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海底底质声学现场探测设备机械系统研究

大连理工大学学报 2017年第3期57卷 252-258页

作者：薛钢刘延俊季念迎张莹莹山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点实验室山东济南250061 山东拓普液压气动有限公司山东济南250061 山东大学海洋研究院山东济南250100

海底底质声学特性在海洋工程勘察、海底资源勘探开发、海洋军事国防建设等方面具有重要的应用价值.随着海洋事业的发展,对海底底质声学现场探测设备的要求也越来越高.首先介绍了所研制的海底底质声学现场探测设备的机械系统,然后基于AME... 详细信息

海底底质声学特性在海洋工程勘察、海底资源勘探开发、海洋军事国防建设等方面具有重要的应用价值.随着海洋事业的发展,对海底底质声学现场探测设备的要求也越来越高.首先介绍了所研制的海底底质声学现场探测设备的机械系统,然后基于AMESim和Workbench联合分析,确定了机械系统的工作荷载,以滑轮组支架为例进行了优化.研究表明,经过仿真优化,能够大幅度降低机械系统总质量,延长设备水下作业时间.研究成果对海底底质声学现场探测设备机械系统设计具有参考价值.

关键词：海底底质机械系统优化设计有限元分析

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海底底质声学性质原位测量技术研究

海洋科学 2007年第8期31卷 6-10页

作者：郭常升窦玉坛谷明峰中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室山东青岛266071

系统介绍了海底底质声学性质原位测量技术,提出了新的原位测量方法,并根据这一测量方法,初步设计制作了相应的海底原位测量仪器。利用初步制作的测量仪器在实验室内对砂质沉积物进行了模拟测量试验,仪器测量得到的沉积物声速与直接透射... 详细信息

系统介绍了海底底质声学性质原位测量技术,提出了新的原位测量方法,并根据这一测量方法,初步设计制作了相应的海底原位测量仪器。利用初步制作的测量仪器在实验室内对砂质沉积物进行了模拟测量试验,仪器测量得到的沉积物声速与直接透射法测量获得的声速基本一致。在宁波近海海域进行了海上实际测量试验,获得了该测量区域海底底质的声速,验证了此测量技术的可行性,为进一步研发先进的海底原位测量仪器奠定了基础。

关键词：海底底质原位测量声速声衰减

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海底底质测量数据处理技术体系研究

海洋测绘 2021年第1期41卷 56-60页

作者：王沫金绍华王美娜温凤丹海军大连舰艇学院军事海洋与测绘系辽宁大连116018

针对底质测量方式和应用需求的不断增加,构建海底底质测量数据处理技术体系,从梳理海底底质测量现状、方式和特点、数据处理方法等方面,分析和总结了海底底质测量数据处理技术体系的设计思路和建设策略,为体系的系统性、规范性数据处理... 详细信息

针对底质测量方式和应用需求的不断增加,构建海底底质测量数据处理技术体系,从梳理海底底质测量现状、方式和特点、数据处理方法等方面,分析和总结了海底底质测量数据处理技术体系的设计思路和建设策略,为体系的系统性、规范性数据处理提供了理论依据,为底质测量数据处理的全面开展提供前瞻性、有针对性的参考意见。研究现场采样、声学测量等数据获取方法的特点和优缺点,设计底质数据从获取端到应用端的处理流程和体系架构,重点关注数据的定量、定性分析和数据融合处理,提出了一套海底底质测量数据处理解决方案。

关键词：声学测量海底底质底质采样数据处理技术体系

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海底底质声学性质及原位测量技术研究

海底底质声学性质及原位测量技术研究

作者：谷明峰中国科学院研究生院（海洋研究所）

学位级别：硕士

海底表层沉积物的声学特性(主要指纵波声速和声衰减系数)研究对海洋军事以及海洋环境声场的研究都具有重要的意义。海底表层沉积物声速和声衰减系数的测量方法主要有两种:取样测量和原位测量。由于取样测量存在着一些难以克服的弊端,例... 详细信息

