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[硕士论文] 马小莉
光学工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:红外场景仿真与建模在各个领域尤其在军事方面有很广泛的应用,随着我国海洋资源的逐渐发展,典型海面红外仿真的相关研究也越来越多的受到科研工作者的重视。通过大气数据、海面红外辐射数据、海面散射数据等可以很好的模拟实际海面情况,此外对于红外场景的渲染也使得海面仿真更加的逼真,在实际应用中有十分重要的意义。
  本文主要针对的红外波段是3-5μm波段,研究了粗糙海面在此波段内的红外辐射散射特性,并对此场景建模与仿真。本论文的主要工作有以下几点:
  1.分析了天空及海面辐射在红外波段的相关特性;介绍了MODTRAN的使用方法,在给定天气情况、经纬度、时刻等信息的基础上计算相关大气参数;分析了黑体辐射的几种经典模型,同时阐述了温度变化对其造成的影响。
  2.详细阐述了在计算海浪要素时的几个重要的特征值表达量;分析了几种不同的海谱模型,其中JONSWAP谱的功率谱函数相比于Neumann谱、P-M谱因为具有更好的随机性以及二维特性,故本文最终选择 JONSWAP谱作为海面建模的功率谱,并结合蒙特卡罗统计法建立海谱模型;列举了不同风速下模拟出的海谱图。
  3.研究了在红外波段下粗糙海面的光谱辐射特性,利用之前的得到的大气参数,对粗糙海面接收到的太阳辐射和天空辐射进行了详细的计算;利用和温度相关的复杂粗糙海面自发辐射相关系数结合黑体辐射相关原理计算得出粗糙海面自身辐射值;阐述了 BRDF后向反射函数,利用分割原理将不同面元进行地球坐标系变换,结合Cox-Munk粗糙面散射模型进一步研究网格面元对到达海面的太阳及天空辐射的散射特征;通过以上各项计算最终可以得出到达探测器各面元的辐亮值。
  4.完成了对3-5μm波段下粗糙海面的红外辐射数据结合海谱模型的红外场景仿真;在具体场景下,包括经纬度、时间、时刻、天气情况等各种因素;利用OpenGL软件结合Visual C++6.0平台对仿真结果进行渲染,对比了不同风速以及不同太阳天顶角下的粗糙海面的红外场景仿真效果,仿真结果表明:随风速的增大,海浪高度和海面的亮度值也在增大,海面出现亮斑的面积在增大。当探测器与太阳在海面投影处于一条直线上时,探测器与太阳天顶角相同时,海面的辐射亮度值最高,随着太阳天顶角的变化,辐射亮度值也随之降低。这是符合实际的海面情形的。
[硕士论文] 丁柏辰
仪器仪表工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着人们对海洋资源全面的开发利用,海洋环境科学越来越显示出其重要性。海冰作为其重要组成部分,直接影响着海上石油开发、海港建设、航运交通等海上经济。由于地理环境独特,近年来受气候变化响,以渤海海域为代表的我国沿海海域受到海冰的灾害影响十分严重。因此,对海冰全面科学的监测对于海洋经济的发展具有非常重要的意义。而在海冰监测中最为关键的就是对冰层厚度的精确测量。
  本文结合国内外海冰厚度测量相关的文献,简单介绍了雷达测量海冰厚度的发展过程和研究现状,总结了多种海冰厚度测量方法的原理并分析了其优势与缺陷。根据我国沿海地区薄冰的特点,出于小型化、一体化、低功耗、可机载等方面的考虑,确定基于FMCW的探冰雷达发射接收系统的方案设计。探冰雷达系统工作于8GHz~12GHz,具有极高的距离分辨力,以期能够精确测量薄冰的厚度。
  在系统方案实施前,首先介绍了FMCW体制雷达测量冰厚的原理并进行了验证其可行性的实验,之后给出了探冰雷达发射接收系统的基本框架。结合探冰雷达探测性能的要求,确定了发射接收系统相关的个项指标,并根据系统指标来对其中各个功能模块进行选型。
  本文在系统架构上,通过ADS系统级仿真验证了各功能模块作用于发射接收系统中的可行性。在PCB布板方面,对传输线的阻抗匹配、PCB的层叠结构进行了设计,并通过Cadence和ADS的联仿分析了系统传输性能,验证了硬件电路实现的可行性;在封装结构上,整个电路封装在屏蔽腔体内,利用HFSS仿真软件进行了屏蔽腔体与电磁兼容设计。最后将系统整机装配并进行了实验测试,通过测试结果与仿真结果的对比分析,提出系统可能存在的缺陷以及相关的改进方法。
[硕士论文] 纪雪
环境科学 国家海洋局第一海洋研究所 2017(学位年度)
摘要:随着声学探测技术的不断发展,多波束测深系统凭借其全覆盖、高精度、高分辨率等优势被广泛应用于海底地形地貌测绘、海底底质勘探等海洋探测研究中。多波束测深系统主要记录有水深数据、声强数据和水柱数据三种重要信息,其中水深数据主要用来描述海底地形起伏和地貌形态变化;声强数据是海底介质散射、反射信号的反映,可以用来研究海底底质的类别和分布;水柱数据涵盖了声波在水体传播过程中的全部反射、散射声信号,可用来研究整个水体中的声学特征。本文就多波束测深系统采集的声强数据和水深数据在海底底质分类和海底地形复杂度分类中的应用进行了研究,主要工作如下:
  (1)阐述了多波束数据开展海底底质和地形复杂度分类研究的意义,对国内外基于多波束数据进行海底底质和地形复杂度分类的研究现状进行了详细的梳理,并归纳总结其在数据处理、分类指标建立以及分类库构建等方面存在的问题和不足。
  (2)介绍了多波束测深系统的基本原理与系统组成,并解释了基于多波束反向散射数据进行海底底质分类的原理。
