大气波导是对流层中一种异常大气折射结构,它改变了电磁波的正常传播特性,严重影响了电子设备使用.目前对于大气波导的探测手段还比较单一,无法实现全类型大气波导的探测.针对这一现状,本文基于转动拉曼大气温度探测和振动拉曼大气湿度探测的原理,结合蒸发、表面和悬空波导的诊断方法,构建了全类型大气波导诊断模型.利用拉曼激光雷达新技术,实现了全类型大气波导的监测诊断.通过对比拉曼激光雷达和无线电探空仪测量数据,得到:拉曼激光雷达测量的大气温度廓线平均误差为0.535℃,温度误差小于1℃的概率为82.5％;水汽混合比廓线平均误差为0.1217 g/kg,水汽混合比误差小于1 g/kg的概率为90％,基于拉曼激光雷达的悬空波导高度、厚度、强度诊断准确率分别为94.8％、85.8％和60％;此外,基于拉曼激光雷达的连续探测数据,可以进一步分析大气波导特征量随时间的变化规律.
为解决海洋科考期间船体对大气成分走航观测结果影响的问题,本文基于风速风向仪、单片机、数据采集装置、电磁阀控制器、电磁阀和多通道气路转换器等相关元器件,设计了一套可以避免船体污染的船载走航大气成分观测自动进样系统.该进样系统设计有8根独立的进样管路,基于自行编译的脚本,依据实时的相对风向结果给电磁阀控制面板传递相应的电压信号,进而控制相应的电磁阀打开目标进样管路,实现无污染进样.本文通过对实际案例的分析,论证了该进样系统可以有效避免船体对大气成分走航观测的影响,进而提高船载走航大气成分观测数据的连续性和准确性.
泥沙沉降速度是一个重要的沉积学参数,对于评估沉积物分布、扩散与物质输运等至关重要.对于细颗粒沉积物,悬沙浓度是影响沉降速度的一个关键因素,影响机制主要是絮凝作用和阻碍沉降效应,这个过程十分复杂,还无法使用通用的数学解析公式进行计算.本文介绍了 一种简捷有效的室内评估细颗粒泥沙沉降速度的实验方法,并给出了沉降速度与悬沙浓度之间的关系.实验中研究的泥沙样品采集于废黄河口外,实验结果显示:当悬沙浓度小于1.5 g/L时,泥沙沉降速度随着悬沙浓度的增加而增加,当悬沙浓度大于2.5 g/L时,泥沙沉降速度随着悬沙浓度的增加而减小,当悬沙浓度达到14 g/L时,沉降速度降至约0.16 mm/s.整个实验过程中,当悬沙浓度达到1.5～2.5 g/L时,泥沙沉降速度最大,约为2 mm/s.本文介绍的实验,所需设备简单,实验过程简洁易行,实验结果稳定可靠,可以有效地用于不同研究区域泥沙沉降速度评估.
多波束系统波束发射与接收为独立过程,同时受海洋环境的影响,波束发射接收期间(Ping周期)换能器姿态存在动态变化,特别是对于具有发射导向作用的设备,其综合作用对水深结果的影响更大.现有研究通常将发射与接收换能器作为一个整体,仅考虑部分瞬时时刻的姿态,忽略了 Ping周期内姿态变化的影响,具有一定的局限性.本文结合多波束测量原理及两种波束归位模型,利用仿真实验与实测数据,研究多波束测深Ping周期内姿态变化及发射导向对水深结果的影响.实验结果表明:在浅水区(小于200 m)二者影响可近似忽略,但随水深增加其影响可造成近10％测深结果(尤其是边缘波束)超出规范要求.本文研究内容为后续多波束数据精细化处理提供一定的参考.
红树林生态系统地上生物量是碳储量评估和气候变化研究必需的基础数据之一,其估算方法是蓝碳研究的热点.遥感以其宏观、综合、动态、快速、可重复等特点,已成为红树林地上生物量估算的主要技术手段.本文综合国内外相关研究进展,分析了光学遥感、微波雷达、激光雷达(Light Detection and Ranging,LiDAR)数据源在红树林生物量估算的应用现状,以及多源遥感数据融合应用的优势;总结了基于遥感的统计模型、过程模型和间接法3种生物量估算方法的研究现状;从多源遥感数据的融合、发展机器学习算法和遥感过程模型、长时序分析,以及建立红树林地面调查数据集等角度对红树林生物量遥感估算进行展望.
