海流探测仪器与技术研究现状及展望

精准、实时的海流数据是海洋资源开发与利用、海洋科学研究等方面的重要输入参数之一。海流探测仪器按照测量原理主要分为机械式、电磁式、声学多普勒式和声学时差式4类传统海流计,以及当前结合了光纤传感等技术的新型海流计。在本文中,作者从探测原理、优缺点、应用领域、发展现状等方面对传统海流计与光纤类海流计进行了梳理与总结,展望了未来海流探测仪器的发展趋势,并提出了一种基于连续时差法的光致超声测流方法。旨在对海流计的开发与研究提供借鉴与参考,在增进海洋探测技术的发展、加快实施海洋强国战略中具有一定的意义。

面向海流反演的多普勒散射计天线转速优化方法

本文针对多普勒散射计天线转速过快或者过慢导致海流反演精度较低甚至无法进行海流反演的问题,提出了一种面向海流反演的天线转速优化方法。该方法以研究区域内被天线波束覆盖3次或者4次的目标海面数量为目标函数,以顺轨与交轨方向的波束足印连续性、空间分辨率要求作为约束条件,结合天线转速与天线扫描损耗的关系,建立了非线性约束下的多普勒散射计天线转速优化模型,利用优化得到的天线转速计算得到每个目标海面的观测方位向组合。利用海洋表面流实时分析数据,采用基于观测方位向优选的矢量流合成方法进行了海流反演实验。结果表明,在天线转速为20 r·min^(-1)时,不同研究区域内被雷达内、外波束足印覆盖到3次或者4次的目标海面数量占总目标海面数量的80%以上,反演得到的流速、流向标准差小于0.1 m·s^(-1)、20°,满足海洋工程应用对海流观测的精度需求。

海流对水下航行器运动及载荷影响研究综述

水下航行器不仅在民用领域扮演着重要角色,在军事领域内也同样得到了广泛应用,具有广阔的应用前景。但水下航行器在航行过程中易受海流环境的影响,使其水动力参数呈现不确定性,进而导致运动姿态控制困难,航行发生偏移,增大航行成本,甚至还会影响到水下作战任务的完成以及碰撞事故的发生,危及航行安全。在梳理不同水下航行器在海流作用下的水动力学研究现状的基础上,讨论水下航行器应对海流干扰的控制方法,并对海流作用下水下航行器的发展方向进行展望,为研究复杂海流对水下航行器水动力参数的影响机理和控制器的设计提供一定的参考。

基于改进WOA-MP算法的多普勒海流计回波信号频率估计研究

受海洋环境复杂干扰影响,多普勒式海流计的超声波回波信号易受干扰影响,包含多种频率成分,这给海流流速信息的解算带来困难。为解决多普勒海流计回波信号频率估计精度较差的问题,提出一种基于信号匹配追踪(MP)的频率估计方法,并融合改进型鲸鱼优化算法(MWOA)提高估计过程的效率。该方法利用混沌映射提升初始种群多样性,并引入自适应权重和非线性收敛因子提高算法局部寻优能力、搜索速度和求解精度。而后,对改进算法与其他优化算法进行对比测试,结果显示所设计改进算法在收敛速度和寻优能力上具有有效性和优越性。此外,通过对多普勒回波信号进行特征重构,开展MWOA-MP算法在噪声环境下的频率估计精度性能测试。在回波信号信噪比为–10 dB条件下,MWOA-MP算法相对传统方法抗噪声能力提高30%。与其他智能方法融合MP后的频率估计算法相比,MWOA-MP算法的估计误差在10 Hz以内,可满足多普勒海流计频率测量精度要求。