  (3)给出了详细的多波束反向散射强度数据处理与分析流程,对水深数据进行拟合延伸实现了声强数据全提取,完善了顾及地形坡度的声照面积改正;对滤波方法进行比较,选取维纳滤波进行声强数据、水深数据滤波,选取双边滤波方法进行多波束声纳图像滤波;加入中央波束改正,构建了较为完善的声能补偿改正模型;分别采用反距离加权插值、样条函数插值和克里金插值方法进行多波束声纳图像重采样,比较不同方法的优缺点;对多波束声纳图像特征提取进行了归纳总结。
  (4)利用灰度共生矩阵分别提取多波束声纳图像的角二阶矩、对比度、相关性、熵、逆差距和协方差6项纹理特征,加上图像灰度信息共7维特征值作为分类特征信息,分别基于ISODATA、SVM和BP神经网络三种方法进行底质分类。
  (5)将卷积神经网络(CNN)应用到海底底质分类中,在详细介绍CNN分类工作原理的基础上提取10项图像纹理特征,加之3维统计特征和3维声强灰度信息共16维特征值进行底质分类,对ISODATA、SVM、BP神经网络和CNN四种方法分类结果进行比较,分析不同算法的优劣,得出CNN分类结果优于其它三种算法。
  (6)建立角度响应分析模型(AR)进行海底底质分类。提取泥质砂、砾石、基岩、细砂和砂质泥、粗砂六类底质的角度响应曲线,提取7项统计特征和4项Hellequin L模型参数特征组成11维特征参数,利用距离最小方法实现底质分类,每一类底质分别选取100Ping数据对建立的角度响应分析模型有效性进行检验。
  (7)海底地形复杂度研究,在传统单一分类指标的基础上引入地形坡度和起伏度作为新的分类指标,并进行量化引入到海底地形复杂度分类中,详细介绍二维模式复杂度方法在海底地形复杂度分类中的应用,利用BP神经网络建立18种地形的特征数据库实现海底地形复杂度的自动划分,实验验证表明该方法分类精度高,不仅能实现地形复杂度定性分类还能进行定量分析,具有明显的分类优势。
[硕士论文] 王凤军
物理海洋学 国家海洋局第一海洋研究所 2017(学位年度)
摘要:通过船舶和人工方式进行远海环境观测数据的采集和回收成本高、风险大、效率低,利用卫星链路进行全球性海洋观测数据采集和传输已成为我国海洋观测的当务之急。为了使全球性的海洋观测数据能够及时可靠准确地接收,本论文针对远海大数据量海洋环境观测数据的卫星传输链路进行详细说明,主要分为三个节点进行设计和研制。
  1)卫星通讯系统:设计研制卫星通讯OEM板,打通卫星传输链路,进行大量实验保证其可靠性,实现将大数据量观测数据回传至地面基站。
  2)数据采集系统:设计数据采集电路,对搭载的多个传感器观测数据进行采集、加密和压缩,并完成与卫星终端的数据传输。
  3)地面接收系统:设计上位机软件,接收卫星回传的观测数据,并对接收的数据进行解压解密,形成最终的数据产品。
  基于以上三个节点,本论文构建了远海环境观测数据的传输链路,研制了工作样机,进行了实际海洋观测示范。结果表明我们所构建的数据传输链路功耗低,效率高,数据传输稳定,具有良好的市场前景。
[硕士论文] 李超
物理海洋学 国家海洋局第一海洋研究所 2017(学位年度)
摘要:在海洋环境现场监测中,锚系浮标以其长期性、连续性、全天候定点监测等特点,成为最重要的手段之一。白龙浮标是我国第一个业务化运行的深海气候观测浮标,白龙浮标团队已经业务化维护全球热带锚系浮标阵列RAMA阵列中的站位多年。
  随着近几年我国大力发展海洋观测以及国际海洋观测合作的加强,白龙浮标得到了更加广泛的应用。应用于不同海域环境对浮标设计提出了新的要求,其中最主要的区别在于锚系结构设计和通信系统设计两部分。为实现白龙浮标在不同海域环境的布放,本文对锚系浮标的多种通信方式进行设计与实现。
  锚系浮标的通信方式主要有三种:卫星通信、无线电短波通信、移动网络通信。浮标的通信系统包括浮标端通信系统和岸站端通信系统两部分。本文首先对浮标端通信系统的结构以及数据流做了简单介绍,对通信系统中所用到的数据采集控制器DT80、三种通信系统(卫星通信、无线电通信、移动网络通信)特点以及岸站端系统的SQL数据库原理做了简单描述。
  然后分章节分别对铱星Dial-Up模式通信、数传电台通信、GPRS通信、Argos卫星通信、铱星SBD模式通信、北斗通信六种通信方式的设计与实现做了详细阐述,对六种通信方式从通信链路构成、硬件选择、系统详细搭建过程、浮标端和岸站端软硬件设计以及实验分析方面做了详细介绍。其中浮标端通信系统都以DT80为数据采集控制器控制各不同通信终端传输数据,岸站端通信系统由数据接收终端接收数据并上传云服务器,云服务器端运行浮标岸站服务程序,该服务程序对浮标通信流程进行控制并对接收到的数据分类存入数据库中。
  通过对各通信方式的设计与实现,掌握了各通信方式的特点和实现方法,为应对白龙浮标应用于不同环境做了技术储备,可以快速的实现技术移植,具有重要现实意义,对于其他浮标通信系统的设计也具有一定的参考意义。但是,文章对于多种通信方式的实验分析还不够全面,需要在以后的工作中继续补充完善。
[硕士论文] 蔡高航
光学工程 北京交通大学 2017(学位年度)
摘要:近年来随着海洋科学的发展,水下探测已成为了研究热点之一。关联成像因其独特的成像方式,而成为了近年来水下探测研究热门的成像方式。
  关联成像又称为鬼成像,是最近几年逐渐发展起来的一种新型的成像技术。它是利用光场的二阶或高阶信息进行关联运算而得出探测目标图像,可忽略光场的偏振和相位信息。特别是,在光强较弱的情况下,只需使用没有空间分辨能力的桶探测器,就可以通过目标物体的信号强度涨落情况来得到目标物体的信息。
