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[硕士论文] 马晋愚
光学工程 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:水下成像技术的研究,在海洋预警、资源开发、海底地貌测绘、海洋环境监控、海面搜救、水下摄影等领域,有着重要的应用价值。光在水下的传播,会受到强烈的散射和吸收作用,尤其是水中介质粒子产生的后向散射光,会覆盖目标信号,导致图像对比度大大降低,严重阻碍了水下光电探测技术的发展。
  传统水下偏振成像技术,利用后向散射光与目标信号光解偏作用的不同,将后向散射光从图像中分离,有效地解决了后向散射光带来的图像对比度降低等问题,但是算法放大了处理结果中的噪声,降低了图像质量。此外,依靠人眼观察亮度变化而选取的正交偏振方位角图像,采集难度大,系统可操作性差,精确度低。且高浓度溶液中,目标无法被光源充分照射而无法有效复原。针对传统水下偏振成像复原结果中,噪声大、细节信息不充分、系统可操作性差和高浓度溶液中无法成像的缺陷,本文在复原结果的像质提高,系统可操作性的提升和系统应用范围的扩展三个方面进行了改进,实现偏振探测系统在高浓度溶液中,对成像目标的偏振探测,在抑制后向散射光的同时获取高对比度和清晰度的图像复原结果。本文的研究内容主要如下:
  (1)深入探讨了传统水下偏振成像算法的理论模型,通过实验,证明了偏振成像算法对水下图像的复原能力。结果表明,传统水下偏振成像技术能较好的抑制后向散射光,提高图像对比度,但也会带来大量的噪声。为了进一步提高像质,本文分析了传统水下偏振成像算法噪声产生的原因,并选取双域滤波算子,在保留图像高对比度结构边缘与低对比度细节信息的同时,对复原图像进行有效去噪。同时,利用拉普拉斯算子提取原图中受后向散射光影响较小的高频信息,对去噪图像进行细节增强,改进了传统水下偏振成像算法噪声大、细节信息缺失的缺点。
  (2)传统水下偏振成像系统对正交偏振方位角图像的获取条件苛刻,无法精确获取,影响了系统复原效果与可操作性。本文使用Stokes矢量偏振方位角图像代替正交偏振方位角图像,Stokes矢量偏振方位角图像获取方式更为精确、简单、快捷,因此基于Stokes矢量的水下偏振成像技术能弥补传统水下偏振成像技术可操作性差的缺陷,加上对传统方法噪声抑制和细节信息增强的优化,保证了偏振系统能实现对复原图像对比度和清晰度的提升。
  (3)传统水下偏振成像系统使用宽光场偏振光源照明,光能量严重损失,高浓度溶液中会由于光信号的严重衰减,造成无法成像的缺陷。根据蓝绿激光在水下探测中方向性好、水下穿透能力强和单色性好的特点,本文使用线偏振绿激光对目标进行照明,并获取场景的Stokes矢量偏振方位角图像,通过对原始图像进行偏振算法处理,抑制后向散射光提高对比度,再对复原结果进行噪声抑制和细节增强,提高图像清晰度,得到最终的处理结果。实验证明了该优化后的系统在高浓度溶液中依然具有较强的图像复原和像质提高能力。
  综上所述,本文对传统水下偏振成像技术,从三方面进行优化改进,并综合优化方案设计了适用于浓溶液中的实验系统:使用绿激光对目标进行充分照明,获取场景的Stokes矢量偏振方位角图像进行偏振算法复原,对复原结果进行噪声抑制和细节增强,从而提升系统在浓溶液中的探测性能,解决水下成像探测中存在的光信号散射与吸收严重的问题。实验表明,在高浓度溶液中,优化后的实验系统依然能够较好的抑制后向散射光,提高图像的对比度与清晰度。
[硕士论文] 刘庆奎
控制科学与工程 青岛科技大学 2017(学位年度)