海底表层沉积物的声学特性(主要指纵波声速和声衰减系数)研究对海洋军事以及海洋环境声场的研究都具有重要的意义。海底表层沉积物声速和声衰减系数的测量方法主要有两种:取样测量和原位测量。由于取样测量存在着一些难以克服的弊端,例如取样过程中对沉积物的扰动,原位测量正逐渐成为海底沉积物声学性质测量的核心技术。国外在20世纪50年代就已经开始了海底表层沉积物声学特性的研究,并取得了一些研究成果。20世纪90年代初,国外相继研制了多种海底底质声学特性原位测量系统,大大的提高了海底底质声学参数测量的效率和精度。我国在这方面的研究还是一个非常薄弱的环节,相关的实际需求急需国内的科研人员开展这方面的研究工作,为海底表层沉积物的声学特性提供测量技术支持。本文主要分析了国外在海底表层沉积物声学性质以及原位测量技术方面的研究成果,根据海底表层沉积物的声学特性,研究了表层沉积物的原位测量方法,在此测量方法的基础上,开发了海底声学参数原位测量技术。利用我们初步研制的原位测量系统,分别在实验室内和海滩上对不同类型的沉积物进行了测量试验,试验测量数据分析证明研制的测量系统能够有效地测出沉积物的声速和声衰减系数。总结本文的研究工作,主要取得如下成果: 1)提出了新的海底表层沉积物声学性质原位测量方法;2)设计开发了海底表层沉积物声学参数原位测量系统;3)利用测量数据,分析研究了海底表层沉积物的声学特性。

关键词：海底底质声速声衰减系数原位测量

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基于回波数据的海底底质分类方法研究

基于回波数据的海底底质分类方法研究

作者：王悦哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

海底底质是海洋学研究中的一个重要方向。多波束探测是海底底质分类研究中主要的数据收集方法,为国家海底底质分类研究提供了海量的海底数据支持,而海底底质分类对海底测绘与潜艇隐蔽等领域有着重要的意义和实际研究价值。如今,海底环... 详细信息

海底底质是海洋学研究中的一个重要方向。多波束探测是海底底质分类研究中主要的数据收集方法,为国家海底底质分类研究提供了海量的海底数据支持,而海底底质分类对海底测绘与潜艇隐蔽等领域有着重要的意义和实际研究价值。如今,海底环境的反演受到广泛的关注,也是目前海洋底质科学研究领域的热点。因此,本文选择底质类型较为丰富的福建省湄洲湾探测的回波数据,对海底底质分类方法进行深入研究。首先,介绍了本课题研究基于回波数据的海底底质分类方法的背景与意义,分析了国内外对海底底质相关研究的现状。结合多波束底质探测的相关理论,分析了多波束数据记录方式及回波数据的特征,并对本课题使用的回波数据和来源进行了基本介绍。其次,对于回波数据特征量提取,主要从时间序列、频域序列和时频域三个角度提取回波数据特征量,解决单一类型特征量进行底质分类问题。在时间序列特征量提取角度,主要研究了基于时间序列波形提取的9个特征量;在频率序列特征量提取角度,主要研究了基于FFT变换下的两种子带能量特征提取的方法;在时频域特征量提取角度,主要研究了基于EMD分解和Hilbert变换的特征提取方法。从这三个角度得到了14回波数据的特征量进行了实验分析评价,为选择合适的回波特征做准备,为回波数据特征融合研究提供有效的特征量。再次,从经典融合算法与优化的m RMR算法两个方面对海底底质回波数据提取的特征量进行研究与分析。介绍了特征量冗余判定标准,通过冗余判定理论对特征量进行分析,进行实验判定特征量存在冗余,确定了需要融合算法来进行特征量去冗余降维。进一步通过特征量融合算法包括串行、PCA算法、Fisher算法和m RMR算法进行理论分析,提出优化的m RMR算法,对五种特征融合算法实验分析和评价,实验结果表明,与串行相比较其他特征融合算法能更好得对特征进行融合,其对于融合效果提高较高,有很强的应用价值。最后,介绍了三种对海底底质分类的方法,包括KNN算法、BP神经网络算法和随机森林算法,分析了算法的可行性。以海底底质回波数据的五种特征量融合结果进行实验,得到在三种分类方法下的准确率,并进行了对比分析,得到在本文提出的优化m RMR融合算法基础下,通过随机森林进行分类得到较好效果,证实了海底底质回波数据经过特征融合工作在分类效果上提高的理论分析,具有实际的应用价值。