基于改进PSO-Lévy算法的海流环境下AUV节能路径规划

为了获取海流环境中自主水下航行器(AUV)的节能避障路径,建立了包含海流场速度信息和水下地形障碍的三维动态海流环境模型;基于航行能耗、AUV机动性能约束和障碍物约束,建立增广目标函数,提出了一种基于权重调节机制和随机游走特性的改进粒子群优化-Lévy(PSO-Lévy)算法。将基于最佳阻尼比的参数调节策略和基于Lévy-flight过程的步长随机游走策略引入PSO算法,通过概率执行粒子大步长游走操作以及对粒子惯性速度进行调控,弥补了PSO步长短、跳出局部最优能力弱的劣势。仿真结果表明,所提出的算法能在有效避开障碍物的同时利用海流信息规划出低能耗的最优路径。

海上风电场工程海流设计流剖面计算模型研究

为满足海上风电场工程设计与建设需要,研究合理可靠且简单易行的海流设计流剖面计算方法十分必要。基于海流成因及组成项分析,本文提出采用潮流、风海流与设计波生流的矢量求和,并考虑综合安全系数的海流设计流剖面计算模型。风海流由季节性的盛行风持续吹拂海面形成,波生流则由大风引发大浪生成。波生流分层流速计算采用基于Stokes二阶波的非周期性项Russel-Osorio修正式,适用于海上风电场所在的深水区及绝大部分过渡区,由其参与组成的海流不会对波流共同作用下的波浪荷载重复计量。根据工程海域水文气象条件经分层计算组成设计流剖面,可避免简单流剖面模型的经验性与任意性。研究结果有利于合理确定海上风电场及类似工程的海流载荷与基础冲刷的水动力条件。

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。

基于循环相关熵估计海流计多普勒频移

声学多普勒海流计基于脉冲对算法允许非侵入式高分辨率速度测量,但在稀流和稠流环境下由于低散射和多次散射的原因,其回波信号通常信噪比较低,导致多普勒频移估计变得困难。为了更好地估计回波信号的多普勒频移,文章在脉冲对算法的基础上,引入循环域信号处理方法,并建立了最大循环相关熵算法来估计多普勒频移。根据海流计的硬件结构及其基本工作原理建立了海流计的相干散射回波仿真模型和实验样机,利用仿真数据和实验数据对脉冲对算法和最大循环相关熵算法进行测试。测试结果表明,与脉冲对算法相比,所提出的最大循环相关熵算法不仅在低信噪比时有着更好的多普勒频移估计效果,而且在瞬时速度估计方面也有很大的潜力。

一种变工况下海流发电机叶片附着物检测方法

针对流速变化使得变工况下海流发电机叶片附着物故障特征模糊、鉴别性差的问题,提出一种基于自适应频率正比采样(APFS)的叶片附着物检测方法。首先,采集不同工况下海流发电机电流信号,通过希尔伯特变换提取出定子电流信号的瞬时频率;然后,利用瞬时频率与采样频率比值变步长采样瞬时频率序列,将非稳定瞬时转动频率转变为稳定值;最后,利用排列熵设置采样迭代停止阈值,将重采样后的瞬时频率序列作为故障特征划分为样本矩阵,建立主成分分析检测模型以实现附着物检测。基于0.23 kW海流发电样机的实验平台被搭建用于验证所提方法的有效性,实验结果表明,所提算法在对抗流速变化下引起的海流发电机变工况问题中,误报率低至0.25%,具备较高检测精度和鲁棒性。

基于在线海流数据的自然能驱动无人艇能源最优路径规划

为了有效地利用在线监测到的海流和风数据,减少能源消耗以提高自然能驱动无人艇的续航力,以“驭浪者”号自然能驱动无人艇为研究对象,提出一种基于在线海流数据的能源最优路径规划方法。通过“驭浪者”号实船试验得到的最小回转半径对粒子群算法进行改进,设计距离最优的路径规划算法。考虑到海流和风对“驭浪者”号能源消耗的影响,建立海流和风影响下能源消耗模型;在静态海流环境中,以能源最优为目标对粒子群算法进行改进,探索能源最优的路径规划算法。根据“驭浪者”号在线监测到的海流和风信息,得到随时间-空间变化的动态海流数据,对能源最优的路径规划算法进行优化,提出基于在线监测海流数据的能源最优路径规划算法。通过仿真试验,对比距离最优的路径规划算法和基于在线监测海流数据的能源最优路径规划算法在相同工况下能源消耗情况,验证所提出算法的可行性和有效性。

