K均值聚类算法在海上目标识别中的应用

针对传统图像分割方法存在的弊端,本文采用K均值聚类方法对海上复杂背景下的目标识别进行研究。实验结果表明,采用该方法能够有效地进行复杂背景下海上目标的提取,并且保留目标的细节信息。

基于分形的大气湍流随机相位屏数值模拟

激光大气传输湍流效应是制约合成孔径激光雷达高质量成像的重要因素之一,对大气湍流统计特性进行了研究,建立了大气湍流随机相位屏分形模型,使用随机中点位移法进行模拟,分别产生了符合Kolmogorov及non-Kolmogorov统计规律的湍流相位屏.通过计算模拟相位屏的相位结构函数,与理论值比对,验证模拟相位屏的准确性,并与现有的谱反演法和结构函数法进行了对比,分析了各自的优缺点。结果表明,基于分形方法产生的相位屏与理论值更加接近,效果良好。

一种中心频率40KHz水声应答器接收部分设计

研究一种水声应答器接收部分的硬件设计。根据应答器的技术指标,计算接收器的放大增益.对复杂的海洋背景噪声对采集信号的影响,设计了满足应答器接受灵敏度要求的滤波器和增益自动调节电路。通过实验验证了设计方案的有效性。

基于SONIC软件的鄂霍次克海浅表陆坡可燃冰勘探研究

运用自主研发设计的SONIC软件,控制深海勘探设备Echo水声探测系统,对位于西北太平洋边缘的鄂霍次克海海底可燃冰甲烷释放情况进行勘探研究。重点对萨哈林岛东面浅表陆坡进行了大规模的水声测扫,通过采集回声信号,应用SONIC软件处理和成像后,实现了海底甲烷气体渗漏点(GF)、冷泉和海床的可视化。在发现甲烷气体渗漏点后,运用SONIC的成像功能,分析冷泉中甲烷气体浓度及形态的变化,运用GPS系统进行实时跟踪与定位,利用重力取样器等采样工具,在多个海域成功采集到了可燃冰岩心样本,并及时进行了分析,得到了该地区可燃冰中的甲烷排放速率和甲烷排放量等数据。另外,通过梳理本次考察的经验,对规范我国可燃冰资源调查方法也会产生积极影响。

海底冷泉气体渗漏模拟观测系统设计与开发

由于海底冷泉声探测需要准确的气泡特征信息作为支撑,以真实海底冷泉气泡分布特征为依据,研制了控制精度高、功能全的海底冷泉气体渗漏模拟观测系统。通过模糊PID控制算法对气体流量进行精准控制,相比于常规控制方法流量误差率最高可降低1.5%,可以准确可控地模拟真实环境下的冷泉气泡;通过设计的以太网同步触发器驱动双相机同步拍摄,使拍摄同步误差范围降低1.1 ms,实现了对初始溢出阶段气泡形态的正交同步观测,能够为海底冷泉探测提供数据支持。

基于单波束测深资料的海底冷泉动力学特征反演方法研究

为了准确理解冷泉水体中甲烷气体的分布规律,综合运用单波束测深数据和冷泉水体流场数据,建立了冷泉气泡上升、溶解速率的定量反演方法,利用现场海试资料对反演方法进行了验证,并对海试区域的冷泉气体溢出、溶解通量以及冷泉水体的甲烷浓度进行了估算。计算结果表明,考察船航向与冷泉水体流向的差异会对声学探测结果产生影响,当航向与流向的夹角大于±60°时,声学成像中冷泉倾角的误差将超过50%。同时,冷泉气泡上升速率的衰减与溢出口水深显著相关,相关系数可达0.9,并且冷泉上升流对上升速率的提升效果明显。水合物稳定带的分布对冷泉气泡的收缩速率影响显著,稳定带内、外收缩速率的差异可达3~4倍。冷泉气体通量的计算结果表明,调查区域内冷泉的溢出强度整体较大,同时溶解通量与水深之间呈现明显的分段效应。根据冷泉气体溶解通量估算的冷泉水体甲烷浓度与色谱分析结果具有较好的一致性。相关研究有助于实现对冷泉水体中甲烷气体分布的定量评估,为潜在海底冷泉区的圈划和海域天然气水合物的调查提供技术支撑。

基于改进粒子群算法的喷水推进泵叶片优化设计

为了改进喷水推进泵的敞水性能,利用改进粒子群优化算法优化其转子叶片.结合改进粒子群优化算法与数值仿真技术,以升阻比和压力分布为优化目标,对翼型NACA-6510进行优化.结果表明:经优化,翼型升阻比提高14.7%,压力分布中最低压力提高20%,有效地抑制了空化的发生.将优化翼型应用于喷水推进泵的水力模型设计,不改变翼型的位置,对其性能进行分析,发现其推力提高2.55%,效率提升6.38%;结合对扭矩系数和轴功率的分析,优化后喷水推进泵性能明显改善.经优化,喷水推进泵流场中叶片压力脉动明显改善,叶片最低压力值提高,延迟了空化的发生;分析叶片载荷分布,以及推力和扭矩的频域分布,发现叶片的优化未改变其基频,幅值变化与喷水推进泵的外特性参数相对应.上述优化设计有效改善了喷水推进泵的性能.