关键词：回波数据海底底质特征提取底质分类

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基于度量学习的海底底质分类算法研究

基于度量学习的海底底质分类算法研究

作者：靳维哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着高分辨率成像声呐技术的发展,基于声呐图像的海底底质分类技术成为主流底质识别技术之一。许多学者使用支持向量机、K最近邻法、K均值聚类法、随机森林、神经网络等算法对海底底质声呐图像进行分类,取得了不错的效果。尤其是K最近... 详细信息

随着高分辨率成像声呐技术的发展,基于声呐图像的海底底质分类技术成为主流底质识别技术之一。许多学者使用支持向量机、K最近邻法、K均值聚类法、随机森林、神经网络等算法对海底底质声呐图像进行分类,取得了不错的效果。尤其是K最近邻法、K均值聚类法等依赖底质特征间相似度度量的方法,在一定情况下克服了由海底底质分布不均匀导致的数据偏斜问题。但海底情况错综复杂,当形成的海底底质数据集中每种底质的样本数量相差过大,分类器的分类效果便会受到较大影响。因此,找寻一个合适的度量来重新规划底质样本的分布对弥补现有算法在海底底质分类中的不足,提升海底底质的分类识别能力具有重要的意义。针对海底底质数据特点和依赖相似度度量的传统算法在底质分类中存在的不足,本文将度量学习方法应用到海底底质分类当中,通过度量学习算法改善海底底质特征的分布情况,提高分类准确率。首先,对原始侧扫声呐数据进行处理,实现图像畸变校正、增益补偿,完成数据集制作,保证了用于后续研究的数据的可靠性。采用统计法、模型法、信号处理法提取海底底质特征,在此基础上,研究海底底质多特征提取方法,最大程度地提取出海底底质特征。用过滤法过滤海底底质特征集合中冗余特征和无关特征,完成底质特征选择,为后续实验提供了准确可靠的海底底质特征数据。其次,针对依赖相似度度量的传统算法在海底底质分类中的不足,本文将线性度量学习思想应用到海底底质分类中。从海底底质特征的统计学角度和实际距离信息出发,分别采用信息论度量学习(Information-Theoretic Metric Learning,ITML)和大间隔最近邻分类的距离度量学习(Large Margin Nearest Neighbor,LMNN)优化海底底质特征空间分布,提升底质分类效果。实验结果表明两种线性度量学习算法在海底底质分类任务中具有可行性,且基于LMNN的海底底质分类算法对海底底质具有更好的区分识别能力。最后,针对线性度量学习算法LMNN无法区分海底底质特征空间中类边界元素点的问题,本文结合实际分类结果分析线性度量学习的局限性,将非线性度量学习思想应用到海底底质分类中,采用梯度增强非线性度量学习算法(Gradient Boosting Large Margin Nearest Neighbor,GB-LMNN)和鲁棒结构度量学习算法(Robust Metric Learning to Rank,R-MLR)优化海底底质特征空间分布,实验结果表明GB-LMNN算法对海底底质特征空间分布具有更好的改善效果。

关键词：海底底质线性度量学习非线性度量学习分类识别

基于声纳回波波形特征的海底底质类型分类方法研究

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基于声纳回波波形特征的海底底质类型分类方法研究

作者：万宏俊哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着多波束系统的发展和壮大,多波束声呐数据也变得越来越多,在利用多波束声呐数据的过程中,多波束测深数据包和多波束声呐伪侧扫图像数据包都得到了有效的利用。目前关于利用多波束声呐图像进行海底底质分类研究的工作已经较多,但是多... 详细信息

