基于水声多波束技术的深水网箱鱼群状态远程监测仪研究

针对离岸深水网箱养殖的鱼群安全问题,提出了一种基于水声多波束技术的鱼群状态监测新方法。该方法采用环形水声多波束阵在深水网箱中进行分区探测,结合多路声信号处理技术、数据无线传输技术和虚拟仪器技术,实现了深水网箱中鱼群状态的远程、实时监测。与传统电机旋转扫描方法比较,该方法结构简单、功耗小,探测速度快,完成一次全网箱探测只需4 s;采用回波能量积分算法估计鱼群量,偏差值小于25%。监测仪样机在海上易于安置、操作方便;在福建泉州围头海域深水网箱养殖现场不同的海况条件测试中性能稳定、可靠。

虚拟时间反转镜啁啾率键控的水声多用户通信

针对频率选择性衰落严重的浅海信道多用户通信问题,提出了一种虚拟时间反转镜(VTRM,Virtual Time Reversal Mirror)啁啾率键控(CRK,Chirp-Rate Keying)的水声多用户通信方式。该算法采用啁啾信号作为载波,接收端利用啁啾信号中心频率与分数阶傅里叶变换域的关系还原出原始信息,并使用虚拟时间反转镜技术减少了多径环境对系统的影响,采用啁啾调频率分集作为多址接入方式。在10 kHz的带宽内,可支持4个用户进行可靠通信,每用户通信速率425 bps。水池及海洋实验结果表明:该算法能够有效地传输数据,并且误码率在10^(-3)数量级以下。

水声网络中的跨层设计研究

跨层设计是水声网络中急需解决的关键技术之一。对于能量和可用频带严重受限的水声网络系统,跨层设计能有效地利用海洋声信道环境下稀少的可用资源,克服分层网络设计中非最优和不灵活的缺点,使系统运行在最佳模式下。在介绍国内外水声网络跨层设计研究的基础上,提出了一种基于控制通道和数据通道的双通道水声网络跨层设计模型,分析了该跨层网络模型的优势,并给出一种自适应节点调制和编码的双通道水声网络跨层模型应用方案,在水池和厦门海域中进行了多节点自组织组网实验,验证了该方案的可行性,表明双通道跨层模型在水声网络设计中具有良好的应用前景。

基于KFCM和改进CV模型的海面溢油SAR图像分割

图像分割是合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)图像海面溢油检测的关键步骤之一,将核模糊C均值(kernel fuzzy C-means,KFCM)聚类方法及Chan-Vese(CV)模型应用于海面溢油SAR图像分割,为了解决单一KFCM方法分割精度不够高,及传统CV模型对初始条件敏感和收敛速度低的问题,提出了一种基于KFCM和改进CV模型的海面溢油SAR图像分割方法。首先利用KFCM算法将海面溢油SAR图像从原始样本空间映射到高维特征空间,得到聚类结果;然后将其作为CV模型的初始条件,以降低CV模型对初始条件的敏感性,并利用图像边缘强度取代传统CV模型中的Dirac函数,以提高模型的收敛速度和对不同SAR图像的适应性。大量实验结果表明,所提出的基于KFCM和改进CV模型的海面溢油SAR图像分割方法具有分割精度高、运算速度快的优点。

线导鱼雷及其对抗仿真研究

在各种鱼雷导引方式中,线导由于不受鱼雷自噪声的影响而具有极佳的寻的性能.研究了其作为鱼雷寻的重要阶段(或者单独导引到底)的导引规律以及常见的弹道形式.研究指出,随着水声对抗系统和技术的发展,对鱼雷线导阶段的对抗也必须得到重视.结合"网络化水声对抗"的研究,提出了利用"水声对抗网络"与线导鱼雷进行对抗的思路和方法.通过仿真,就现有的对抗方法和基于水声对抗网络的对抗效果进行了对比,结果显示了所提方法的优越性,给出了可供水声对抗系统发展参考的相关结论.

一种视频中字符的集成型切分与识别算法

视频文本行图像识别的技术难点主要来源于两个方面:1)粘连字符的切分与识别问题;2)复杂背景中字符的切分与识别问题.为了能够同时切分和识别这两种情况中的字符,提出了一种集成型的字符切分与识别算法.该集成型算法首先对文本行图像二值化,基于二值化的文本行图像的水平投影估计文本行高度.其次根据字符笔划粘连的程度,基于图像分析或字符识别对二值图像中的宽连通域进行切分.然后基于字符识别组合连通域得到候选识别结果,最后根据候选识别结果构造词图,基于语言模型从词图中选出字符识别结果.实验表明该集成型算法大大降低了粘连字符及复杂背景中字符的识别错误率.

