覆盖泡沫粗糙海面的激光散射特性研究

对潜通信及对潜探测中蓝绿激光将穿透海水表面,大气/海水界面由于风速及其他外力作用而呈现复杂状况,将影响蓝绿激光在界面的传输特性。针对泡沫-海面复合模型,采用矢量辐射传输理论、米氏理论以及粗糙面散射理论对泡沫海面的散射特性进行了分析。采用基尔霍夫近似针对JONSWAP海谱,讨论了泡沫海面在蓝绿激光波段的后向散射系数与入射角、风速、风区以及海水温度、含盐度等参量的关系。结果表明:随着海面上方风速、风区及介电常数的增大,泡沫层对海面的激光散射具有相当大的影响,尤其是在入射角度较大的状态下。     

海面弱小目标高光谱融合技术研究

海面目标受海水扰动影响,难以被宽波段光电传感器探测识别。高光谱传感器可以获取海面目标和水体的光谱数据,利用目标和海水的光谱特性差异可以有效抑制海面扰动影响,提高探测识别能力。针对高光谱数据降维融合容易丢失海面弱小目标问题,研究了弱小目标光谱数据融合方法。通过相似性分类产生类矩阵,由类矩阵主成分变换的降维投影矩阵来投影变换原有光谱数据,获得降维数据矩阵。降维矩阵通过空间变换转换到RGB彩色空间,生成伪彩色融合图像。通过远距离弱小目标和水中鱼群高光谱数据,验证了改进方法的融合性能。实验结果表明:相似性分类融合方法不仅能将高维光谱数据融合成一幅伪彩色图像,还能有效避免弱小目标融合丢失问题,提高了目标探测识别能力。     

二维动态海面-气泡层中蓝绿激光的透射特性

为研究气-海跨介质的蓝绿激光传输特性,针对气-海跨介质界面及海面下气泡层,依据基尔霍夫近似、Mie理论与Beer理论建立了蓝绿激光通过海面-气泡层的下行传输模型。充分考虑了受风速影响的海面高度起伏、海水中气泡浓度变化、海水中洁净气泡和有薄膜覆盖气泡的混合等因素,数值计算了蓝绿激光经过海面-气泡层的透过率随风速、海水中的传输深度以及接收平面与发射平面夹角的变化关系。结果表明,蓝绿激光通过气-海界面及海水中的透过率主要取决于风速的大小与激光在海水中的传输深度;随着风速的增大,海面粗糙度与上层海洋中气泡浓度增大,激光透过率降低;与海水相比,气泡层对激光透过率的影响会随着深度的增加而降低;对于半径大于10μm的气泡,蛋白质薄膜的覆盖对蓝绿激光的衰减影响不大。     

激光雷达数据应用于海气界面气体传输速率的估算

选取2007年1、4、7、10月4个月夜间无云的云-气溶胶激光雷达和红外探测者观测卫星(CALIPSO)星载激光雷达Version 3.01数据,提取532nm激光海面后向散射系数并计算海面波浪均方斜率。同时选用准同步AMSR-E海面风速数据,利用Wanninkhof等于2009年提出的包含线性、平方、立方项的海面风速与气体传输速率混合关系模型计算海水施密特数为660时的海气界面气体传输速率k660。通过回归分析,得到由星载激光雷达数据反演k660的关系模型。将激光雷达数据反演结果与采用4种典型海面风速关系模型的计算结果进行比较,给出由星载激光雷达数据反演的4个月平均的海气界面气体传输速率全球分布图和纬度分布图。研究表明,CALIPSO星载激光雷达532nm单脉冲测量数据可用于反演海气界面气体传输速率。     

海水变淡和海平面上升

人类一直关注全球海平面上升和海水变淡的现象 .按照耦合气候模型的假设 ,2 0世纪 6 0年代至 1 987年期间温跃层海水变淡现象可归缘于人类活动的影响 .2 0 0 2年在南纬 32°开展的全球海洋考察中发现 ,温跃层模式的海水在 1 987年以后温度下降 ,盐度上升 .英国科学家HarryL .Bryden领导的研究小组对比分析了 1 936年、1 96 5年、1 987年、1 995年和 2 0 0 2年五次实验获得的水文地理数据 .这些数据表明 ,1 936年到 1 96 5年间的上层温跃层海水盐度相对稳定 ,1 96 5年至 1 987年期间变淡 ,从1 987年起盐度开始增加 .从 1 936年以来整个期间…     