海流废水检测和污染源研究

为应对全球海洋和淡水生态系统面临的前所未有的污染压力,本文针对农业、工业和城市排放等主要污染源进行了深入探究。首先详细分析了总氮、硝氮、亚氮、氨氮和硫化物等关键污染物的检测方法,重点介绍了紫外分光光度法和气相分子吸收光谱法,随后探讨了农业源、工业源、城市排放以及综合污染的控制策略,希望能够为有效管理和水体污染的治理提供科学的依据与参考。

海流能利用技术研究进展与展望

首先介绍了海流能的定义、成因和我国海流能资源的分布情况,在此基础上,指出海流能的主要利用方式是发电,然后介绍了国内外利用海流能发电的发展进程。从海流能发电站、发电装置和所涉及的一些关键问题等方面阐述了海流能发电技术的研究现状,最后对海流能开发技术的发展趋势和前沿技术进行了展望,指出未来的海流能发电将向大型化发展。

海流计发展现状与发展趋势展望

从机械海流计、电磁海流计、声学多普勒海流计、声学时差海流计4方面总结国内外海流计的发展历程和研究现状,分析比较各种海流计的技术特点和适用场合。展望海流计的发展趋势,为海流计的设计开发和研究应用提供借鉴和参考。

基于相似准则的同功率海流机及风力机叶轮设计与试验

为降低海流机的测试成本并缩短测试周期,研究海流机与风力机设计与测试的关联性。依据相似准则,采用风力机叶片设计方法分别设计300 W海流机变弦长叶轮和等弦长叶轮。由雷诺数相等得出水流与空气的额定流速比为1∶10,由叶尖速比相同得出叶轮额定转速。分别采用车载试验与水槽试验对两种机组的功率输出进行测试。等弦长叶轮型机组达到额定功率时的风速8.31 m/s,水流速度0.90 m/s,流速比接近1∶10。在车载和水槽试验中,两种机组的雷诺数均在同一数量级,叶尖速比的比值均略大于1。结果表明两种机组都达到了设计要求,所以用此方法设计海流机是可行的。

基于粒子的珠江口海流可视化方法研究

以珠江口海域为研究区域,设计了一种基于粒子的海流可视化数据预处理方法,即采用改进的点中心缓冲区抽稀算法对海流数据进行抽稀;利用海流数据矢量合成计算方法将海流点数据转换为粒子数据,设计特定JSON数据结构进行数据存储。完成数据预处理后,通过搭建海流粒子动态可视化展示平台读取JSON数据,实现了NetCDF格式的海流数据以粒子形式时空动态可视化效果,解决了海流可视化静态、不直观的问题。

琼州海峡西南部秋季海流特征分析

为深入了解琼州海峡西南部海域的潮流特征,采用准调和分析方法对2022年秋季琼州海峡西南部实测海流资料进行分析,得到潮流性质、潮流特征和余流特征,并计算潮流最大可能流速。结果表明:琼州海峡西南部潮流以规则全日潮流为主,近岸则为不规则全日潮流,潮流运动形式为往复流;涨潮流以西向流为主,落潮流以东向流为主;潮流最大可能流速为0.85~2.58 m/s,方向为W-E、SW-NE;余流流速在0.01~0.23 m/s之间,余流流向以西向为主。本研究丰富了调查海区水文资料,为该海域开发利用和通航安全等提供基础数据。