后置定子对喷水推进泵性能的影响规律

采用RNGk-ε模型对不同后置定子叶数的喷水推进泵性能进行数值模拟,采用4119桨进行数值验证,计算结果误差均在3%以内,可有效预报水动力学性能。基于现有模型喷水推进泵,分析其水动力学性能,对比不同叶数定子的喷水推进泵性能,分析其推力性能,发现随着定子叶数增加到11叶,推力增大了5.7%,随着叶数继续增加,推力降低,最终只提高了2.1%;对转子推力进行傅里叶分析,发现转子的频域特性并未发生变化;同时分析尾流场压力脉动和湍动能分布,增加定子叶数可改善尾部流场的压力脉动,降低脉动值,随着叶数继续增大,脉动值又增加,其变化趋势与湍动能分布相同。通过掌握定子对喷水推进泵尾流场的影响特性,奠定喷水推进泵设计基础。

蜗壳对远洋船基吸鱼泵性能的影响

吸鱼泵以其高通过率,常被用于远洋渔业活体水产运输的动力单元。吸鱼泵在设计过程中,以通过率为优先目标。常用的蜗壳型式有螺旋式、环形等。采用数值计算的手段研究蜗壳形式对单流道泵性能的影响,通过计算发现,在设计航速下,螺旋式蜗壳的效率比环形蜗壳高10%,扬程比环形蜗壳高5%,同时环形蜗壳内压力高于螺旋形蜗壳;在涡舌位置处,涡旋结构在环形蜗壳内空间运动流畅宽松,对监测点的压力脉动进行分析,获得了蜗壳型式对吸鱼泵性能的影响规律,为后续吸鱼泵设计奠定了基础。

基于模糊PID控制的主动造波系统研究与应用

目前的主动造波系统大多是通过抵消造波理论中推导出的二次反射波实现的,但二次反射波理论推导复杂,且易造成吸收率低的问题。为了提高主动造波的吸收率,将输出误差通过PID算法的控制器反馈到输入信号,构成闭环系统。然而PID算法参数固定,无法满足系统动态变化特性,因此又把PID控制进一步模糊化。在200 cm×20 cm×50 cm的长方形水槽中利用PLC控制伺服驱动器进行推板式规则波实验,比较了PID控制算法和模糊PID控制算法两种主动造波的效果。实验结果表明模糊PID控制算法的主动造波具有更好的稳定性和鲁棒性。

冷泉水体甲烷气体浓度反演方法研究

冷泉水体中的甲烷气体浓度异常不仅是海底天然气水合物赋存的重要标志,同时对于研究海洋环境以及全球气候变化具有重要的意义。在现有海底冷泉特征分析研究的基础上,建立了根据单波束测深数据定量获取冷泉水体中的甲烷气体浓度分布的反演方法,并以鄂霍次克海千岛盆地西北陆坡冷泉区为例,利用海试获取的12kHz和20kHz声学回波测深数据,对研究区域内冷泉水体中的溶解甲烷浓度进行了计算。通过与冷泉水体样本的色谱分析结果进行比对可见,该反演方法的计算结果与现场实测数据具有良好的一致性,并且由于在波束角和气泡共振效应方面的优势,12kHz测深数据对应的反演结果与实测数据更为接近。同时,相关计算结果表明,该区域内水体中的溶解甲烷主要来自于冷泉释放的甲烷游离气。此外,现场观测结果表明,水合物稳定带底界以深区域内冷泉气泡表面的水合物结壳会显著延长气泡的上浮时间和距离。

基于PLC和伺服电机的主动冲箱式造波系统的控制及实现

为了研究在10 m×0.5 m的玻璃水槽内的主动冲箱造波技术,设计了基于PLC运动控制器、伺服电机和驱动器、工控机以及浪高采集仪的造波系统。该系统根据水动力学参数在PLC运动控制程序中实现主动造波算法;采用交流伺服驱动器并搭配相应尺寸的电机,完成楔形板的上下造波运动;通过工控机上的人机界面对造波机系统的整体状态进行控制。为了提高控制精度,该系统在伺服驱动器内部闭环控制的基础上,还增加了基于PID算法的波高和频率闭环控制。实际应用表明,该造波系统可通过对波形的实时反馈,保证控制的准确性和稳定性,达到了主动造波的目的。

