现导航卫星反射信号高精度风场反演,在给出海浪谱及散射信号相关功率模型基础上,通过对海面时延一维、时延/多普勒二雏信息采样方式进行分析和仿真,验证了散射信号相关功率Z-V模型.仿真结果表明,时延/多普勒二雏采样方式能全面反映海面粗糙度信息.以此为理论依据设计完成了基于二维信息获取的多普勒延迟映射接收机,阐述了接收机的硬件组成及工作原理,分析了多普勒串行码片并行的数据处理模式,为导航卫星反射信号的海面散射功率获取提供了可靠方式.     

海水中矿物质颗粒吸收和散射特性Mie理论分析

利用Mie理论模型对不同粒径分布和复折射率的矿物质颗粒吸收和散射特性进行了模拟计算.颗粒的衰减和散射效率随着参数ρ的增大呈现出振幅依次减小的一系列有规则的振荡变化,而吸收效率则随着ρ的增加而增大;随着颗粒吸收性的增强,散射效率和吸收效率随着ρ的增大最终都将趋近极限值1.对于矿物质颗粒群,颗粒群的粒度分布变化对散射和后向散射特性影响很大,小粒径粒子对散射和后向散射的贡献比较大;折射率实部以及虚部变化对散射特性均有影响,颗粒的吸收性越强,则散射会相应地减弱;粒度分布以及折射率虚部对吸收系数也存在较大的影响,但是折射率实部对吸收系数的影响不大.     

海洋激光雷达多次散射回波信号建模与分析

海洋激光雷达是实现上层海水3维探测的重要工具,激光在海水中的传输伴随着复杂的多次散射效应,建立准确的海洋激光雷达多次散射回波信号模型有助于实现海水光学特性的高精度反演。本文介绍了仿真海洋激光雷达多次散射信号的解析模型、半解析MC(Monte Carlo)仿真方法和传统MC仿真方法,定量对比分析了不同工作条件下3种模型的仿真结果,讨论了工作高度、接收视场角、水质和水体分层等因素对仿真结果的影响。研究表明:3种模型具有高度一致的仿真结果,但在计算效率方面,解析模型优于半解析MC法,半解析MC法优于传统MC法。解析模型优异的计算效率和可靠的计算精度使其在海洋激光雷达辐射传递机理及应用的研究中具有显著优势。     

结合Singh四分量分解的高分三号全极化SAR影像分类

不同于一般分类算法基于像素统计的分类,忽略了地物的散射特性,文中提出了一种保持地物散射特性的分类方法。这种方法将Singh提出的Singh四分量分解与基于复Wishart分布的最大似然分类器相结合,对高分三号全极化影像进行分类。利用Singh四分量分解获得表面散射、体散射、二次散射和螺旋体散射,然后将前3种基础散射分别划分为多个聚类,根据复Wishart距离进行类间合并,直到获得指定类别数,输入复Wishart分类器进行迭代分类,最后进行类别合并获得最终分类结果。试验表明本文算法具有较好的分类效果且验证了利用高分三号全极化卫星数据进行影像分类的可行性。