随着人口不断上升,人类对资源的需求与日俱增,对陆地资源的开采已经无法满足人类的需求,人们把目光转向了蕴藏丰富矿产资源、生物资源和能源动力资源的海洋.本文针对水深6 000 m海域矿藏开采,采矿船和运输船旁靠外输矿浆,研究双船系统的耦合动力响应.深海采矿船具有动力定位系统,通过系缆连接运输船实施矿浆外输.本文基于双船连接系缆、护舷及双船间隙设置阻尼盖,建立双船耦合动力学模型.考虑不同浪向对动力定位系统进行参数整定和动力定位系统推力优化,计算双船耦合时域运动响应.结果表明:外输过程双船间隙设置阻尼盖建立双船耦合模型是可行的,深海定位系统的参数整定以位移矢量最小和推力功率最小可以实现推力优化,采矿船动力定位系统可以有效控制双船运动,系缆和护舷强度满足要求.
水下云台是深海装备的重要组成部件.本文基于干式密封结构设计,研制了一套直流伺服电机驱动的深海二自由度云台,其具备更优的转向控制精度,同时可实现大负载、高转速和实时角度反馈功能.云台主体采用陶瓷角轴承运动承力、蜗轮蜗杆自锁、格莱圈旋转密封等设计,实现云台的俯仰旋转和水平旋转,并对云台关键部件进行强度校核,确保水下工作的稳定性.干式云台可内置磁编码器及主控电路,实现深海移动观测和目标跟踪所需的高精度反馈控制.转向测试与压力测试结果证明,所设计的云台可以实现5 kg负载下30(°)/s的高速精准转向,工作水深可达2 000 m.
广西北部湾近岸海域虽常年为磷限制状态,但球形棕囊藻(Phaeocystis Globosa)赤潮灾害频繁发生.球形棕囊藻暴发时主要以囊体形式存在,赤潮衰退后,囊体破裂产生大量的透明胞外聚合颗粒物(Transparent Exopolymer Particles,TEP),在海洋动力作用下形成高碳、高黏性泡沫,影响渔业和核电取水安全.本文通过设置氮磷比为32∶1和64∶1的半连续培养实验,探讨磷限制对球形棕囊藻的生长,以及透明胞外聚合颗粒物产量的影响.结果表明:在氮磷比为32∶1和64∶1的磷限制条件下,球形棕囊藻的细胞密度、叶绿素a浓度、囊体密度及囊体表面细胞数,在培养的后半期都受到了抑制.与控制组相比,两个磷限制的处理组在囊体直径上并没有表现出显著的差异(显著性水平p＞0.05).在氮磷比为32∶1的条件下,球形棕囊藻的TEP生产量与控制组相比没有显著差异(p＞0.05),在氮磷比为64∶1的条件下,TEP的生产量显著降低(p＜0.05),磷限制程度的加剧对球形棕囊藻细胞分泌TEP产生影响.研究结果为进一步研究环境胁迫下球形棕囊藻TEP形成机制提供了依据.
为解决当前海洋卫星地面应用系统在数据激增背景下准备不足、运行效率不高、普适化应用不够等问题,本文分别从接收、处理、存储和分发4个方面系统总结了各分系统技术发展现状及趋势,分析了国内地面应用系统存在的部分短板,提出加快接收站全球化布局、提前预留天线接收余量、完善国产软件图像处理功能、针对性地制定数据存储和分发策略等观点;指出地面应用系统未来优化的重难点主要在数据处理端,丰富完善算法/模型库、提升对海量遥感图像的解译速度、构建去专业化的遥感图像处理平台应是下一步工作的重点.本文可为海洋卫星地面应用系统优化设计提供参考.