海流计的发展现状及其应用

为解决海流计在实际应用中存在的部分专业术语不规范、译名不统一和归类有差异等问题,促进海洋观测仪器的发展和应用,文章参照相关标准规范、权威专著和专业文献等资料,根据海流计的工作原理和使用性质,结合业界实践经验,系统梳理各类型海流计的命名、分类、适用范围、特点和发展方向等内容。研究结果表明:海流计可定义为"一种用于测量海水流速和流向的仪器",根据工作原理主要分为机械式海流计、电磁海流计、声学海流计和其他海流计4个大类,不同类型的海流计各具特性;其中,机械式海流计主要包括厄克曼海流计、印刷海流计、照相型海流计、磁录式海流计、遥测海流计和直读式海流计,电磁海流计主要包括地磁场电磁海流计和人造磁场电磁海流计,声学海流计主要包括声学多普勒流速剖面仪、声学多普勒海流单点测量仪、声学多普勒流速仪和时差式声学海流计,其他海流计主要包括激光多普勒测速仪、电阻式海流计、应变片海流计、倾斜式海流计、粒子图像测速仪和海洋湍流剖面仪。

海流作用下潜水器运动仿真研究

深海潜水器仿真模拟器成为预报深海潜水器运动的有效工具。深海作业环境复杂,深潜器常常受到海流的干扰作用,本文以某深海潜水器为研究对象,建立海流作用下的深海潜水器运动方程。在仿真过程中,通过MFC对话框可输入干扰海流的信息,从而可模拟研究深潜器在实际航行中遇到海流的运动响应。本文对海流干扰下的直航运动和回转运动进行仿真,通过和无海流工况下的运动进行比较,可以看出海流对横向运动影响较大,为避免横向漂移,深海潜水器顶流航行,可降低海流的影响;海流干扰下的回转轨迹相对静水中产生了较大的横移,但海流对回转直径的影响不显著。该研究可为实际操纵提供参考,具有一定的工程意义。

投弃式海流电场剖面仪研制

本文分析了投弃式海流电场剖面仪的发展,简介了海流感生电场的基本原理,提出了投弃式海流电场剖面仪的技术方案.根据投弃式海流电场剖面仪的实际需求,研发了XCP海流电场传感器,并通过XCP探头的自旋转(16r/s),实现了将海流电场信号AM调制并频移至海流电场传感器的超低噪声频段,解决了在高噪声背景下快速测量纳伏级微弱海流电场信号.设计实现了XCP探头前端弱信号处理电路,对海流电场微弱信号进行滤波提取的同时可实现对海流电场同向分量进行硬件电路补偿,在一定程度上克服了XCP探头下沉引起感生电场的强干扰.在XCP探头内部采用SoPC技术实现对海流电场信号、罗盘线圈信号和温度信息的快速测量及其数字化处理,并将数字信息以UART协议及LVDS物理层数传方式发送到XCP浮筒端.开创了长度2km、直径0.1mm漆包线动态数据传输技术,解决了XCP探头和XCP浮筒之间的数字化数据传输问题.根据XCP探头所采集的海流电场信号与罗盘线圈信号的同相分量In、正交分量Qn、基线量Bn数据,研究了XCP探测方法,从而计算出了海流的东向与北向相对速度分量VEr、VNr.采用所研发的XCP,在我国南海海域首次采集到海面至海下千米深度的XCP海流电场信息和海洋温度信息.

水沙环境对海流能机组水动性能的影响

为了探究水沙环境下海流能机组的水动特性,首先采用CFD-DPM模型仿真沙粒对120 kW海流能叶片翼型升阻力系数的影响,再基于叶素动量理论(BEM,blade element momentum)计算水沙环境下120 kW海流能机组的捕获功率,最后从叶片设计的角度出发,提出了为能充分利用沙粒对海流能机组功率的促进作用以及尽量减小沙粒对海流能机组功率的削弱的方法。研究结果表明:当颗粒直径为20μm时,随着沙粒质量浓度的增加,沙粒能够促使海流能机组功率提升,当颗粒直径为2 500μm时,海流能机组功率因沙粒的存在而被削弱;随着翼型攻角增大,翼型升力系数增大,颗粒对翼型升阻力系数的影响程度增强,升阻力系数的变化量增加;小升力系数的翼型可以充分利用小直径颗粒对机组的功率提升,也可以降低大直径颗粒造成的机组功率削弱。