  本文将强度关联成像技术应用到水下探测的研究中,论文主要完成了以下工作:
  1、对于关联成像的速度和采样数据量问题进行了研究,采用Hadamard矩阵来作为调制方案,大大减少了采样数据量;将高速投影仪与高速信号采集系统应用于关联成像,高速投影仪的应用大大的提高了光学调制速率,大幅度提高了关联成像速度,优化了关联成像方案。搭建了高速关联成像实验系统。
  2、采用Monte Carlo Simulation模拟算法,对于光信号在水下的传输特性进行了研究。在该算法中加入了海水光学特征,得到光子在水下传输模型,探究了光子在水下传输时散射光与回波信号的规律特征,并采用距离选通技术,使得所收集的回波信号的图像信噪比得以大幅提升。
  3、进行了水下关联成像的仿真实验。根据关联成像实验原理,结合前人给出的光学在水下传输时的传输模型,将距离选通技术运用到进到程序中,成功地提高了水下成像距离,同时大大提高了信噪比。
[硕士论文] 朱良康
水利工程 三峡大学 2017(学位年度)
摘要:水库的建设和运行满足了防洪,发电,灌溉、饮水、航运、旅游等一系列需求,创造巨大的工程效益,环境效益和社会效益,同时,也不可避免带来一些不利影响,水库泥沙淤积问题,航道变化及疏浚问题,生态环境恶化成为制约水利发展的新障碍,只有及时发现并有效地解决这些水库建设和运行过程中出现的问题,才能更好的发挥水库建设和运行带来的巨大效益,促进水利事业与河流流域的和谐发展,维持水利资源的可持续发展。
  多波束测深系统是从单频测深系统发展出来的,它是一种具有高效率、高精度和高分辨率的水下地形测量新技术。与传统的单波束测深仪相比较,多波束测深系统具有范围大、速度快、精度高、记录数字化以及成图自动化等诸多优点,它不仅把测深技术从原先的点,线状推展到面状,而且利用采集的数据,绘制DEM图,从而使水下地形测量技术发展到一个新的水平。近年来,我国陆续从国外引进大量多波束测深系统,并广泛应用于江河、湖泊、沿海水下地形的测量;河道疏浚及港口、码头、桥梁工程的测量;并在沉船、水下物体打捞搜寻方面有着良好的应用,在国家基础经济建设中发挥着越来越重要的作用。
  本文从多波束测深系统的发展历程谈起,以EchoSweep300多波束测深系统为实体阐述了多波束测深系统的测量原理及组成,以及数据处理方法,在实际应用中总结了多波束测深系统施测方案。用图表及应用实例说明多波束测量系统的先进性和实用性。同时通过实例归纳总结了多波束系统从安装到最后提供成果分析的一整套内外业操作方法和流程。最后对当前多波束新技术的发展和应用给予了总结。
[硕士论文] 李金金
光学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:光与物质相互作用表现的偏振特性为光学偏振遥感技术的应用提供了科学依据。海洋环境目标及背景的反射和散射而产生的偏振辐射特性及其差异有利于海洋偏振观测。采用多角度偏振探测技术获取海洋目标的光谱偏振辐射特性参数,分析海水背景以及典型海洋目标的偏振特性变化趋势,为海洋目标偏振遥感提供理论依据和实验验证。
  首先,从偏振探测原理出发,根据分时偏振探测方式设计并制作了用于获取目标偏振光谱特性的野外便携式双向偏振反射分布函数(BidirectionalPolarized-reflectance Distribution Function,BPDF)测量系统。该系统包括BPDF测量支架与偏振光谱仪。BPDF测量支架的天顶弧和方位弧轨道半径均为0.9m,配合使用偏振光谱仪,可在半球空间内获取多种野外目标的多角度偏振辐射信息。
  其次,针对本研究使用的偏振光谱仪和偏振相机,进行了辐射和偏振定标检测,其偏振测量精度优于2%。
  随后,针对背景水体,采用大型BPDF测量支架搭载偏振相机,开展室外目标光学偏振辐射特性的测量实验。结合Fresnel反射定律分析了平静水面的反射的偏振特性,并在室外测量了平静水面的多角度偏振特性,实验结果表明,观测天顶角对水体偏振度的影响较大,偏振度随观测天顶角的增大明显增大,最大值可达到0.8左右;结合Cox-Munk粗糙海表面BPDF模型分析了动态背景水体的偏振辐射特性,并测量了动态水体的偏振辐射特性。动态水体在后向散射方向最大偏振度为0.23,前向散射方向最大偏振度达到1。
  最后,针对典型海洋目标,选取了船只和岛礁目标作为研究对象,重点测量了4种船只材料板、船只缩比模型、植被、土壤以及沙石混合地等目标,获取了目标大量偏振光谱信息和成像信息。就辐射特性而言,反射率最大值都出现在主平面内,船只材料板由于表面光滑,镜面反射明显,植被存在热点效应,土壤有着强后向散射特性,沙石混合地呈现一定的朗伯特性;就偏振特性而言,各种目标的偏振度的变化趋势基本一致,但有着各自的波段特性和方向特性。船只材料板偏振度波段特性不明显,随观测角度变化明显,植被、土壤和沙石混合地的偏振度则具有明显的波段特性,在490nm处的偏振度略高于550nm和670nm处的偏振度,最大值分别为0.25、0.07和0.15。因此在进行海洋目标观测时,需要根据不同的目标选择合适的观测波段与观测方向。
[硕士论文] 张政
物理海洋学 浙江海洋大学 2017(学位年度)
