石墨烯/纳米银对Ag/AgCl海洋电场探测电极的改性机制研究

针对不同含量石墨烯/纳米银改性的Ag/AgCl电极分别进行交流阻抗、扫描电镜、吸水率和电位稳定性测试。实验结果表明:随着石墨烯/纳米银含量的增加,改性Ag/AgCl电极的界面结构参数弥散系数C_(dl)-P增大,电容值C_(dl)-T减小,动力学特征参数电荷转移电阻R_(ct)先减小后增大。基于交流阻抗测试得到的电极动力学特征信息及界面结构信息与电极的扫描电镜、吸水率以及电位稳定性测试结果基本吻合。石墨烯/纳米银对Ag/AgCl电极的改性主要体现在提高电极的表面均匀性和导电性,但是降低了电极的孔隙率,这3个方面影响的协同作用反映了石墨烯/纳米银对Ag/AgCl电极改性的内在机制。

基于时差法的低功耗超声波三维海流测量系统

声学时差海流计具有高精度、高采样率、无盲区和不受海洋散射条件限制的优点,目前国内尚无时差海流计系统样机以及核心部件(四声道双晶换能器)的报道。为了实现对海洋矢量流速的长期精确测量,设计并研制了基于时差法的低功耗超声波三维海流测量系统,构建了四声轴三维矢量流速测量模型,通过有限元仿真设计并制备了小体积异形异构V形双晶换能器。系统采用低功耗STM32L431和MSP4306288为主控芯片,由TDC-GP22高精度时间测量模块、换能器驱动电路、低功耗放大滤波电路、SD卡存储模块等组成测量电路,通过测量换能器4个声轴上的超声波飞行时间差,得到海水的三维矢量流速。系统采用低功耗硬件系统设计,配合软件低功耗管理降低系统功耗。经实际测试,所研制的三维海流测量系统具有测量准确、低功耗、存储方便等优点。

一种基于波浪能的海洋立体观测系统及应用

随着海洋波浪能发电技术的发展和成熟,其在海洋观测领域的应用受到关注和研究。自主设计并研制了一种集波浪能发电、海表/海底同步观测、实时4G通信传输、远程无线控制于一体的海洋立体观测系统,于2021年7月在珠江口万山岛海域通过锚泊系留方式布放,开展海上波浪能供电和观测应用试验。海试期间连续获取了海底原位观测视频数据,以及海表波浪变化和波浪能发电参数等监测数据,并对波浪能发电电流、电压和功率进行了统计分析,讨论了波浪能发电水平受波浪变化的影响,分析了两者之间的相关性。试验结果表明:利用波浪能供电的海洋观测系统具备连续、长周期、全天候观测的优势和潜力,源源不断的波浪能可保障海洋观测系统的稳定观测和数据可靠传输,实现了海洋观测系统长期独立运行所需的绿色高效供能,验证了波浪能在海洋观测领域应用的可行性和先进性。

声学释放器机械释放单元多域物理建模与试验研究

声学释放器机械释放单元的释放过程决定着声学释放器的释放成功率。为验证研制的声学释放器机械释放单元样机的释放过程和使用性能,采用基于模型设计的方法,建立声学释放器机械释放单元的多域物理模型,通过仿真试验验证声学释放器机械释放单元的结构性能,并对声学释放器机械释放单元样机进行压力釜、抗负载拉力试验和万米海试。结果表明,通过仿真试验、压力釜试验、抗负载拉力试验和万米海试,证实了研制的声学释放器机械释放单元样机可以在最大工作深度11 km和最大有效载荷10 t的工作条件下实现释放功能。

基于真实海况的复合摇摆测试系统研发

针对海洋仪器复合摇摆测试采用不同自由度摇摆试验严酷等级加权进行,与真实环境有一定差距的问题。文中在现有六自由度摇摆台基础上,研制船舶姿态采集单元,获取船舶姿态的连续记录数据;根据船舶姿态数据特征,以VB.NET为程序设计语言,选用Microsoft Access数据库,开发复合摇摆测试系统,用于存储船舶姿态信息,并根据用户需求获取相应船舶姿态的运动谱,通过六自由度摇摆台复现船舶运动。实例证明该方法更为合理可行。