C波段机载合成孔径雷达海面风场反演新方法

针对基于散射计地球物理模型函数的机载合成孔径雷达(SAR)海面风场反演中存在的风向获取依赖于图像风条纹或数值预报、 散射计数据和浮标等背景场资料, 风向与SAR图像时空分辨率不匹配, 进而影响机载SAR海面风场反演精度等问题, 本文根据机载SAR对海探测特点, 研究一种适用于C波段机载SAR的海面风场反演新方法. 利用SAR图像距离向不同入射角的后向散射系数, 依据地球物理模型构造最小代价函数, 通过代价函数的求解直接从机载SAR数据同时反演出海面风速和风向. 利用论文提出的海面风场反演方法分别对仿真SAR数据和实测C波段机载SAR数据进行风向、 风速的反演误差分析及试验验证.研究结果表明, 该方法适用于机载SAR海面风场反演, 可不依赖背景风向直接反演出精度较高的风速和风向; 雷达后向散射系数误差是决定海面风速、风向反演精度的关键因素, 辐射定标精度越高则反演误差越小; 海面风速反演误差随着风速的提高而增大, 当海面风速大于18 m/s时, 风速反演误差显著增加, 而海面风向的反演误差与风速无明显关系. 关键词： 机载合成孔径雷达 海面风场 多入射角     

粗糙海面高功率微波传输特性矩量法分析

应用蒙特卡罗方法实现了粗糙海面的仿真与模拟,建立了基于双积分方程的高功率微波（HPM）近海面传输特性矩量法计算模型。模型采用光滑窗函数对均匀平面波进行调制,把均匀平面波入射调制为锥形波,消除了粗糙海面突然被截断而引起的边缘效应的影响;重新推导了锥形波入射下的基尔霍夫近似公式,并在满足基尔霍夫近似的条件下,通过对比分析,验证了模型的正确性;采用模型计算分析了不同海面几何参数和海水媒质参数对HPM近海面传输系数的影响。结果表明:粗糙海面的均方根高度对HPM传输系数影响明显,均方根高度越大,传输系数越小,能量分布越均匀;另外随着海水介电常数实部和虚部的增加,传输系数均有所增加,并且实部的影响更明显。     

海面油膜热红外发射率光谱特征研究（英文）

利用热红外遥感技术探测海面溢油存在能够全天时探测、更好地探测海表及油膜辐射特征和对油膜厚度的识别潜力较大等优势。而热红外发射率是物体在指定温度时的辐射能与同温度黑体辐射能的比值,在常温范围内,物体的发射率光谱与温度无关,仅与材质属性及波长相关。基于这一假设,以山东省东营市胜利油田孤岛采油厂获取的原油样品与渤海湾海水为材料,利用102F傅里叶变换热红外光谱辐射仪设计海面油膜发射率光谱实验,系统的测量分析了海面油膜随厚度连续变化过程中海面油膜发射率的变化特征与产生机理。结果表明,海表油膜的热红外发射率在甚薄阶段(20~120μm)变化较大,利用热红外发射率光谱能够较好的探测海表甚薄油膜;在8~10μm和在13.2~14μm波段范围内,海水与厚度为20μm的甚薄油膜存在较为稳定的发射率差异,利用该光谱范围内的油膜发射率可以用来探测20μm的甚薄油膜;在11.7~14μm波段范围内,油膜发射率与其厚度相关性小,油膜的发射率明显低于本底海水的发射率,利用该光谱范围内的油膜发射率可以用来探测较薄油膜的有无;在11.72,12.2,12.55,13.48和13.8μm这几个波长附近,油膜发射率随着油膜厚度的增加呈现出递增或递减,且变化幅度较大,利用这几个波长附近谱段的发射率可以用来探测较薄油膜的发射率光谱响应。     

复杂海况下激光气-海信道传输特性

在蓝绿激光对潜通信及对潜探测应用中,激光分别通过大气、气-海界面以及海水信道传输。由于海面上方覆盖海雾、风速引起海面粗糙度变化以及覆盖泡沫、海水信道中存在悬浮粒子等多种因素的影响,蓝绿激光传输信道呈现复杂特征。基于米散射理论、粗糙面散射理论及辐射传输理论,针对上述复杂海况开展海雾大气、泡沫覆盖风驱粗糙海面及考虑浮游植物分布的海水信道的激光传输特性研究,并详细讨论了风速、海雾能见度及浮游植物分布对激光功率的衰减作用。结果表明:海雾、粗糙海面泡沫和海水信道中浮游植物对传输激光功率共同起作用,其中海水信道中浮游植物对激光功率的衰减最为显著,风速改变带来的海面粗糙度变化以及覆盖泡沫主要对激光透射角域产生显著影响,同时对激光功率的透射极值产生一定的影响。     