摘要:合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种主动式微波成像雷达,其工作不受外在天气状况影响,具有全天候、全天时、高分辨率的海洋遥感观测能力。利用SAR来开展对海洋的研究已成为一个有效便捷的手段,其高分辨率的SAR图像在海面风场和海浪参数的反演方面研究具有重大意义。在前人的研究基础上,本文对SAR图像反演海面风场和海浪参数开展了相关研究。
  用于X波段SAR图像海面风场反演的地球物理模型函数(GMF)XMODl,XMOD2和SIRX-MOD都是基于VV极化发展而来的。目前,仅包含了雷达入射角的极化率模型XPR结合X波段的GMF已经被用于HH极化TerraSAR-X图像海面风场的反演。而之前的双极化TerraSAR-X图像反演海面风场的研究中发现极化率模型与海面风速存在一种特别的关系。因此,为了提高HH极化TerraSAR-X图像海面风场反演的精度,本文引入了一个同时包含雷达入射角和海面风速的极化率模型,本文称之为XPR2。通过56幅双极化TS-X和TD-X图像以及与之匹配的ECMWF风场数据拟合出XPR2。再利用38幅HH极化TerraSAR-X图像和与之对应的浮标测量值验证XPR2的有效性。验证的结果显示,采用XPR2反演结果的均方根误差为1.79m/s,偏差为0.68m/s,优于XPR反演结果的均方根误差为2.31m/s,偏差为0.93m/s,
  另外,本文基于C波段VV极化的Sentinel-1的SAR图像,提出了一个反演有效波高Hs和平均波周期Tmw的半经验算法。半经验算法描述的是Hs与截断波长、雷达入射角和波浪传播方向与雷达距离向之间的夹角的经验关系。此外,Tmw可以通过另一个Hs与截断波长的经验关系计算得到。我们收集了106幅C波段VV极化Sentinel-1 SAR图像和与之匹配的浮标实测数据,并从106幅SAR图像中一共采集到150幅与浮标对应的子图像,用其中93幅子图像用来拟合半经验算法中的系数,剩下的57幅子图像用来验证半经验算法。比较结果显示Hs的RMSE为0.69m,SI为18.3%,Bias为0.11m;Tmw的RMSE为1.86s,SI为24.8%,Bias为0.62s。结果表明本文的Hs半经验算法适合Sentinel-1的SAR图像海浪参数的反演。
[硕士论文] 杨威
机械工程 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:随着科技的进步,人类对地球的探索能力进一步增强,巨大的海洋资源的探索也将成为可能。海底资源种类丰富,包括海洋生物资源、矿产资源、能源资源以及微生物资源等。针对不同的资源需要研发不同的探索技术。深海微生物资源应用广泛,通常用于生命科学研究等领域,有着重要的药用价值。由于深海微生物生存在高压、低温、无光的环境之中,为了充分了解深海微生物的物理化学特性,通常要对深海微生物的保真样品进行研究。这对我们的深海微生物的保压取样技术、保压培养技术以及保压转移技术都提出了很高的要求。在国内外对深海微生物保压取样技术和保压培养技术都已经有了比较多的研究和应用,但是对微生物的保压转移技术还处于起步阶段。保压转移技术的主要技术难点在于如何保证高压,如何在高压环境下进行有效的样品转移,以及如何减少因为样品转移或者泄漏等原因造成的压力波动。本文将就这些问题进行研究。
  第一章首先介绍了深海微生物保压转移课题所产生的背景,然后介绍了国外和国内在保压转移技术上的研究现状。由于本课题的所要获取的深海资源为微生物,由此给出了深海微生物保压转移技术的总体设计方案,根据总体方案所设计到的技术难点提出了本课题所要研究的机械、电控以及压力保持三个方面的主要内容;
  第二章首先对保压转移装置的工作原理进行了设计,包括保压单元的设计以及子取样单元的设计。然后针对保压转移装置中保压筒、螺杆以及支撑板等受力较大的零部件进行了设计计算。另外利用有限元分析软件对保压筒和支撑板等零部件进行了仿真分析和结构优化,保证了安全性;
  第三章首先从理论上分析了可能导致保压转移系统内压力波动的原因,如滑块滑动、泄漏以及球阀启闭等,并分别分析了它们对压力波动影响的大小,同时给出避免措施。然后参考常用的保压回路设计方法,结合本课题所研究的微生物保压转移装置的结构特点,设计了用单向阀和蓄能器作为保压元件,同时通过液压泵在蓄能器保压能力不足时做适当补充的保压回路。
  第四章首先分析微生物保压转移系统的控制需求,确定了电控系统的实时性、精确性以及可靠性等要求。针对这几点总体要求设计了上位机为主下位机辅助的控制方案,并确定了上位机和下位机的开发工具。最后分别针对上位机开发,下位机传感器数据采集,上位机与下位机通信协议等进行了详细的设计实现;
  第五章结合以上三章在机械结构、电控软件以及压力保持等方面的研究成果,成功制造了一台微生物保压转移系统样机,并通过实验的方式验证了该装置的耐压保压能力,通过取样实验验证了机械结构原理的正确性以及电控软件的实时控制性能,为后续的研究奠定了基础;
  第六章总结与展望,总结了深海微生物保压转移装置的研究成果,并对更成熟的微生物保压转移系统进行了技术上的展望。
[硕士论文] 尚应生
生物医学工程 天津工业大学 2017(学位年度)
摘要:深海蕴藏着丰富的矿产、生物等自然资源,作为一个海洋大国,深海资源的开发以及深海水文数据的获取对我国未来的经济建设和海上军事强国战略都将具有重要的意义。深海投弃式温盐深剖面仪(Expendable Conductivity Temperatureand Depth Profiling System)简称XCTD,是国外近年来研制的一种高性价比深海探测型设备,由于其具有走航、实时、大面积、低成本和高精度测量的特点,自问世以来就得到了海洋学家和研究学者的高度关注。