漂流浮标具有结构简单、易布放、不需要额外动力等方面的优点,在海洋观测领域已经有了较为广泛的应用.然而现有的漂流浮标为了控制成本和整体功耗,搭载的传感器较少,在使用中能够采集到的数据种类较少,并且由于电子系统设计相对简单,一旦出现故障,无法解决,导致实际使用时长往往达不到设计使用时长.因此,本文以低功耗、高可靠性、多样化载荷为设计目标,提出一种具备扩展性的双系统漂流浮标的设计方案,能够尽可能地提高漂流浮标的可靠性,同时基于双系统设计了一种低功耗切换算法.该款漂流浮标系统可在主模块损坏时及时启用备用模块工作,并可对当前电池电量、工作环境状态及模块功能状况进行处理分析,根据分析结果实现对系统未来工作模式的决策,系统功耗降低了 20％,同时实现了漂流浮标系统的长时序高效观测.
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.
为探究海南万宁乌场海域重金属的污染状况,2020年3月和9月对13个站位的海水、沉积物中重金属铜(Cu)、汞(Hg)、锌(Zn)、砷(As)、铅(Pb)、镉(Cd)含量进行测定,并采用综合污染指数法和Hankanson潜在生态风险指数法分别对海水重金属污染状况及沉积物潜在生态风险进行分析及评价.结果显示:调查期间海水中重金属含量符合第一类海水水质标准,综合污染指数小于1,海水属于清洁状态;沉积物中单项重金属潜在生态风险参数小于40,重金属总潜在生态风险指数小于150,属于低级潜在生态风险水平.研究表明:海南万宁乌场海域海洋环境较好,重金属污染属于低风险级,对人类危害较小.本文的研究结果可为下一步海域建设、海洋环评等工作提供基础资料和科学依据.
为了解决浮子式水位计(以下简称浮子水位计)由工作人员定时到潮位观测场校准的工作问题,提高校准准确度,设计了基于图像识别与远程校准的潮位观测系统.该系统依靠在潮位观测场搭载摄像机拍摄目标,采集井内水尺图像,并通过4G、5G通讯将井内水尺视频图像和浮子水位计观测的数据传输至数据中心.数据中心管理软件通过对水尺图片进行图像识别获取井内水尺读数,对井内水尺数据和浮子水位计观测的潮位数据进行对比分析,计算系统不确定度、随机不确定度、综合不确定度,当综合不确定度大于规范误差时,系统不确定度作为漂移量发送给浮子水位计,实现浮子水位计的远程自动校准.经示范应用验证,系统功能性能指标满足业务化运行需求.
近年来,X波段雷达已经成为重要的海洋现场观测设备,应用越来越广泛,但其在复杂天气条件下的观测准确性还需要进一步探讨.因此,为了验证X波段测波雷达对于海洋波浪的观测性能,对安装于我国三亚市三亚湾的X波段雷达设备及布放在该区域的波高仪进行了海浪比测试验,通过对压力测波与X波段雷达测波两种不同探测机制在不同海况下实际海浪观测数据结果的分析可以得出:X波段雷达对于海浪观测的结果较为理想,与压力测波结果相关性较高,在不同天气条件下,均能够准确地反演大范围海域的海浪信息.根据研究结果,X波段雷达的波浪现场观测数据完全可以达到海洋环境监测的要求.
随着海上交通运输业业务需求的不断增加,传统的目标检测方法已无法满足实际需求.由于卫星遥感技术的快速发展,基于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)图像舰船目标自动识别具有显著的应用潜力.近年来,深度学习技术在目标检测领域逐渐显现出优势,特别是YOLO(You Only Look Once)模型以其较高的精度和计算效率,为SAR舰船目标的识别提供了一种新的方法.为对比不同的YOLO模型在舰船目标识别领域的性能及其相比于两阶段深度学习算法的优势,本文首先对YOLO系列的结构进行了归纳总结;其次对当前广泛使用的数据集进行了对比分析,并基于SAR图像数据集(SAR Ship Detection Dataset,SSDD)的样本进行重新标注构建出本文的数据集;然后将YOLO系列模型与两阶段目标检测方法——更快速的区域卷积神经网络(Faster Region-based Convolutional Neural Network,Faster R-CNN)在 SAR 舰船目标检测的精度和速度两方面进行对比实验;最后在YOLOv5模型的基础上对主干网络(Backbone)进行优化,建立了一种基于注意力机制的舰船目标识别深度学习网络——YOLOv5.SAM.基于本文所建立的SAR舰船图像数据集的实验结果表明,YOLOv5在计算精度和计算效率方面相较于其他YOLO系列模型展现出更加显著的综合优势,其mAP值为0.73,但对密集目标的识别精度有待提升.在此基础上,本文提出的YOLOv5.SAM模型在识别精度和对密集目标的检测性能方面均实现了提升,其mAP值达到0.79,从而证明该方法在SAR舰船目标识别方面的有效性.