摘要:广袤的海洋里蕴藏着极其丰富的海洋资源,认知、开发和利用海洋,是21世纪研究开发的重中之重,是我国由海洋大国向海洋强国目标实现的必由之路。海洋环境监测和海洋调查经常需要对深海海洋环境进行长期的实时测量,深海海洋要素垂直剖面实时测量系统就是一种针对海洋定点的垂直剖面进行现场持续测量的海洋观测装备,它可以长期、定点、实时的获取水文、水质等垂直剖面海洋环境参数。深海海洋要素垂直剖面实时监测系统是一种具备自动升降功能的剖面观测系统,剖面测量平台可沿系留钢索上下移动进行剖面数据的循环采集存储,剖面测量周期结束后可将观测数据传输到主浮体,主浮体通过控制绞车释放通讯浮标采集主浮体以上剖面数据并将整个剖面观测数据发送回陆基接收站,最后回收通讯浮标。此系统既具有潜标的优点,平时位于水下50米,又具有浮标的优势,可释放通讯浮标通过卫星发送数据,从而实现了为深海大洋的立体海洋环境监测提供一种高效、经济、安全、隐蔽的测量手段。
  本文主要研究垂直剖面实时测量系统的数据采集与控制系统相关的技术。首先讨论了深海海洋要素垂直剖面测量系统的整体方案设计,其次,针对系统的剖面测量平台子系统、主浮体子系统和通讯浮标子系统上的具体功能技术指标进行了硬件设计,然后介绍了各子系统的功能需求并进行了嵌入式软件设计,介绍了不同子系统的工作流程,最后针对各部分子系统进行了软硬件的功能测试,结合实验室调试和深海布放测试验证了深海海洋要素垂直剖面实时测量系统工作可靠,达到了预期的设计目标。在本文结尾,对深海海洋要素垂直剖面测量系统的技术设计和拓展应用进行了总结和展望。
[硕士论文] 仇三东
电子与通信工程 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:为了方便获取水下敌方微弱目标的信号,并具有隐蔽、稳定、长航时和机动性好等特点,海洋潜标系统具有其他观测设备不可替代的功效。本论文的主要目的是设计一个基于NI控制器,在海洋中无人值守条件下能够稳定且长期地采集海洋微弱目标信号的潜标电子系统。该潜标系统可在同一地点观测不同深度和距离的微弱目标信号,并将采集的数据实时存储。
  本文制作的潜标系统主要由主浮体、潜标测量仪器、配重等部分组成。其中潜标测量系统是潜标系统的核心。本潜标系统主要由测量硬件系统平台和测量系统软件两大部分组成。
  1、测量硬件系统平台,首先由系统平台NI控制器进行控制和数据处理,其次根据测量需求,例如测深、潜标姿态、控制仪器采集时间、对控制采集仪器时间校准等需求,选择能够满足需求的测量设备模块。并对各部分作简要说明同时测试仪器是否能够正常工作。根据外围模块与NI处理器通信需要2个RS-232串口,因此需要设计串口电路把两个RS-232口的数据进行打包,通过一个RS-232口上传给NI控制器,进行多次验证确保设备工作正常。
  2、以LabVIEW图形化编程软件作为应用软件,制作FPGA下位机软件、RS-232串口模块、RS485串口模块、采集矢量水听器信号模块和存储模块,并以SD卡位存储介质,实现潜标采集的数据实时存储。制作数据回放模块,对采集到的数据进行处理并验证采集数据的准确性。
  3、系统经过实验室测试与湖上实验测试,可得本实验设计的潜标系统达到了设计要求,能够实时准确采集微弱目标的信号、记录潜标姿态、测量潜标深度、测量微弱目标距离并实时存储数据的功能。
[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] 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] 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] 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] 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] 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] 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] 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] 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] 王兆强