机载C波段全极化SAR海面风矢量反演理论研究及实验验证

机载全极化SAR海面风矢量反演研究对于近海岸复杂气象条件下风矢量探测具有重要意义. 本文从极化散射理论出发,通过分析全极化SAR探测数据与海面风矢量的关系, 设计了全极化SAR海面风矢量反演方案.依据机载SAR高机动性和全极化两个探测特点, 针对VV极化探测数据,提出了基于最大似然估计的海面风矢量反演方法,并设计了飞行实验方案; 针对VH极化探测数据,提出了通过带约束最优拟合的VH极化海面散射模型反演风速, 再利用CMOD5地球物理模型函数计算风向的海面风矢量反演方法. 利用机载全极化SAR探测的台风'海葵'边缘数据,开展了海面风矢量反演实验研究. 研究结果表明,两种风矢量反演方法均可不借助辅助信息,反演复杂气象条件下的海面风矢量. 前者反演风向、风速的均方根误差分别为18.0°, 1.8 m/s, 后者反演风向、风速的均方根误差分别为9.3°, 1.2 m/s,后者的反演精度优于前者. 这是因为VH极化归一化雷达截面与风向和雷达入射角无关,仅与风速密切相关, 更适合复杂气象条件下的海面风矢量反演. 关键词： 机载全极化SAR 海面风矢量 理论研究 实验验证     

面向水面溢油检测的多角度偏振反射特性仿真研究

为了在耀光干扰下提升粗糙海面溢油的检测效果,基于Cox-Munk粗糙海面概率统计模型,对不同入射和观测几何下海水与油膜反射耀光的偏振度及其差异进行仿真研究。结果表明：入射和观测几何以及海面介质的折射率是海面耀光偏振度空间分布的主要影响因素;当满足一定太阳入射角时,海面介质折射率差异是水/油反射耀光偏振度差出现“正负反转”的主要原因;入射平面内水面溢油最佳偏振观测角度与太阳入射天顶角和溢油折射率相关。     

超低空状态下海面激光后向散射测量与仿真

海面的激光散射特性是制约激光雷达对低空飞行器进行探测与识别的关键因素之一.模拟超低空状态,通过人工造渡池模拟不同海情的海面,采用激光散射测量装置在典型海情下近距离海面获取了激光后向散射数据;采用网格化分割海面,根据Pierson-Moscowitz谱构建了三维时变海面几何模型,利用Torrance-Sparrow模型模拟分析海面的近距离激光后向散射特性.测量和仿真数据表明:实测与仿真结果一致,海面的激光散射受海面几何波形调制;其强度随擦地角增大而增大;由于海面的随机起伏,海面散射极大值存在较大范围波动,并且波动随擦地角减小而增大.     

由小斜率近似计算粗糙海面对空气声源激发的浅海声场的影响

采用一级小斜率近似方法处理空气声经粗糙海面透射至浅海中的声场问题。假定空气、海水和海底为三层均匀介质,将海水层中声场分解为下行波和上行波,导出了粗糙海面条件下下行波和总声场的小斜率近似表达式。导出的声场表达式可由快速傅里叶变换计算,但会出现混叠问题。为了减轻混叠影响,提出了引入额外介质吸收的计算方法。针对高度一维变化且频谱满足PM谱的起伏海面,采用蒙特卡洛仿真计算了相应的水下声场。结果表明,随着海面起伏均方根高度的增加,水下相干场强度减小而均方声压则略有增大。      

海洋气溶胶多光谱偏振特性研究

为提高海洋气溶胶的反演精度,定量研究了气溶胶在可见近红外波段的多光谱偏振辐射特性。首先建立了合理的海洋气溶胶及海面模型,基于逐次散射法准确模拟了光在气溶胶中及大气—海洋交界面处的矢量辐射传输过程,接着从光谱角度定量分析了典型波段处的反射率和偏振反射率,在此基础上提出了海洋气溶胶偏振辐射的光谱分布模型,并用卫星数据对模型进行验证,最后研究了气溶胶光学厚度、观测角度、海水叶绿素a浓度和海面风速对气溶胶多光谱偏振辐射的影响。研究表明,在可见近红外波段不考虑大气吸收和耀斑效应时,气溶胶偏振辐射的光谱变化符合幂函数模型;在不同波段处,海洋气溶胶的偏振辐射受海水叶绿素a浓度和海面风速的影响不同;海洋气溶胶的多光谱偏振辐射信息有效体现了气溶胶的自身特性,且与反射率相比,偏振反射率随各因素的变化存在更明显的谱段差异性。因此,可以运用气溶胶的多光谱偏振信息反演海洋气溶胶参数,多光谱探测的加入对提高气溶胶反演精度具有重要意义。     