在江苏大丰某海上风电场选取代表机位,安装桩基局部冲刷实时监测系统对桩基周围海床进行实时监测,并和多波束水下地形测量成果进行对比分析.结果表明:该系统实时监测效果较好,与多波束的测量结果相吻合,其最大优势在于能长期实时连续监测桩基周围海床的高程变化情况,掌握长期冲淤趋势.监测桩基海床已产生最大冲刷深度达8 m的冲刷坑,为保障风机系统的安全稳定,建议及时采取冲刷防护措施,以防冲刷坑进一步发育.
振动时效技术是一种有效消除焊接残余应力、提升构件使用寿命、保证结构尺寸精度的方法.在自升式平台固桩架建造过程中,焊接施工导致其内部产生大量的残余应力,残余应力是导致固桩架精度超差和损伤失效的重要原因之一,它会大幅度降低平台的疲劳寿命,因此,固桩架建造完成后消除其内部残余应力对于平台的使用安全至关重要.本文以一个质量约100 t的固桩架分段为研究对象,采用专门的振动时效设备对固桩架施加激振力,测量振动时效前后主焊缝附近的残余应力水平.通过对比分析发现,振动时效技术可以有效降低固桩架焊接过程中产生的残余应力,达到调整、均化、降低残余应力水平、提高构件尺寸精度稳定性的效果,有利于提升平台的使用寿命.
海洋机器人具有观测范围大、作业灵活、机动性好、可控性强等突出优点,在海洋科学观测与海洋科学实验中发挥了重要作用,促进了物理海洋和海洋生物地球化学的发展.为阐明海洋机器人在海洋科学观测和实验中的应用情况,以水下滑翔机、自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)和无人帆船3种典型的观测型海洋机器人为例介绍了海洋机器人在海洋科学观测中的应用现状;以原位采样与固定、原位培养与分析海洋机器人为例介绍了海洋机器人在海洋科学实验中的应用现状;最后结合未来海洋科学研究需求,从需求牵引的角度对基于机器人的科学观测与实验系统的发展趋势进行了展望.
《海洋技术学报》是由自然资源部主管、国家海洋技术中心和中国海洋学会联合主办的海洋类科技期刊,创刊于1982年(前身为《海洋技术》),双月刊,现为中国科技核心期刊,是以刊载海洋技术进展与应用的研究成果为主要内容的专业期刊. 登稿范围: 主要刊登海洋环境观测/监测/探测、海洋资源开发利用、海域海岛管理、海洋环境保护与海洋工程等相关技术领域的前沿性、原创性、学术性及应用性的学术论文、研究报道和综述等,旨在反映和记录世界海洋技术领域最新理论与技术创新成果,推广新理论、新方法、新工艺和新材料在海洋领域中的应用,以推动我国海洋高新技术及海洋新型技术产业发展为目标.本刊不定期以专题的形式集中报道高技术研究成果和相关热点,欢迎海洋科学技术各领域学者惠稿.
水深是重要的海洋要素,水深遥感反演是获取浅水水深的重要手段.当前水深遥感反演应用以国外卫星数据为主,国产卫星数据的研究和应用较少.本文针对国产高分六号卫星(GF-6)数据,以三亚南山港为研究区域,分别建立单波段回归模型、双波段比值模型、多波段回归模型,进行多光谱影像的水深反演能力研究,并与国外主流哨兵2号卫星(Sentinel-2)数据进行实验比较.实验结果表明:GF-6遥感影像具有较好的浅水水深反演能力和一定的反演精度,各波段水深探测能力依次为:绿波段＞蓝波段＞红波段＞近红外波段,反演方法效果依次为:多波段模型＞双波段模型＞单波段模型.相较于Sentinel-2数据,GF-6数据水深反演精度与其一致,这表明GF-6影像具备替代国外遥感数据进行水深反演的能力和大规模应用的潜力.本文的研究方法和分析结果将为国产高分系列卫星数据的水深反演研究和应用提供有益的参考.