  考虑到仪器重量、成本以及复杂的海洋环境等原因,XCTD信道采用的是单根双股漆包线,信道呈现时变、低通窄带、低信噪比的特点。目前XCTD信道主要采用单载波ASK、DPSK传输方式,但传统单载波传输方式下提高信号的传输速率,信号的幅值将大大减小,在一定的传输频率下,随着探测深度的增大,信号的幅值衰减越大,因此受信道条件的限制,如何在充分利用有限带宽资源的同时进一步提高XCTD信道传输性能成为了研究的主要目的。
  本文首先对XCTD信道的电路模型进行了优化,接着针对XCTD信道的特点进行了分析,提出了OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术适用于XCTD信道传输的技术优势,然后在Simulink平台上搭建了XCTD信道的仿真电路模型,在此基础上建立了OFDM系统的仿真模型,详细对比了OFDM与单载波传输方式ASK、DPSK的仿真结果,验证了OFDM技术在保证XCTD信号传输准确性的同时提高了信号的传输速率。最后,利用RS编码和过采样技术对OFDM仿真系统进行了优化,通过仿真结果更进一步证明了OFDM技术提高XCTD信道传输性能的可行性和有效性,对提高XCTD信道传输性能的研究提供了一种新的思路。
[硕士论文] 宋国民
电子与通信工程 天津工业大学 2017(学位年度)
摘要:XCTD是投弃式电导率、温度、深度剖面仪(The ExpendableConductivity-Temperature-Depth Profiler)的简称,其作为深海投弃式剖面仪的典型产品之一,是近几年国外研制成功并得到快速发展的一种先进剖面测量设备。目前美国和日本在XCTD技术方面的研究处于世界领先水平,而我国XCTD技术的发展仍处在起步阶段。
  在XCTD测量系统中,考虑到成本、工作环境等因素的影响,主要采用单根双股漆包线作为传输线进行数据信号的有线传输,一方面限于传输信道阻抗参数实时变化的制约因素;另一方面限于复杂海洋噪声的干扰,使测量的数据不能可靠有效的传输到接收终端。因此,如何保证数据信号以高传输频率在信道中可靠传输成为我国XCTD技术发展的关键问题之一。
  本文首先通过建立XCTD信道优化的电路模型,分析了XCTD信道的传输特性,并根据信道环境存在复杂噪声的特点,分析了信号在传输过程中可能产生的错码类型,提出了在ASK频带调制基础上采用RS-CC串行级联码的信道编码方案;其次根据不同信道编码类型的特点和XCTD的实际工作环境,设计了(255,223) RS码+(8,255)交织器+(7,1/2)卷积码的RS-CC串行级联码的编译码方案;然后利用MATLAB软件中的SIMULINL工具箱搭建了基于ASK频带传输的RS-CC级联码的信道仿真模型,具体分析了在一定探测深度和传输频率条件下随机噪声对ASK频带传输方式的影响,并与RS-CC+ASK传输方式和ASK频带传输基础上不同编码方案的传输方式进行对比,对该编码方案进行验证,并整体分析了随机噪声对RS-CC+ASK传输方式的影响;由于随机噪声总是存在,突发噪声可能出现,最后分析了在一定随机噪声基础上,突发噪声对RS-CC+ASK传输方式误码率的影响,并确定了RS-CC+ASK传输方式在XCTD通信系统中的适用条件。
[硕士论文] 李一方
机械电子工程 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:张力绞车是海洋平台中使用非常广泛的起重拖曳设备,其特点是:承载负载非常大,在启动、加速、减速等动态过程中,缆绳张力存在大幅的震荡,稳定性较差,存在很大程度上的安全隐患,且缆绳上的大张力严重影响排缆效果。因此如何能够使系统在工作过程中保证缆绳张力的稳定,有效地进行排缆是目前绞车系统研究的重点。
  针对上述问题,结合实际需求,论文以大惯性负载绞车系统为研究对象,通过理论分析对目前绞车系统的机械结构进行改进设计,以实现缆绳对大张力的释放。设计液压控制方案,通过数学建模、软件仿真的方法分析系统动态性能,设计合理的控制策略对控制系统进行优化。
  论文首先分析、总结了现有的张力绞车的类型及控制方式,在分析了各种控制方式特点、应用场合的基础上提出了本课题适用的液压控制方案。并根据实际任务需求,分别从张力控制、速度调节两个方面对系统进行优化设计。
  针对优化后的控制系统,在软件中建立液压模型进行仿真,通过仿真结果,分析系统动态性能,在此基础上提出PID控制策略,通过设计对PID不同参数的具体调节方案,提高系统控制精度及系统响应时间。
  最后,文章针对张力收放系统中的研究重点张力控制、速度调节进行实验验证。在实验过程中,通过不断调整控制参数对系统的控制方案、控制策略进行进一步的完善。实验证明,张力收放系统可较好的实现张力、速度的调节,具有较高的控制精度,较好的动态性能。
[硕士论文] 马腾飞
机械工程 天津理工大学 2017(学位年度)
摘要:人类在开发利用海洋资源的过程中,对于波浪特征要素的描述是最基本,也是最重要的。本文主要针对实验室内波浪测量方法进行了研究,并将其应用于大比尺波浪水槽中。