太阳能海水淡化装置的传热研究和性能分析

分析了几种太阳能海水淡化装置工作原理、结构和传热;指出要提高装置的性能参数和产水率,应从加强传热、充分利用潜热、同时减少装置中海水热容量等方面来考虑,但是最主要的是提高太阳能蒸馏器提供热源的温度。上述工作为太阳能海水淡化装置的进一步改进提供参考。     

从1500年以来地面温度的变化

从 15 0 0年以来就可以通过很深的钻孔测定地面温度 .通常影响地面温度的因素有两个 ,一是地球表面气候的变化 ,另一个是地壳内部热量的流动 .地壳温度一般是随着地面深度的增加而线性地上升 ,但非线性的热扰动也会导致地壳温度随深度的线性偏差 .最典型的数据大约是每一年要相差 2 0m ,或每 10 0年相差 15 0m .法国Xavier大学的H .Beltrami教授在全球 82 6处测量了地壳深度与温度的相关曲线 .在考虑了温度的反常效应后 ,他得到了地球表面的平均热通量与许多局部地区的地表温度 .由此推出了全球近 5 0 0年来的地面温度的变化 .他发现整个…     

相干瑞利散射海水水下温度测量技术的理论研究

海水水下温度的快速大范围测量是海洋监测的重要内容,在民用和军事领域都有着至关重要的意义,本文提出了采用相干瑞利散射方法测量海水水下温度的新方法:用宽带高速光电探测器接收本振激光和海水后向瑞利散射光相干产生的差频信号,进行傅里叶变换分析获取海水瑞利散射展宽谱,从而反演海水温度,首先从海水的热力学特性出发,对利用瑞利散射谱测量海水水下温度的基本原理进行了理论研究和软件模拟;然后对采用相干探测测量海水瑞利散射谱的测量方法进行了理论分析和软件模拟;在此基础上对瑞利散射海水水下温度测量精度进行了分析,得出当水体瑞利散射频谱半宽度测量精度为1 MHz时,测温精度约为0.35 K。     

漂浮式太阳能海水淡化膜单元结构研究

提出了微聚光直接蒸发海水实现淡化过程的概念,并在漂浮式透明膜板内的微结构中实施,即利用薄膜内部空腔,实现高效太阳能聚光,让太阳光直接加热并蒸发由亲水材料送入腔内的海水,实现海水淡化过程。它的最大优势就是将太阳能集热器与海水淡化器合二为一,漂浮于海面上,省却了土地成本,并可用非金属材料制造。本文对淡化膜中聚光产水单元的结构进行了优化设计,对其聚光过程进行了仿真分析,给出了太阳光不同入射角度下的聚光效率。并在样品结构中进行了稳态的实验验证,证明该装置最高温度可以达到70℃,产水量可以达到1.67 g/h,实现太阳能转化效率37.4%。     

含气泡水层介质对蓝绿波段漫射光水下传输过程的影响研究

风的作用使海浪发生破碎进而在海水上方形成稳定的水平均匀气泡层,并在海水与大气之间形成粗糙海面。本文采用Monte-Carlo法模拟蓝绿波段的漫射光在含气泡水层介质内的传播过程,在自然水体对光的吸收和散射基础上,分析浓度随风速变化、沿重力方向非均匀分布的气泡层以及粗糙海面对蓝绿光穿透特性影响。研究结果表明粗糙海面对透射能量的分布占主导地位,高风速下气泡层影响增强,不同波长漫射光的穿透特性受气泡层浓度变化的影响不同。     

余热驱动热变换器海水淡化系统性能研究

本文构建了一套余热驱动的热变换器海水淡化系统,系统的废水造水比达到0.0946,较参比系统提高49%。分析了海水温度、热源水入口温度和加热蒸汽温度的变化对系统性能的影响,结果表明随着海水温度升高,系统的废水造水缓慢减小后急速下降;随着热源水入口温度的降低,废水造水比缓慢减小后急速下降;加热蒸汽温度通过影响COP和海水蒸发器效数而影响废水造水比,在75℃时存在最佳值。热源水入口温度太低,海水温度和加热蒸汽温度太高均不利于系统的稳定。