我国海洋观测仪器设备体系化发展研究

海洋观测仪器设备是国家海洋综合实力的重要体现,是确保业务化海洋观测网有效运行的重要手段。虽然近年来我国海洋观测仪器设备在海洋观测网建设中发挥了重要作用,但与世界先进海洋国家相比仍存在一定差距。本文以海洋发展需求为牵引,建立了天空基、岸基、海基、海底基的多层级海洋观测仪器设备体系框架;梳理了我国各类海洋观测仪器设备的发展现状,阐述了我国海洋观测仪器设备发展在体系建设、传感器建设、测试验证平台、标准等方面存在的问题,提出了加大装备国产化研发力度、建立评价标准和方法、开展现场比测及加强高技术成果应用建议,为我国业务化海洋观测网建设发展提供参考和借鉴。

水声阵列探测系统关键技术及功能实现研究

随着科技水平的全面提升,海洋资源的探测和应用得到了社会各界的高度关注。基于此,本文针对水声阵列探测系统关键技术及功能实现展开深入探讨,重点分析了水声阵列探测系统关键技术运用要点,并从系统构成、运行原理以及关键技术三个方面,详细分析了系统原理,提出了该技术的使用路径,数据自检功能的实现方式,对于水声阵列探测系统的研究,以及海洋探测技术的发展有着积极作用和重要价值,以期能够为相关技术人员提供有效参考。

基于能量熵VMD最优分解与GRU循环神经网络的潮汐预测精度提升方法研究

为进一步提升潮汐预测精度,提高预测模型的多适应性,针对低频潮汐分潮智能化自适应提取困难、动态化处理分潮信息能力弱、单一预测模型对潮汐整体预测的局限性等问题,提出了一种基于能量熵的自适应最优变分模态分解VMD与门控循环单元神经网络GRU相结合的潮汐预测提升方法。首先,将潮汐数据归一化预处理,通过VMD对潮汐数据完成自适应变分模态分解,并根据不同分解层模态分量的能量熵判定最优分解层数,最后将最优分量标准化后经GRU单独预测合成,通过反归一化形成最终预测数据。经验证分析,在潮汐预测方面,GRU模型比LSTM、BiLSTM模型性能更优,均方根误差分别提升了53%和96.8%,而本文方法与单一GRU模型相比,均方根误差再次提升了81.3%,预测精度提升效果更加明显,对于潮汐分析与预测具有较高的推广应用价值。

海洋电场传感器综述

海洋电场检测在水下目标定位、海底资源探测和海底构造地质结构探索等方面具有独特优势,是近年来海洋电磁场认知领域的热点技术。从海洋电场勘探或水下目标检测的核心部件——传感电极入手,首先总结了国外关于主要的两类海洋电场传感电极——Ag/AgCl和碳纤维电极的研究水平;然后,简述了国内具有代表性的科研单位和高校在这方面具有代表性的研究进展;接着,详细介绍了电极的性能评价方式、可能的传感机理,以及信号调理电路;最后,提出了现有海洋电场传感器所面临的关键问题和可能的解决建议,从电极的精准调控、机理模型、电路设计和算法补偿等多方面制备高精度、高稳定性的海洋传感器,并建立统一的评价标准,为国内海洋电场传感器从实验室走向实用化提供建议。

高精度海洋观测浮标运动测量系统设计与试验

海洋浮标受海洋动力环境影响产生运动,会对平台及仪器的可靠性产生影响,甚至会导致测量误差,影响海洋观测浮标工作安全性和数据质量,因而浮标运动姿态的精确测量研究具有重要价值和意义。本文通过搭建微型惯性测量单元(MIMU)与全球导航卫星系统(GNSS)结合的硬件系统,获取浮标运动姿态相关数据,并采用载波相位平滑滤波模型进行数据预处理,融合最小二乘降相关算法(LAMBDA)解算浮标姿态数据,获取高精度动态浮标姿态。经过摇摆台模拟比对实验,系统姿态角均方根误差小于0.5°,水平速度均方根误差小于0.05 m/s。通过实际海试实验,尤其是台风过境期间系统的测试结果,证明该系统工作稳定可靠,无数据发散现象,整体有效数据达到了95%以上。