  首先,本文对现存的,可应用于实验室内的各种波浪测量方法进行了适应性分析,从其工作原理出发,主要从应用场合、测量范围和精度、稳定性、耐耗性、维修保养等方面进行分析,得出优势与劣势,进一步提出一种新的实验室波浪测量方法——基于光学的波浪测量方法。
  其次,介绍光学测量波浪的原理:在水槽上边缘俯视拍摄波浪表面和水槽侧壁,通过获取图像,判断波面附近灰度值变化来识别波面高度。从此原理出发,进行了摄像机的选取、镜头选取、设备搭建、刻度尺标注与标定、图像感兴趣区域提取、图像灰度化处理、图像平滑滤波、利用背景差分法进行波面高度识别、利用上跨零点法将图像处理结果转化为波浪的特征要素。最终,利用相同位置电阻式波高传感器和基于光学的波浪测量结果进行对比,得出结论:基于光学的波浪测量方法的精度可达到3mm(镜头焦距为8mm的情况下),采样频率为25帧/秒,完全满足实验室内常见的线性波和非线性波的采样要求。
  再次,利用光学测量的波高结果,对波浪特性进行分析,主要包括:
  波浪形态分析:利用两个测量点时间域上的波浪形态进行分析,得到整个大比尺波浪水槽中波浪的空间形态,能够更加直观观测到波浪在传播过程中周期、波高等波浪要素的变化,通过不同测量点获取的波浪空间形态对比,可以用来研究波浪在水槽方向传播过程中能量的消耗程度。
  波群传播过程分析:主要通过计算波群群性参数和波能过程线,得到波群在传播过程中各参数的变化以及波能的变化,这将成为海洋工程建设中的重要参考因素。
  入反射分离分析:利用两点法对两个波浪测量点的结果进行入反射波分离,推导出反射系数,此系数是海洋与海岸水动力的基础研究、波浪与近岸防护建筑物之间相互影响研究中的主要参考数据。
  最终,对此光学测量波浪的方法进行总结,分析可能造成测量误差的因素,指出有待改进之处,并对其市场适应性进行分析。
[硕士论文] 严东旭
船舶与海洋工程 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:随着海洋事业的不断发展和水下工程研究的不断深入,水下结构物结构安全性监控与实时自主性观测成为此领域急需解决的问题。随着工程规模的不断扩大和信息化施工的实施发展,水下曲面检测的重要性日益凸显。对于海底地形检测,如海底天然气水合物的勘查与试采而言,天然气水合物在海底是极其脆弱的,轻微的温度增加或压力释放都有可能使它失稳而产生分解,从而影响海底沉积物的稳定性,甚至导致大规模的海底滑坡,毁坏深海油气钻探、输油管道、海底电缆等海底工程设施。同时对于这类曲面结构的检测,需满足自动化及高效检测的要求。
  本文基于以上背景,针对水下曲面形态变化实时检测系统进行深入研究,主要内容包括传感器信息获取、曲面重构算法以及实时检测系统软硬件研究,并在此基础上搭建实验模型进行实验分析和精度验证。本文主要涉及方法包括:传感器信息获取与处理技术、传感器布置技术、基于四元数信息重构方法、三维动态可视技术、实验模型结构平台搭建等,并通过实验验证相关技术的可行性。在总结前人经验基础上提出了适用于水下的基于四元数信息曲面重构方法并搭建实验平台,获得实验数据,将硬质已知曲面数据模型与重构模型进行对比。实验验证结果表明基于MEMS传感器实现水下曲面实时检测系统的可行性较好,重构精度与实时化效果较高,文章为四元数重构理论的实现以及该系统的工程化应用提供了基础。
[硕士论文] 周璐艳
电子与通信工程 南京理工大学 2016(学位年度)
摘要:随着可持续发展理念的不断深入,水环境监测保护问题被世界各国日益重视。目前,主要通过可见光、红外等遥感技术进行大范围的水上目标监测。但光学探测方法受天气和环境的影响较大,无法在雨、雾、霾等恶劣条件下正常工作。微波雷达检测方法则克服了上述波段的不足,拥有全天时全天候的工作能力,以被动方式工作的毫米波辐射计可通过接收水面物体的辐射信号辨别不同目标。基于我国水上目标探测的状况及实际需求,利用水面的毫米波辐射特性与典型水上目标的辐射特性存在很大差异这一特点,对水上目标在3mm和8mm两个波段的毫米波辐射特性展开了深入的研究。本文主要研究工作和内容如下:
  (1)在对毫米波辐射测量和成像的基本原理、典型毫米波辐射计系统和辐射计定标方法介绍的基础上,对天空、水面、金属目标及水面植被等典型目标进行理论建模、计算仿真,比较分析其辐射特性的特点。
  (2)本文研究应用于水面环境,在前人工作的基础上,设计了毫米波辐射计水面目标检测可视化仿真软件,根据先期水面目标的辐射特性对辐射探测系统进行动态模拟仿真,为水面环境探测实验提供科学依据;研究设计了可在水环境下工作的毫米波辐射计无线数据采集系统,利用此系统在宜兴太湖水域对典型目标进行外场辐射数据测量采集实验,经过对实验数据的分析处理,验证了理论模型研究的正确性,证明了利用毫米波辐射计系统监测水面环境的可行性。
  (3)在上海崇明海域,对天空、水面、水上典型金属目标和植被目标在3mm和8mm波段的辐射特性进行测量,与太湖水域辐射数据进行比对,研究了典型目标辐射特性在不同环境温度下的特点;组合大量辐射数据的采集分析,对水面荷叶和金属目标进行了矩阵式辐射扫描、插值拟合成像实验。实验结果表明辐射图像能达到更加直观的表现水面目标的物理几何特征,监测水面环境的目的。
  在对水上典型金属目标和植被目标辐射特性研究的基础上,结合大量辐射数据,开展水面目标区域矩阵式扫描、插值拟合成像的实验研究,为进一步利用毫米波辐射计系统实时监测水面环境提供了理论和数据支持。
[博士论文] 涂乾光
地图学与地理信息系统 浙江大学 2016(学位年度)
