基于多传感器融合的波浪谱数据获取与传输方法研究

波浪谱分析是研究随机波浪、构建波浪模型、计算海浪要素的主要方法,也是海洋工程设计、波浪能应用研究等的重要依据。目前对于现场波浪数据的获取仅局限于波浪特征参数和部分频段数据,为了获取准确有效的波浪谱信息,提出微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)和全球定位系统(Global Positioning System,GPS)测波传感器相结合的波浪谱数据获取方法以及利用北斗短报文数据传输的通信方式。综合考虑波浪谱数据特点和北斗短报文通信能力,波浪谱数据选用半精度数据类型编码并设计了相应的数据传输格式。现场海试结果表明该方法对于全波谱数据计算和传输较为准确,有效波高、峰值周期、平均波向和方向扩展的准确率相比于单独GPS传感器计算结果分别提升了12.5%(0.1m)、5%(0.2s)、8%(13°)和13%(8°),为海浪观测资料获取提供了新方法和新思路,可以进一步满足海洋多要素研究和对完整频谱分析的实际应用需求。

基于自适应波谱斜率的海面风速反演算法研究

对于波浪谱风速反演研究,虽然已经建立了波谱平衡范围斜率为-4幂律的初步反演模型,然而对于复杂多变的实测波谱,单一斜率模型的反演效果不佳。针对可变波谱斜率的问题,通过量化波谱函数对应的谱系数,提出一种自适应波谱斜率的风速反演算法。为了验证该算法估算风的准确性,本文通过对NDBC浮标观测的大量风浪数据进行海面风速反演研究,结果显示自适应波谱斜率算法反演风速与实测风速相关系数R=0.83,呈显著相关,且平均偏差BIAS和均方根误差RMSE分别为0.75 m/s和2.48 m/s。通过近海海试实验验证表明该算法依然有效具有普适性。总的来看,自适应波谱斜率反演风速算法与实测风速之间误差相对较小,反演精度较好,为风浪观测和风浪研究提供了一种新思路,且该算法能够融合应用于海洋观测应用平台,使理论研究和工程实际相结合。

基于北斗卫星系统的深远海GPS波浪浮标数据传输研究

国家海洋技术中心研制的GPS波浪浮标仅需一个GPS接收机,无需其他辅助传感器,其功耗低、尺寸小、布放方便、测量精度高、适用于大范围的对波浪进行精细化观测。为了解决GPS波浪浮标在深远海应用中的数据传输问题,通过对比Argos、铱星、北斗三种卫星系统的特点,该设备优先选用了基于北斗卫星系统的数据传输方式。对系统构成、硬件电路设计、测量原理及数据传输流程分别进行了详细阐述。通过实验室实验和现场海上试验,特别是GPS波浪浮标在遭遇台风等恶劣环境下仍能正常通信,验证了北斗卫星系统在深远海数据传输上的可行与可靠性。

TiSiN/Ag纳米多层涂层的抗菌及摩擦学性能研究

采用多弧离子镀技术,在Ti-6Al-4V合金表面沉积TiSiN/Ag纳米多层涂层和TiSiN涂层,研究沉积涂层的结构、抗菌及摩擦学性能.利用X射线衍射仪(XRD),X射线光电子能谱仪(XPS)和透射电子显微镜(TEM)表征涂层的成分和结构,用纳米压痕仪测试涂层的硬度.采用Rtec往复式摩擦磨损试验机对涂层在海水环境中的摩擦学性能进行研究,评价了涂层对大肠埃希氏菌和枯草芽孢杆菌的抗菌性能.结果表明:与TiSiN涂层相比,TiSiN/Ag多层涂层表现出较低的摩擦系数;两种涂层在海水中磨损率远小于Ti-6Al-4V基底,其中,TiSiN/Ag多层涂层比TiSiN涂层在海水环境中表现出较低的磨损率;对TiSiN/Ag多层涂层进行24 h抗菌试验后,该涂层对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的抑菌率分别达到99.98%和100%.

基于近岸GPS RTK技术的潮位和波浪提取算法研究

由于潮汐和波浪的周期相差甚远,对实时海面高程数据进行相应的低通和带通滤波即可提取潮位和波浪信息。通过对仿真的实时海面高程数据进行平滑滤波、中值滤波、小波滤波等低通滤波,以及椭圆、巴特沃斯等带通滤波结果分析表明:近岸GPS RTK技术可用于潮位和波浪同步测量;对于潮位信息的提取方面,平滑、中值、小波等低通滤波均能很好的提取出潮位信息,其中平滑滤波最佳,且工程中易于实现;对于波浪信息的提取方面,椭圆滤波、巴特沃斯、切比雪夫Ⅰ型等带通滤波均能很好提取出波浪信息。

基于形状特征的XBT探头检测与识别研究

为改进国产投弃式温深仪(XBT)的下降速率公式,拟采用基于图像处理的方法测量其下落过程中的运动参数并分析,为此要实现XBT探头的自动提取。为实现视频图像中XBT探头的自动检测识别,提出了一种基于形状特征的目标检测识别算法。首先通过背景差分法去除背景噪声并阈值分割,采用连通区域的标记算子将二值图像标记为互不连通的待识别区域。然后提取连通区域的偏心率、致密性以及标记图构造描述目标的特征向量,通过计算各连通区域的特征评价函数,利用模糊综合评价方法识别XBT探头。最后对研究方法进行了物理实验验证。实验结果表明:用模糊综合评价方法能较好地在复杂背景下实现目标的识别,能够有效地在序列图像中准确的检测识别出XBT探头目标,为XBT运动参数的测量打下了基础。