海洋环境多参数在线监测系统设计与实现

近海频发典型生态灾害,因此海洋环境监测技术的研究显得尤为重要。为了解决海洋环境的监测困难问题,研发了1套可以实时在线监测的海洋环境多参数在线监测系统。进行了系统整体设计,构建了以多海洋环境参数传感器为主要检测对象的数据自动采集与管理系统。对于系统的软件部分,考虑到数据采集需要不断更新海水环境,特别设计了具有可编程逻辑控制器(PLC)控制能力的自动化采集流程,并通过Modbus总线技术、数据库技术实现了完整的数据采集存储与历史记录查询。现场测试结果表明,系统达到设计指标,能够很好地实现海洋环境多参数的实时监测和试验对比。目前,系统已应用于海洋监测站、实验站等多种场景,具有实用价值。

海洋上层高分辨率温度链观测系统设计

为满足海洋上层温度数据高分辨率实时观测需求,本文设计出一种成本低、体积小、精度高的温度链观测系统,可搭载于调查船、浮标等多种海洋观测平台,具备高分辨海表温度数据实时观测功能。本文介绍了温度链系统架构的整体设计,阐述了温度传感器的高精度测量原理与方法,采用RS-485通信方式并设计出一套适用于温度链的软件通信协议,通过标定、均一性测试、稳定性测试验证了传感器的测量性能,研制出总长200 m的温度链观测设备,设备带有10个测温节点,传感器节点初始测量精度优于±0.005℃,温度链采样间隔最短可达2.7 s。本温度链在我国南海进行了拖曳功能测试,试验结果表明:温度链海上作业通信稳定可靠,数据测量准确,满足海洋现场观测对数据高时效、高精度、低误码率的传输要求。

压力容器水位测点信号扰动问题研究

反应堆压力容器水位测量结果反映堆芯装水量的变化,用于监测堆芯是否裸露失水,为事故后工况下的一回路热工水力状态提供重要信息。某核电厂热态功能试验期间,一回路首次充水过程及半环路液位运行工况下,出现堆芯上部水位低报警信号频繁跳变问题,干扰机组操纵员对于一回路水位状态的判断。通过对压力容器水位测量原理进行深入研究,并根据水位探测器组件所处热工环境,对水位信号扰动问题作传热分析,确定该问题的根本原因。制定了优化水位测量系统加热电流函数的试验方案。结合实测数据进行分析,论证了优化加热电流方法的可行性,并给出解决方案。鉴于水位测量技术成熟,在仪控领域应用较广,该研究成果可为液位监测系统异常问题的处理提供借鉴。

新型海洋电场探测电极的制备及性能研究

为改进碳纤维电极低频电场响应能力差、无法快速稳定的问题,采用浓硝酸氧化+接枝N-(β—氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH—792)的改性方法,制备了一种新型碳纤维海洋电场电极,并探索了碳纤维电极的电化学性能以及电场响应性能在改性前后的变化,并通过表征手段研究了改性前后电极表面形貌及官能团变化。结果表明:浓硝酸氧化过后的碳纤维表面粗糙程度加深以及表面积增大,接枝KH—792后,改性碳纤维表面引入氮氧官能团,表面活性提高。电场响应测试结果表明:改性电极对的低频容抗现象改善,且不需要额外的稳定时间就能够正确响应1 mHz~1 Hz频段内的小信号,对电场强度为6.2 mV/m的发射信号,在频率1 mHz和10 mHz下,改性碳纤维电极对响应失真度分别为37.638%和12.246%,能响应完整的低频信号。

基于LabVIEW的深海气密采水器测控系统

现有常规CTD采水器测控系统自动化程度低、操作复杂。为此,基于LabVIEW软件开发了深海气密采水器测控系统,研究温度、盐度和深度测量原理,进行测控系统的硬、软件设计。2009年该测控系统在我国"海洋四号"科考船"HY4-2009-2"航次中成功应用,在中国海南试验中实现对深海气密采水器的快速、精确控制,并实时进行温度、盐度和深度等参数的采集、处理、显示和存储。海上试验表明,该测控系统具有测量与控制精度高、运行稳定可靠、自动化程度高、操作简便等特点,获得科研人员较好评价。该方法可推广到其他海洋仪器、设备的测控系统中应用。