水声工程 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:在海洋资源探索和水声科研实验中,海洋环境噪声通常被认为是干扰项。充分测量和分析海洋环境噪声信号对其他水声信号的测量也有着深远的意义。同时,海洋环境噪声也蕴藏了丰富的水中和水面甚至海底的特性信息。
  本文的课题研究目的就是通过对海洋环境噪声测量需求的分析,设计一款用于测量不同水深低频噪声信号的32通道垂直接收阵列系统。该系统在硬件电路主要包括三个部分:信号调理电路;供电单元;数据采集存储单元。信号调理电路主要就是对模拟差分信号进行滤波放大;供电单元要实现整个系统不同设备不同电压隔离供电的功能和附加一些必要的功能;数据采集单元负责将调理后信号进行采集并存储到网盘。在软件功能实现上,本系统采用了LabVIEW在NI cRIO上多线程的编程方式,实现多通道数据同步采集功能。
  在本文最后部分对系统模拟电路部分和整套系统进行了测试评估,并将系统应用于黄海和南海某海域进行了外场实验,获取宝贵数据,验证了该系统在功能实现上可实现10kHz采样率连续同步采集噪声信号,稳定工作50小时以上,远程作业,自容式数据存储等功能。
[硕士论文] 郝爽
水声工程 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:海洋蕴藏着大量的的能源、生物资源和矿产资源,将会是人类未来生活的主要场地。近年来,由于人类活动和近海海域逐步开发的需求,浅海声学问题又成为了海洋声学研究的重点。潮汐是近海岸海洋环境中的重要影响因素,因此获取潮汐流流速,掌握其分布及流动规律,可以有效服务于各种海上活动。
  本文基于射线理论推导了运动介质中的程函方程,建立了运动介质中的声线传播模型,通过对模型方程的求解得到声线传播轨迹和传播时间,讨论了运动介质对声线传播轨迹的影响。通过仿真实现了本征声线的跟踪和传播时间计算。在此理论模型的基础上建立双向声传播实验模型,利用声线的双向传播时间差与流速的关系构造代价函数,用量子粒子群算法得到方程的最优解,从而得到反演的流速。通过仿真验证了该方法的可行性,并分析了阵元个数、阵元间距和水平接收距离等因素对反演结果的影响。仿真结果表明,该方法能够比较精确地反演潮汐流流速。用于反演的时间参数对流速变化敏感,流速越大,反演的精度越高。而且,本文还验证了该模型适用于浅海环境下较远距离的测量。最后利用本文的流速反演方法对海试数据进行处理,反演的流速结果与测量结果非常接近,较好的反映了实验海域流速的垂直分布结构。
[硕士论文] 王志宇
水声工程 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:海洋中声信号传播过程中,会受海洋环境的影响,海洋动力参数与声学参数之间存在一定耦合关系。为分析声场与动力场之间的耦合关系,本文中研究了基于浮标的海洋动力参数获取与实时传输技术。
  本文通过对水下数据传输技术、无线通信技术的研究,基于浮标系统设计了合理的数据传输链路:水下采用链式耦合数传链路,水上采用基于电台的无线数传链路,浮标主控单元以超低功耗的MSP430作为处理器的,存储模块采用SD。在低功耗的同时,做到了通信速率高、数据传输稳定可靠、布放方便、成本低廉。通过16个温深测量仪(TD)、4个温盐深测量仪(CTD)和1个声学多普勒流速剖面仪(ADCP)对海洋垂直结构温度、压力、盐度、流速在内的海洋动力环境参数进行采集,并通过数传链路实时传输至岸站。
  通过实验室测试,确认了链式耦合传输及无线通信的数据可靠性与有效性,并通过串口监控器监测软件控制流程,不断修复漏洞以提高系统稳定性。经过实验室拷机测试,确保系统稳定可靠后,在南海进行了海试实验。在南海海试中,系统无故障连续工作35天,正确获取了试验海域不同海深的温度、盐度、流速信息,水下数据信息能够通过耦合传输链路传输至水面通信浮标,并传输至岸站进行声场-动力场耦合。海试结果表明系统达到了设计功能和技术指标要求,工作稳定可靠。