基于北斗短报文通信的波浪谱数据传输方法

【目的】针对波浪浮标用北斗短报文传输谱数据时通信长度受限的问题,提出一种波浪谱数据传输方法。【方法】基于随机波浪理论,分析风力等级、波浪等级变化时的频谱分布特点,获得频谱成分的频率聚集规律;借鉴国外频谱传输方法及其经验,基于北斗短报文通信,开展波浪谱数据传输方法设计,并优化传输方式。【结果与结论】利用北斗短报文将0.05~0.35 Hz范围内波浪频谱数据仅以61字节实施基本传输,同时配置扩展能力。通过传输过程仿真测试、波浪浮标海上试验,证明本研究方法能满足波浪谱数据传输需求,北斗短报文可为海浪观测数据的实时传输提供一种新技术手段。

基于小型漂流平台的微型温湿测量系统

随着全球海洋立体观测系统延伸到深海和大洋,低成本、小型化、灵活度高的小型漂流平台将成为实现全球尺度的海洋环境要素高时空分辨率观测的重要手段。然而,现有温湿测量系统体积、重量条件难以满足小型漂流平台的安装需求,亟需对其进行有针对性的小型化、轻量化、防太阳辐射、防盐雾等方面的设计。这样既能通过降低风阻面积和平台顶部的力矩,减轻对平台运动姿态的影响;又能避免太阳辐射、盐雾对大气温度和相对湿度的测量造成干扰。本文研制的微型温湿测量系统经实验室试验验证后,搭载漂流式海气界面浮标开展了海上比测及观测应用,充分验证了系统各项性能。

基于近岸GPS RTK技术的潮位和波浪提取算法研究

基于实现潮位和波浪信息的同步提取目的,采用仿真方法来获得近岸GPS RTK技术测得的实时海面高程数据,鉴于潮汐和波浪的周期相差甚远,对仿真数据进行相应的低通和带通滤波即可提取。通过对仿真数据进行平滑滤波、中值滤波、小波滤波等低通滤波,以及椭圆、巴特沃斯等带通滤波结果分析表明:1)近岸GPS RTK技术可用于潮位和波浪同步测量;2)对于潮位信息的提取方面,平滑、小波、巴特沃斯低通滤波对仿真数据处理结果较好,经验模式分解(EMD)起始阶段结果较差,后续效果较好,效果最差的是中值滤波;3)对于波浪信息的提取方面,椭圆滤波、巴特沃斯、切比雪夫Ⅰ型效果较好,巴特沃斯Ⅱ型效果较差,equiripple和开尔文带通滤波效果最差。

融合颜色特征和对比度特征的图像显著性检测

图像显著性检测能够获取一幅图像的视觉显著性区域,是计算机视觉的研究热点之一。提出一种结合颜色特征和对比度特征的图像显著性检测方法。首先构造图像在HSV空间的颜色函数以获取图像颜色特征;然后使用SLIC超像素分割算法对图像进行预处理,基于超像素块的对比度特征计算图像显著性;最后将融合颜色特征和对比度特征的显著图经过导向滤波优化形成最终的显著图。使用本文算法在公开数据集MSRA-1000上进行图像显著性检测,并与其他6种算法进行比较。实验结果表明本文算法结合了图像像素点和像素块的信息,检测的图像显著性区域轮廓更加完整,优于其他方法。

白冠自动识别算法的比较、改进及应用研究

海洋白冠是一种典型的海表现象,对白冠覆盖率(WC)的研究具有重要的科学意义和实用价值。基于数字图像处理的白冠自动识别技术具有快速、高效、低成本和大批量的特点,对比分析了自动提取白冠算法、自适应阈值分割算法和迭代类间方差算法等自动识别算法对海面图像的处理结果,针对光照不均的海面图像提出了应用顶帽变换和图像增强的光照校正改进算法,来消除阳光反射带来的负面影响和运算不稳定。对船拍视频应用该改进算法,在光照不均时,增强了原三种算法的鲁棒性,有效提高了WC的计算正确率,有利于自动化处理视频序列图像。

基于改进跨零点法的大波波高测量研究

为提高对大中尺度海域波浪特性计算的准确率,为海上作业、航行安全以及实验室数值模拟提供合理的计算方法和提供更有价值的参考,分析目前算法存在的问题并提出几种改进跨零点法,利用仿真软件模拟不同尺度大波并进行实验数据对比分析。确定适合大波波高测量的计算方法。实验结果表明,最终确定的算法较改进前跨零点法精度更高,能更好地适应不同的波浪曲线,计算结果更加切合实际,有效提高了海上实测数据的准确性及可靠性。该研究对提高海洋要素测量精度具有重要意义,有很大的工程应用价值。

飓风Isidore与海洋相互作用数值模拟研究

本文利用MM5大气模型和HYCOM海洋环流模型,模拟研究了2002年飓风Isidore过境墨西哥湾后上层海洋的响应以及墨西哥湾常态水(Gulf common water,GCW)和湾流(Loop Current,LC)对飓风Isidore的不同响应。飓风Isidore穿过GCW区后,导致海表最大降温接近5℃,混合层深度由30m加深到70m,上层海洋损失热量较多,上层海洋的结构恢复时间较长;但在LC区,由于亚热带持续不断的高温、高速水体输运,该区域水体具有较深的混合层和较大的能量,虽然在飓风过程中损失了较多的热量,但仅造成2℃的海表面降温,上层海洋的结构恢复时间较短;此外,飓风过境后,在上层海洋激发近惯性震荡,在LC区可导致1.0m/s近惯性震荡流,能量可传播至1500m以深,但在GCW区,由于较浅的上混合层、较弱的流速和较强的层化结构,近惯性震荡运动影响深度较浅。