水下图像传输质量的实时评测模型

基于VQM客观评测模型体系,提出了一种适合水声及无线信道传输的实时图像质量评测模型。模型基于三个分项参数(结构损伤、空域边缘能量增加、空域边缘能量损耗)描述水下图像传输中压缩图像和非压缩图像的典型劣化特征。通过这三个分项参数,可有效地评测水下图像的劣化程度,统计实验表明,本实时评测模型具有较好的评测准确性、单调性和一致性。同时,模型利用了奇异值秩可压缩性,进一步压缩了参考特征的信息量,节约了实时评测所需的信道资源,为实现实时评测的业务评测目标提供了新途径。研究表明,本方法占用的额外信息开销不超过数据信息量的3%,对于水声信道、无线信道等资源受限的实时评测应用具有实用价值。此外,论文设计了基于面积理论的质量网图模型,通过网图的开闭程度,形象直观地反映图像质量的好坏,克服了传统方式在评测结果表达中存在的综合分物理意义不明确等缺陷。本实时评测模型可应用在水下监测、海底勘探等水下图像通信场合,具有较好的应用前景。

南海区域Aquarius遥感海表盐度V4产品精度探讨

Aquarius/SAC-D卫星,以实现海表盐度(sea surface salinity,SSS)全球遥感观测为目标,经过算法的不断改进,迄今已发布第4版产品(V4).已有的检验研究表明V1.3产品在全球最大的边缘海——中国南海的精度并未达到该产品的目标精度,主要原因是射频干扰(radio frequency interference,RFI)的影响.为探讨新版数据在中国南海的精度,通过比较南海走航盐度、Argo浮标盐度与Aquarius遥感SSS V4及旧版产品的差异,发现Aquarius遥感SSS V4与走航盐度及Argo浮标盐度的均方根误差(RMSE)分别为0.47和0.73,V4产品整体表现优于V3及之前的版本,特别是在南海北部近岸高RFI海域,V4产品的偏差也小于V3,说明V4产品中RFI的影响相较于V3产品在一定程度上得到了有效的去除.同时,分析表明Aquarius遥感SSS V4产品所揭示的南海SSS空间分布与季节变动特征,与前人通过实测调查获得的结论基本一致.

高浓度沙泥沉降建模及对声传播能量的影响分析

对非刚性水下目标和事件的检测是水下安全警戒的重要内容之一。论文以港口疏浚导致的短时海区内高浓度沙泥侵入为例,探索基于声传感器收发分置的非刚性水下目标检测方法。基于沙泥沉降和声线传播模型,研究非刚性目标在沉降过程中形状、位置变迁对声传播能量及结构的影响规律。计算机仿真与海上实验均表明,局部高浓度泥团在沉降过程中,其形状、密度等指标参数会随时间发生变迁,并对经过其沉降区域的声线能量及结构造成明显影响。通过检测接收声信号能量、结构随沙泥沉降变迁的关系,可实现对水下侵入目标存在性的检测,并为开展进一步的反演、跟踪提供支持,具有一定的研究意义和参考价值。

疏浚船水下违规抛泥行为的声学检测方法

针对港口疏浚驳船存在违规抛泥现象,提出一非接触式检测方案,以Chirp信号作为探测信号,利用希尔伯特黄变换提取探测信号成分,进而获取信号特定频段的能量熵特征.通过对"无抛泥"和"抛泥"两种状态下的接收信号进行分析,得到两者希尔伯特边际谱的能量熵具有明显的差异,以此作为疏浚驳船抛泥行为的检测.在不同场景条件下进行大量的数据仿真分析发现,无抛泥情况下误检概率0%,抛泥情况下漏检概率在6%以下,该方案具有良好的稳定性和可行性.

台湾海峡台风浪的数值模拟

采用第3代海浪模式SWAN(simulation waves nearshore),在考虑了波浪折射、底摩擦、破碎、白浪、风能输入、非线性波波相互作用等物理过程的基础上,分别应用Jelesnianski模型风场、藤田气压公式计算的梯度风场以及考虑台湾海峡和台湾岛地形影响的台风风场(陈德文台风风场)模型,数值模拟了0813号"森拉克"、0815号"蔷薇"和0908号"莫拉克"3场台风过程在台湾海峡产生的台风浪,并与浮标观测结果对比.结果表明,陈德文台风风场模型数值模拟的台风浪结果与实测符合较好,其中模拟结果的有效波高平均绝对误差为0.55m,有效波高峰值平均绝对误差为0.19m,说明其对台风浪的模拟尤其是灾害性台风浪的模拟是成功的.