[硕士论文] 付承涛
控制科学与工程 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:波浪是海洋水文观测的六大重点要素之一。鉴于我国海洋技术发展较晚,技术水平有限和历史条件等原因,在浮标检定装置领域我们的技术水平亟需提高。到目前为止,采用旋转式正弦模拟校准方式是目前世界上比较认可的检定方法。本文在吸取国内外经验的基础上以NMI双臂式旋转架结构为基础设计了一套双旋臂式波浪浮标检定装置。
  首先对机械系统进行了详细设计,设计了系统的技术指标,阐述了系统的工作原理,详细介绍了系统组成、给出了系统关键部件的选型以及安全联锁保护措施。
  其次对系统结构强度进行校核分析,完成对系统关键部件应变分析。通过建立结构力学模型,对轴向拉力强度、悬臂梁的横截面正应力、轴向压力挠曲及悬臂梁的变形进行校核。
  再次设计了电气控制系统。提出了电气控制系统设计技术方案,包括系统功能、控制模式、相关参数要求和电气控制部分设计明细的设计。讨论了电气控制系统详细设计,完成对波浪浮标检定装置电气控制柜和操作台电气控制系统设计。
  最后设计控制系统软件设计及对系统进行调试。系统软件设计了PLC控制程序和上位机监控软件,设计了系统调平控制算法。经过对系统进行初步调试,系统运行正常,各项性能达到设计要求。
  设计的装置可模拟测波浮标在海面上的运动轨迹,通过对旋转臂卡具托盘上浮标运动特性的数据采集,来测量校正波浪浮标传感器的准确性,保证了浮标数据的准确性。装置还具有电气自动化功能,提高了浮标的检定效率,避免了繁琐的人工劳力,系统设计力求满足除浮标安装和拆卸过程外,整个检定过程无需人工干预,保证系统操作与检修方面达到了便捷要求。
[硕士论文] 孔繁增
控制科学与工程 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:随着对海洋资源和环境的勘探日益趋向深海区域,传统的单卷筒绞车无法同时完成探测仪器收放和数据传输任务,因此集设备收放和通讯功能于一体的光电复合缆绞车得到了国内外的高度关注。目前,解决设备收放与数据传输矛盾的方法是将设备的牵引和光电复合缆的储存进行结构分离,选取合适的控制算法对光电复合缆绞车的储缆系统进行设计,实现对绞车储缆系统的变转矩、恒张力控制。同时,国产绞车大多采用液压作为源动力,与液压绞车相比,电动绞车具有体积小、结构简单、故障率低等优点。本文设计并完成了一种电动绞车储缆系统的控制方案,具有重要的价值和工程意义。
  首先,从光电复合缆绞车的构成、结构、功能入手,分析光电复合缆绞车储缆系统工作原理,设计储缆系统的控制策略和方案,推导储缆系统传递函数。并考虑系统效率、功率损耗等实际因素,对储缆系统主要部件进行选型计算。
  其次,采用AMEsim与Simulink对绞车的储缆控制系统进行准确的建模和仿真。在分析异步交流电机矢量控制原理的基础上,建立储缆电机的数学模型和Simulink仿真模型。同时,在AMEsim中分别建立储缆卷筒和排缆机构的仿真模型,完成仿真模型中的参数计算。在控制系统仿真中,通过分析储缆系统在启停、海浪干扰、牵引绞车变速等情况下的动态响应,研究储缆绞车的恒张力控制性能和排缆机构的跟踪性能,比较排缆机构的速度和位置两种控制方式,分析速度和位置两种控制的优劣及适用范围。仿真结果表明储缆系统在各种情况下均有良好的性能,速度控制方式与位置控制方式相比具有适用范围广的优点。
  最后,根据储缆系统的AMEsim与Simulink联合仿真结果,采用西门子系列PLC、变频器做为储缆控制系统的控制模块,构建了绞车的储缆控制系统,完成了硬件组态和通讯设置,并编制了储缆绞车的控制软件以及人机监控界面。
[硕士论文] 胡璞