随着多波束系统的发展和壮大,多波束声呐数据也变得越来越多,在利用多波束声呐数据的过程中,多波束测深数据包和多波束声呐伪侧扫图像数据包都得到了有效的利用。目前关于利用多波束声呐图像进行海底底质分类研究的工作已经较多,但是多波束声呐的接收波形目前还没有有效的利用。本文通过分析多波束海底回波波形,提取合适的波形特征向量,对海底底质分类做出了研究。首先,本文简单介绍了海底底质分类研究的研究背景与意义,梳理了国内外多波束系统的研究与发展现状,分析了利用多波束系统进行海底底质分类以及利用的研究现状,以及国内外利用波形特征进行海底分类的研究现状。其次,本文对海底底质数据来源和数据预处理进行了分析。分析了声波在海水中的传播过程,论证了海底散射强度与海底底质之间的相关关系;本文详细介绍了多波束数据的保存格式.XTF,对于解析后的多波束海底底质数据,通过分析多波束数据的误差来源以及海底的反向散射强度的传播过程,本文又在入射角、传播损失和声线传播做出了分析和校正。再次,本文对多波束声呐海底波形数据进行了特征提取,主要是时域与频域的特征提取方法。本文通过分析不同底质的声呐时域波形形状,提出了一个七维特征向量,可以有效的描述海底回波的波形结构。在频域分析上,本文根据海底回波的情况,排除了傅里叶变换,转而采用小波包分解和HHT变换对海底回波进行特征提取,本文利用小波包分解对波形进行分析,提取了小波包能量作为特征向量;为了分析瞬时频率上的特征,本文利用希尔伯特黄变换对原始波形信息进行分析。经过仿真验证,提取的频域特征可以有效的反映波形的时频域三维变化。最后,本文进行海底底质分类器的设计工作,对提取的特征汇总,构成分类器的输入向量,本文首先利用K均值对特征空间进行分析,其次利用支持向量机和神经网络对海底底质进行分类,与预先的底质结果相比,正确率高达82%,具备使用价值,证明了利用多波束回波进行海底分类的可行性。

关键词：海底底质多波束声呐波性特征提取底质分类

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基于声呐数据的海底底质反演方法研究

基于声呐数据的海底底质反演方法研究

作者：杨毅哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

人类的活动范围随着现代科技的发展而不断扩张,远至月球乃至火星都有人类科技的足迹。然而人们对近在咫尺的海洋的探索能力可能还不如月球,海底环境的特点限制了诸多技术的应用。但海洋中丰沛的资源是人类文明最重要的,也是目前科技发... 详细信息

人类的活动范围随着现代科技的发展而不断扩张,远至月球乃至火星都有人类科技的足迹。然而人们对近在咫尺的海洋的探索能力可能还不如月球,海底环境的特点限制了诸多技术的应用。但海洋中丰沛的资源是人类文明最重要的,也是目前科技发展下最触手可及的宝库。海底底质信息是了解海洋的重要参考信息,对海底底质信息的分析是海洋研究重要的研究方向。传统接触式方法进行海底底质探测成本高昂且效率低下,海洋学者和水声学者的研究证明了利用声学遥感技术可以不需要深入海底深处,通过反射声波来反演海底底质信息。本课题受项目支撑,本文主要对海底底质类型划分原则、声呐数据处理成像、反向散射强度特征提取、底质分类算法模型等4个海底底质反演相关内容开展了研究工作。并用理论分析、仿真实验及使用海上试验区实测数据进行底质地图反演工程实现等方法进行研究工作展开。本文研究中所采用的海底底质地图反演流程为我国未来开展海底底质探测工作提供了理论依据和技术支持。主要研究内容如下:首先,调查了国内外海底底质反演技术的研究现状和海底底质分类软件的发展情况,介绍了多波束声呐和侧扫声呐系统的工作原理,研究了海底底质探测方法、底质类型粒度划分方法、混合底质划分规则以及底质类型符号系统。其次,介绍了声呐数据的常用格式,并根据实验获得的声呐数据,实现数据解析。在研究中,数据精度是实现研究内容的重要影响因素,为提高数据精度,分析了声呐数据在测量过程中引入误差的因素,实现声呐数据的强度归算,反向散射强度真值校准,从而提高声呐数据真实性,为底质反演奠定了良好的基础。再次,基于多波束反向散射强度图的特性,研究了概率分布特性、纹理特征和Pace特征分析,并结合实验数据验证了提取特征对声呐数据中蕴含的底质信息的表征情况。基于多波束角度响应曲线,提出了一种概率比例波峰特征提取方法。绘制的三维概率比例图可以直观放大角度响应曲线中蕴含的底质特性,定性表征多波束侧向纵向上的底质分布情况。利用概率比例曲线和滑动窗口的方法,分析计算多波束测线条带垂向底质边界,可以有效的提高底质采样数据边界精度,修正底质采样数据中的误差点。减少由于底质标签存在误差所带来的分类精度下降。且该方法作为辅助手段,可以降低底质采样数据处理过程中的人为经验干预程度,提高处理速度。最后,分别引用了CNN、SVM两种分类算法对声呐数据进行分类研究,针对每种算法的特点,对数据进行与算法相匹配的处理。基于对原始声呐数据和底质采样数据的有效校正,分类模型取得了优异的拟合效果,反演的底质分布图与采样数据高度匹配,具备使用价值。