一种抑制声呐图像散斑噪声的形态学滤波器

声呐图像散斑噪声抑制是声呐图像处理领域重要的难题。设计一种抑制声呐图像散斑噪声的形态学滤波器。该滤波器中,对于每一个尺度,利用不同方向的2种结构元素分别对声呐图像进行闭开、开闭运算,将运算结果以图像熵比值作为融合准则进行图像融合得到该尺度下的一级滤波图像;利用该尺度下另外2种不同方向的结构元素分别对一级滤波图像进行闭开、开闭运算,将运算结果以图像熵比值作为融合准则进行图像融合得到该尺度下的二级滤波图像。然后,将不同尺度下的二级滤波图像以图像熵比值作为融合准则进行图像融合得到最后的滤波图像。实验结果表明,与中值滤波、Lee滤波、Kuan滤波、Frost滤波等比较,设计的滤波器有更好的抑制声呐图像散斑噪声能力,而且不降低图像边缘保持能力。

星载长波红外焦平面成像系统

随着国产红外焦平面技术的发展,使用长波红外焦平面器件采用推扫方式对地观测的成像系统成为现实。文中介绍的星载长波红外焦平面成像系统是一个工作波段在8.0~12.5μm之间的对地观测相机,该相机采用两条256×1的长波红外焦平面探测器,60 K的深低温斯特林制冷机和同轴两反RC主光学系统的技术方案,通过设置合理的探测器冷屏、并采用-26°C的低温光学系统以及高性能的信息获取和处理电路,系统获得了较好的温度灵敏度,利用该相机获取了外景长波红外图像,这是我国利用国产的红外焦平面器件获取的截止波长大于12.5μm的红外图像。

基于高斯混合容积卡尔曼滤波的UUV自主导航定位算法

针对过程噪声为非理想高斯分布时无人水下航行器(UUV)自主导航定位存在噪声模型失配的问题,将高斯混合密度模型与容积卡尔曼滤波(CKF)相结合,设计了基于高斯混合容积卡尔曼滤波(GM-CKF)的UUV导航定位算法。建立了UUV运动模型及观测模型,利用CKF完成各高斯分量的预测更新,并将更新结果进行融合缩减与加权求和,从而实现UUV自主导航定位。通过与EKF、UKF和CKF算法仿真对比实验,验证了GM-CKF可以提高估计精度;通过UUV湖试试验,验证了基于GM-CKF的UUV自主导航定位精度和稳定性优于传统算法,其计算时间满足实时导航定位的要求。

基于循环平移和DTCWT的声呐图像滤波方法

声呐图像散斑噪声的存在严重影响声呐图像的人工判读和自动识别。声呐图像散斑噪声滤波是声呐图像处理领域的一个重要难题。双树复小波变换(DTCWT)因其具有近似的平移不变性、良好的方向选择性已被应用于图像滤波。但这种平移不变性的近似性使得DTCWT不能较为彻底地抑制伪吉布斯现象,而导致滤波后图像的边缘存在一定程度的模糊。为了减小伪吉布斯现象和声呐图像边缘模糊,将循环平移与DTCWT结合使用,提出一种基于循环平移和DTCWT的声呐图像滤波方法。实验结果表明,该方法在滤除声呐图像散斑噪声的同时能够较好地保持声呐图像的边缘。

深海海底观测网络远程电力监控系统研究

为了实现对深海海底观测网络的观测传感器电能供给状态的在线实时监测,提出了一种基于水下接驳盒的远程电力监控方案。设计了电力监控系统的总体结构和接驳盒节点的硬件结构。监控系统以水下接驳盒为核心节点,通过光以太网进行远程通信,采用霍尔电流传感器和热敏电阻温度传感器相结合的方法,实现了对各种海底观测传感器的电流、温度监测和电能分配控制。实验测试证实了所设计的水下接驳盒装置是可靠的,同时也说明该监控系统能够应用于深海海底的高压特殊环境。