控制科学与工程 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:海浪是海洋运动过程中的最常见的波动现象,对海浪运动参数的测量和分析是研究海洋环境要素的基础工作。不管是对海洋资源的开发,还是对海上交通运输业来说,对海浪运动参数的测量都具有十分重要的意义。为了实时测量海浪的高度和周期等参数,本文选用TI系列高性能DSP、FPGA、MEMS惯性传感器以及无线传输技术,设计并实现了一种能够实时监测海浪特征参数的监测系统,主要完成了如下工作:
  (1)完成海洋环境监测系统的整体结构设计。包括平台的三维结构设计、用于制造测量平台的材料选型、海浪运动参数测量系统的三维结构、用于保护信号处理单元的密封舱结构、以及平台系统的供电系统,并最终完成了测量平台各个部分的制造。
  (2)完成海浪运动参数测量系统的硬件设计。包括测量系统的物理结构设计、测量系统所需惯性传感器的选型、测量系统双核CPU设计,系统外围设备接口的硬件电路设计,并最终完成硬件电路的焊接、调试等工作。
  (3)完成海洋运动参数测量系统的信号处理单元的软件设计,包括在FPGA端完成陀螺仪和加速度计的数据采集、AD7606底层驱动的实现、系统对外接口的功能。在DSP端实现二次引导程序的设计,完成DSP和FPGA之间的数据交换等功能。
  (4)完成海浪运动参数的相关算法设计,包括对测量平台的实时姿态进行解算、对加速度信息实现从惯性坐标系到当地水平坐标系的转换、设计自适应滤波器对采集到的加速度信息进行滤波处理、对加速度信息进行二次积分得到实时的海浪参数。
  (5)完成系统的实验验证工作,对本文所设计的测量平台系统及其算法分别进行了六自由度摇摆台实验和海试实验。实验结果表明本文所设计的测量平台性能良好,能够对局部海域的海浪运动参数完成实时准确的测量。
[硕士论文] 刘燕欣
控制科学与工程 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:海洋表面皮肤层温度作为海气交界面上最重要的参数之一,不仅仅是全球气候的温度计,它在环境科学,农业渔业,能源开发甚至是军事方面都起着不可取代的作用。国内外普遍使用卫星遥感测量手段来获取大范围的海洋表面皮肤层温度,但卫星遥感受环境影响大,无法满足世界气候研究计划研讨会规定的0.3K精度要求。目前,对高精度海洋表面皮肤层温度的获取主要依靠船载红外遥感的测量手段,但因其造价高、性价比差,至今尚未普及。因此,本文旨在设计一款可满足0.3K精度要求且成本低的船载海表皮温测量装置。
  首先,本文根据海洋表面温度垂直结构化分与海洋环境的特殊性,提出海表皮温测量装置的总体设计方案及器件选型时的技术指标,设计具有防潮、防雷、隔热等功能的硬件结构以减小环境破坏。本文开发装置配套的系统软件包,按层次将其架构成硬件驱动层、数据调度层、业务层和应用层四层,并划分软件为面向装置硬件结构的下位机采集软件和面向操作者的上位机远端监控软件两部分。采集软件被嵌入到装置核心板卡中,包含硬件驱动层和数据调度层两层,负责驱动硬件电路、调度采样数据。远端监控软件安装在上位机中,包含业务层和应用层,可远端控制装置启动、断电、采样频率等功能,以人机交互界面形式实现海表皮温度值、风速、观测角等数据的可视化与存储管理功能。
  其次,在测量数据处理方面,本文针对测量过程中的噪声干扰,采用中值平均滤波方法剔除异常数据,抑制周期性噪声。针对使用黑体炉标定测温装置时辐射率修正困难这一问题,本文使用温控水槽取代传统黑体炉对装置进行标定以减小误差。针对实际使用中可能存在多路装置同时测量的需求,通过对多种数据融合算法效果的综合比较,本文选择容错性更强的加权自适应融合算法,将各装置采集数据融合成一路。
  最后,通过室内温控水槽试验检验装置精度。通过室外不同观测角、不同风速、不同强弱太阳辐射来考察环境因素对海表皮温的影响。实验证明,本装置精度优于0.3K的设计指标要求,且具备一定的抗环境干扰性。
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