关键词：海底底质声呐数据底质边界定位特征提取底质反演

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面向海底底质声呐图像的分类算法研究

面向海底底质声呐图像的分类算法研究

作者：张响云哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

当下随着声呐技术的不断进步,海洋学家利用水下声呐技术对神秘的海底世界进行探测,所得到的海底底质声呐图像中包含了大量的底质信息,为之后的海底探测、反演海底底质以及军事作战等领域工作打下基础。本课题以声呐成像技术为背景,考虑... 详细信息

当下随着声呐技术的不断进步,海洋学家利用水下声呐技术对神秘的海底世界进行探测,所得到的海底底质声呐图像中包含了大量的底质信息,为之后的海底探测、反演海底底质以及军事作战等领域工作打下基础。本课题以声呐成像技术为背景,考虑到其成像原理以及干扰因素,重点分析了几种图像去噪、增强、特征提取以及分类的算法。并从各组实验用时、准确率等出发,对比分析出最适宜海底质声呐图像分类的一组模型,对海底底质研究有一定的推动作用。开篇,先对此次研究方向:面向海底底质声呐图像处理、归类的现状、目的、实际应用给予了一定概述,对国内外在此领域的研究现状、发展历程做了对比,并与探测系统工作流程及其相关原理相结合,除此之外还介绍了所用数据样本出处。其次,鉴于海洋环境的复杂多变以及来自设备等更多方面的外界因素对海底底质图像的影响,本文有针对性的选择一些预处理方法来减少外界干扰。通过分析几种算法并比对效果后,最终选择自适应中值滤波对原始声呐图像做去噪处理。除此之外,还通过Retinex算法对去噪后的图像进行增强处理。对图像的分辨率、对比度等特性以及整体效果加以改善。为了后期图像辨别、归类取得较好效果,此前需应用较为恰当有效的特征提取算法对图像进行特征提取。考虑到海底底质声呐图像本身特有的纹理等特性,本文采用了三种算法,分别是:尺度不变特征转换(SIFT)、改进的局部二值模型(改进的LBP)以及改进的密集微块差异算法(改进DMD)。SIFT特征提取算法具有一定多量性、高效性、区分性等优势,可以准确、较快的获得声呐图像描述符。改进的LBP描述子规模相对较小,提取方便、运算简单。改进DMD特征提取算法是较为新颖的用在纹理图像分类中的算法,内容丰富,具有很强的代表性。此次实验首次将其改进后应用在海底底质声呐图像中且其效果较为理想。最后,在分类方法中采用SVM、DBN两种算法对上文提到的特征提取算法所得描述子做分类验证。通过对实验结果及过程分析,发现改进DMD特征提取算法与DBN分类算法相结合的模型性能较好且准确率较高,更适合于海底底质声呐图像分类,最终选取此模型作为最终分类方法,此次实验也为海底底质图像分类研究提供了一定的参考价值。

关键词：海底底质声呐图像去噪增强特征提取分类识别