加权分数傅里叶变换在混合系统中的应用

为提高通信系统在复杂水声环境下的鲁棒性,提出基于加权分数傅里叶变换WFRFT(weighted fractional Fourier transform)的混合载波系统.对混合系统进行优化设计,以最低误比特率为优化目标,求解得到系统的最优变换阶次,得到优化的系统性能.仿真和水池实验表明,基于WFRFT的混合载波系统在多径信道下的误比特率介于传统的单/多载波系统之间;而在双选信道下,其最优阶的系统性能优于单/多载波系统.该混合系统具有单/多载波的优良性能,在提高通信系统鲁棒性方面,具有很大的应用前景.

基于声传播特性的供水管道泄漏检测与分类

针对供水管道泄漏检测方法缺乏识别分类功能,并且传统人工巡检可靠性低的问题,本文设计了一套基于HHT变换和BP神经网络的供水管道泄漏检测和分类方案,用功率谱和HHT变换提取出典型频率特征用于泄漏检测;IMF分量的归一化能量结合BP神经网络用于分类识别泄漏类型.通过采集大量不同泄漏类型声信号进行实验,证实该方案具有高于95%的检漏和分类正确率,具备一定的实际应用价值.

鱼类应激行为作用下的水质视频监测分析系统

由于传统的理化分析法无法满足水质实时监测的要求,采用生物监测法,基于视觉化的计算机监测系统分析斑马鱼的应激行为,主要运用RGB颜色空间下的红蓝分量差分法实现运动目标检测,然后进行二值图像标记,并提出了一种最大重合面积跟踪算法.实验按污染时间顺序分为正常情况、污染初期及污染末期3种状态,以量化分析鱼群的各项行为特征参数;基于统计学分析选取出可以监测水质变化的参数指标;最后联合多维参数在两个过渡阶段实现分级报警.

鱼类目标的密度估计模型

为解决现有鱼类计数方法适用范围有限的问题,本文提出一种基于深度学习的密度图估计方法。依据人群密度估计方法,创建了鱼群密度估计数据集,并针对人群密度估计网络中使用空洞卷积产生的“网格效应”,提出将空洞卷积替换为混合空洞卷积,建立了端到端的鱼群密度估计网络。分别在鱼类密度估计数据集和人群密度估计数据集ShanghaiTech上验证了密度估计网络的估计结果。实验结果表明:在鱼群密度估计数据集上,和其他密度估计网络相比,鱼群密度估计网络在MAE、MSE、PSNR、SSIM的评价中均取得最优评价;在人群密度估计数据集ShanghaiTech上,鱼群密度估计网络的密度估计结果在MAE、MSE、PSNR、SSIM的评价中均取得最优或次优结果。

浮游植物对海水升温影响的试验

浮游植物的光合作用对海洋吸收太阳辐射的升温过程有一定的调节作用.为了更好地阐释这一调节作用,设定490nm光照条件,采用3组吸收特征不同的水样,同步进行光照试验.结果显示,浮游植物的光合作用对海水的升温幅度产生17.9%~20.0%的减弱作用,说明次表层(10~50m)海水因太阳辐射导致的升温幅度很可能与目前通用的海洋环流模式估算结果不一致,而影响程度会因不同海域的叶绿素浓度不同而有所差异.这一结果对于进一步完善海洋环流及气候模式中对各参数的模拟,更好地认识海洋浮游植物在调节气候变化中的作用,有一定的参考意义.

啁啾信号在水下违规抛泥监测系统中的应用

为找到一种高效便捷的方法判断疏浚船舶是否存在违规抛泥行为,研究了基于啁啾信号探测抛泥行为的方法。设计了3种实现方案:分段FFT(Fast Fourier Transformation)快速相关、FRFT(Fractional Fourier Transform)变换、去斜脉冲压缩。结合五缘湾实验及仿真结果验证了3种方案的可行性,同时发现:FRFT变换抗多径和抗噪性能最佳,而去斜脉冲压缩算法效果最差。通过分析:当多径影响较为严重时,建议使用FRFT算法进行检测;当多径影响较小而对数据实时性处理要求较高的时,建议使用分段FFT快速相关算法进行检测。