摘要:海表温度(Sea Surface Temperature,SST)是影响地球系统物理、化学和生物过程的一个重要物理量。当前,通过卫星遥感已能获得大量SST。但对于单一卫星遥感器,由于其轨道、平台、传感器波段设置及大气环境等的限制,往往只能瞬时观测有限的空间,即遥感产品存在观测时间的不一致,空间上有缺失等问题,给实际应用带来了困难。为此,本论文开展了基于日变化分析的卫星遥感SST重构研究。首先,基于卫星遥感和数值模型分析了研究区(115-130°E,22-42°N)SST的日变化特征,从物理机制上考虑海气热交换、海水混合等作用,选择一维海洋混合层模型(General Ocean Turbulence Model,GOTM)建立了不同气象条件下海温随深度和地方时变化的模型,将多源多时相的卫星遥感反演海表温度归一化到同一测量深度和时间基准;其次,在分析归一化SST空间覆盖分布特征的基础上,将每个时刻的研究区分为观测区和缺测区,观测区采用Markov估计进行多源数据融合,缺测区则根据日内尺度海表温度的时空相关模型,应用最优插值方法进行重构,最终生成时空基准统一的海表温度遥感分析产品。得到以下主要结论:
  (1)基于MODIS、AMSR-E和MTSAT的遥感观测,分析确定研究区域海温存在大幅度的日变化(最大振幅可达5℃以上)且主要发生在春夏季。SST日变化主要受风场和太阳短波辐射控制,风速越小,日照越强,日变化幅度越大。此外,海水的浑浊度也会促进SST日变化的幅度。
  (2)通过MTSAT观测的SST日变化比对验证两个当前常用的经验模型(CG03和ASM)和GOTM在本研究模拟的日变化能力,发现GOTM可以较好的模拟SST的日变化过程,平均偏差约为~-0.01℃,均方根误差在0.3-0.5℃。
  (3)多源海表温度的归一化还能有效填补卫星轨道缝隙,克服云雨等不利天气条件对卫星遥感的影响,月平均综合覆盖率能提高到75%左右。
  (4)通过对研究区内SST的时空相关模型分析,确定时间相关尺度为分析时刻前后2天、前后3小时,纬向的相关长度取~85km,经向的相关长度取~100km。对2007年逐时的融合结果进行验证,总体偏差约-0.14℃,均方根误差在0.57℃,与卫星观测的精度相当。因此,本文的重构产品在提取快速变化的海洋特征(比如海洋内波)、目标信号,提高海-气通量的估算的精度等方面有应用价值,进一步也可输入到海洋模式作为初始场,发挥更大的作用。
  本文研究的主要创新点:
  (1)在卫星遥感SST日变化分析的基础上,从影响SST日变化的海气热交换、海洋混合等物理机制出发,利用GOTM模式建立了SST日变化模型,将多时相卫星遥感SST归一化到同一时刻基准。
  (2)利用Markov估计对归一化到同一时相的多源卫星共同覆盖区进行了融合,利用最优插值法对卫星未能覆盖区进行了重构,在空间上实现了对缺测区的填补。
  (3)基于(1)和(2)两个创新点,根据SST时空变化规律,可以生成时空基准统一的、任一时间与空间的卫星重构SST系列产品,为其他多源、多时相卫星资料的时间与空间的无缝重构提供了重要技术支撑。
[硕士论文] 单倩倩
地理学 曲阜师范大学 2016(学位年度)
摘要:海岸带是陆地与海洋的交汇地带,是人类重要的栖息地,为人类的生存与发展提供了丰富的资源。海岸带是人类活动的集中区、环境变化的敏感区和生态交错的脆弱带,是科学家们研究的热点地区。合理适度的海岸带开发利用方式是可持续发展的必要条件,认识现状是决策者制定可行政策的重要前提。
  本文以日照市海岸带区域为研究对象,通过对国产GF1号数据的解译,结合实地调查精确地统计了日照市海岸带7种开发利用方式的面积与位置,其中包括港口与海上设施27.54km2,高密度低矮建筑集中区87.71km2,城市/不透水面112.399km2,水域193.255km2,裸地19.79km2,林地98.35km2,农田或草地266.92km2,以开发强度为度量指标评价了海岸带区域的开发利用的程度,开发利用强度高等级的区域主要分布在港口,同时发现日照市东港区的西北部分亦集中分布高等级的开发利用区域,从一定程度上反映了日照市的城市发展方向,或人类活动的主要趋向。
  以Landsat系列卫星数据为基础建立了日照市海岸带开发利用方式的时间序列,从人类活动影响范围的角度出发,分析了日照市海岸带开发利用的变化发展趋势,总体来看,2005年至2013年,建设区域增长了96.95%,非建设区域减少了38.46%,水域面积基本保持不变,港口则增长了151.2%。
  结合海岸带可持续发展的内涵与原则,从现状与发展规律出发,提出了日照市的海岸带利用的建议。
  研究结果有助于更加客观的了解目前日照海岸带的开发利用情况,为决策者提供了可信的数据支持,同时长时间序列的数据分析在一定程度上揭示了日照市海岸带人类活动的空间演变规律。
[硕士论文] 郭海峡
物理海洋学 国家海洋局第三海洋研究所 2016(学位年度)
摘要:海洋叶绿素浓度可作为衡量海洋浮游植物生物量和初级生产力的重要指示因子,因而经常用于海洋生态特征的分析和海洋资源环境的评估工作中。近年来,随着海洋卫星遥感技术的快速发展,卫星遥感资料凭借其大范围、长时间、高频率和成本低等优点,从而在海洋生态研究和动态监测应用中占据了重要地位。然而,由于天气、气候等各种因素的影响,卫星遥感数据存在有观测数据缺失等问题,在一定程度上阻碍了其应用。因此,采用科学合理的方法重构叶绿素卫星遥感数据成为当前应用研究的迫切需要。为此,本论文进一步发展了可应用于叶绿素卫星遥感数据重构的方法,完成了1998-2014年期间中国近海(东中国海和南中国海)叶绿素卫星遥感数据的重构工作,并据此分析了东中国海和南中国海叶绿素的时空变化特征及其与主要环境因子的关系,得到以下主要结果:
  (1)本文根据经典Data Interpolating Empirical Orthogonal Function(DINEOF)的重构方法,利用Empirical Mode Decomposition(EMD)技术可检测异常值(噪声)的特点,采用其可剔除原始数据中噪声的有效方法,并引入了基于数据同化思想的二次订正过程,形成的DINEOF-EMD的方法可对卫星遥感数据重构结果进一步优化。试验结果表明,本文发展的DINEOF-EMD方法能够较为成功地刻画中国近海海表叶绿素的时空变化特征,具有无需先验参数和运算速度快等优点,并且,重构精度比经典DINEOF方法提高了5%~10%等特点。
  (2)东中国海叶绿素的时空变化特征及其与环境因子的关系
  ①叶绿素浓度的平均气候态:具有从近岸向远海呈带状分布以及从近岸向远海逐渐降低的特点。其中,长江口附近海域及渤海的叶绿素浓度较高,最高超过5.0mg/m3。
  ②线性拟合结果表明,1998-2014年期间,叶绿素浓度上升了约0.136 mg/m3,增加速率约为0.009mg/m3·a-1;其中,连云港沿岸、莱州湾、渤海湾北部以及黄海北部沿岸海域有增量大于2.0mg/m3的,而长江口附近海域则有明显相反的减少趋势。
  ③叶绿素浓度在春季4月份达到2.974mg/m3的全年最高值,而在夏季7月份则达到2.560mg/m3的全年最低值。
  ④叶绿素与主要海洋环境因子,如海表温度(SST)和海表盐度(SSS),未有简单一致的关系;并且,两者之间的关系随不同季节和海域有较大的变化。其中,叶绿素与SST呈现正相关的海域主要为春、秋季长江口附近海域以及夏、秋季济州岛附近海域,其他海域主要为负相关关系;叶绿素与SSS呈正相关的海域主要为夏、秋季的黄海中部及东北海域,其他海域为负相关。另外,冬季,叶绿素与SST和SSS的关系在不同海域则较为凌乱。
  (3)南中国海叶绿素的时空变化特征及其与环境因子的关系
  ①叶绿素浓度的平均气候态特点:近岸海域高,离岸海域低,以及海盆中部岛礁周围海域相对较高的特点。
  ②1998年-2014年,全海域平均叶绿素浓度总体呈略有减少的态势,下降了约0.006mg/m3,减少速率约为0.001mg/m3·a-1;其中,琼州海峡东侧相邻海域明显减少,大部分海域略有降低,而北部沿岸海域则呈相反的增加。
  ③全年变化的最大值出现在冬季1月份,约为0.647mg/m3,而最低值约为0.461mg/m3,出现在春季4月份;此外,夏季7、8月份出现全年的第二个峰值,约为0.540mg/m3。
  ④与东中国海的情况略有不同,叶绿素与海表温度(SST)主要呈现负相关关系,而与海表盐度(SSS)的关系则随着不同季节和海域有较大的变化。其中,夏季,大部分海域的叶绿素与 SSS主要为负相关关系,其他季节则没有较为明显的一致关系。
[硕士论文] 王萌萌
信息与通信工程 哈尔滨工业大学 2016(学位年度)
摘要:海洋是维持人类社会生存进步的重要基地。作为探索海洋世界的关键设备,水下传感器网络发挥着重要作用。面对三维海洋监测传感网复杂的体系结构与恶劣的水声信道环境,设计高能效的数据传输算法尤为重要,这也是水下传感器网络研究的重点难题。压缩感知理论集信号获取与数据有效压缩于一体,其为能量有限的水下传感器网络提供了一种创新性的研究突破方案。
  压缩感知利用待采集信号的稀疏性,通过少量的随机投影值即可在误差许可的范围内精确重构原始信号。由于大部分自然信号具备一定时空相关性,根据该理论,汇聚节点可以依据一定路由准则,利用所收集的远小于原始信息量的随机观测值重构原始网络图谱,其应用可显著降低通信能耗与信道带宽要求。本文主要研究了压缩感知在三维海洋监测传感网中的应用,以此设计高能效的数据传输算法。
  首先,分析了复杂的水声信道环境。根据水声信道的衰减模型、噪声模型与带宽模型等,建立了单跳传输能耗模型,从而为路由算法的能耗评价方式作出了定义。并以该模型为基础,仿真分析了压缩感知和多跳路由的性能优势。
  其次,以延长网络生存周期为目标,设计了基于分布式压缩感知的三维多跳路由算法,并讨论了三种路由方案,其路由过程均可与压缩感知观测矩阵的设计进行有效结合。基于实测数据的仿真结果表明,相比于传统信息传输方案,以上算法在节约网络能耗方面具有显著优势,且均可实现对原始数据的有效重构。此外,完成了算法间性能的对比分析,选取出最优算法。
  最后,以压缩感知为技术背景,将分簇协议与簇间多跳路由联合设计,提出了基于压缩感知的分簇不均匀分层多跳路由算法CS-CULM。该算法以压缩感知作为数据融合技术,簇内传输采取改进的三维分簇协议NEW-LEACH,簇间传输利用所选取的最优算法将融合数据包通过多跳方式路由至汇聚节点。基于实测数据的仿真结果表明,CS-CULM算法在保证原始数据重构精度的同时进一步均衡了网络能耗。此外,本文对三维海洋监测传感网中原始信号分段频域稀疏的问题展开分析并提出了解决方案,对CS-CULM算法进行了改进,达到了提高数据重构精度的目标。
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