水平搭载的剖面漂流浮标型线优化设计研究

随着海洋科学研究的发展,需要水平搭载符合深远海投放的剖面漂流浮标。本文基于柱形浮标外部型线,结合水下航行器常用型线模式,提出三种不同的改造方案。采用数值仿真的手段,分析原模型与三种不同改造方案的水动力学性能。首先,分析了速度场和压力场的分析,发现原标体的首部及尾部位置,压力分布及涡量值均较大,且尾迹流较长,消耗能量大,优化方案改善了浮标的流场,减小了涡量场,缩短了尾迹流长度;然后,针对阻力及偏转特性分析研究,发现全包裹型线(方案1)阻力降低84%,方案1的偏转力减小47%,偏转力矩减小57%,在三种方案种效果最好。因此,在后续改造优化过程中可选择方案1作为可行性方案,设计或改造浮标。

基于卷积神经网络的水中大尺寸气泡体积测定

由于大尺寸气泡在静止流场内受粘滞力和表面张力的作用,呈现出不规则的几何形状,导致按照常规计算方法推算出的气泡等效体积存在误差。为了降低大气泡体积计算的误差,通过高速相机捕获静止流场内的气泡,将经图像预处理后的气泡图像作为改进型卷积神经网络模型的输入,利用小气泡的二维投影面积和对应三维体积作为数据集对改进模型进行网络训练,训练后模型识别准确率高达98.87%。用训练后的网络模型预测不规则大尺寸气泡的三维体积,体积预测的准确率达94.76%。

基于随机数据元扩张的大气湍流相位屏数值模拟

准确模拟大气湍流相位屏是建立大气湍流数值模型的核心问题。从大气湍流的统计学特性入手,利用大气湍流波前相位结构函数建立了一种新的大气湍流相位屏数值模拟方法,通过随机数据元扩张对大气湍流波前畸变相位分布的尺度随机性和高频分量随机性进行了模拟,并以此为基础通过相位屏近似构建了满足Kolmogorov统计规律的大气湍流数值模型。计算结果表明,随机数据元扩张法生成的相位屏在统计特性上与理论值基本吻合,在低频部分相对于功率谱反演法有明显的提升。同时,随着相位屏网格数的增加,计算结果的高频特性逐渐呈现并逼近理论值。对于由相位屏构建的大气湍流数值模型,在此通过光强闪烁率作为判据进行了验证,结果表明对于弱湍流和中等强度的湍流,模拟结果与理论计算基本相同;对于强湍流则误差较为明显,相对误差最大可达40%。

基于激光干涉式水听器的近海海洋环境噪声测量研究

在迈克尔逊干涉原理的基础上设计了激光干涉式水听器,通过跟踪补偿的方式提高了水听器的抗干扰能力。通过对水听器声压误差进行分析,认为振动膜是声压误差的主要来源,且可以通过振动膜材料的选择得到一定程度上的消除。在某近海海域获得的实测数据表明,水听器对噪声声压的测量精度较高,具有良好的频率响应能力,与理论模型的对比实验也一定程度上验证了数据的准确性。在近海海域,风成噪声和船只辐射噪声是海洋环境噪声测量的主要噪声源。在此,对3种风速下测得的海洋环境噪声谱级进行了计算,并与Knudsen曲线进行了比对,结果显示,测量数据与Kundsen曲线拟合度较好,经测量,船只辐射噪声主要集中在350~500Hz频率范围内。

一种机载合成孔径激光雷达相位误差补偿方法

准确理解大气湍流扰动相位对光束传输特性的影响机制,并以此为基础发展有效的相位误差补偿算法是实现合成孔径激光雷达(SAL)高质量成像的关键之一。从激光光束的相位结构函数入手,提出了一种新的大气湍流相位屏产生方法——结构函数法,建立了满足Kolmogorov统计规律的大气湍流数值模型,计算了不同强度湍流作用下机载SAL的成像结果。通过将其与秩一相位估计法联合使用,克服了秩一法对初始值敏感的缺点,提高了补偿算法的精度和效率。实验表明,与谱反演法相比,结构函数法的计算结果更接近于理论值,同时计算复杂度由O(N^2)降至O(N)。改进的秩一法能够较为有效地改善一定强度范围内大气湍流引起的SAL图像失真,而且补偿后图像的信噪比相比传统的秩一法提高了大约5 dB,计算时间也缩短了约30%。