淺海航道淤積位置和高度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、淺海航道底部在風(fēng)、浪、流等天氣水文情況下淤積嚴(yán)重，由于缺乏實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)手段，經(jīng)常出現(xiàn)因船舶裝載量過少造成經(jīng)濟(jì)上的損失或裝載量過多導(dǎo)致船舶擱淺、港口全面阻塞等問題。本文根據(jù)淺海航道的特點(diǎn)分析了航道中聲傳播特性及衰減特性，在此基礎(chǔ)上提出了一種適合對(duì)淺海航道淤泥淤積位置和高度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)。論文所進(jìn)行的主要研究工作如下：
　　基于水聲學(xué)領(lǐng)域描述聲波傳播規(guī)律的射線聲學(xué)理論，在簡(jiǎn)化聲速分布的基礎(chǔ)上，分析研究了淺海航道中小掠射角聲傳播特性，

2、結(jié)果表明：航道中小掠射角聲波聲線軌跡近似直線傳播。基于Snell定律和能量守恒定律研究了海面對(duì)聲波的反射和透射特性，由研究結(jié)果可知：聲波傳播到海面時(shí)會(huì)發(fā)生反射和透射，但透射的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于反射能量，聲波在海面?zhèn)鞑r(shí)可以看作全反射。聲波在淺海航道淤泥層進(jìn)行傳播時(shí)，通過比較散射和透射系數(shù)得出：高頻聲波在海底傳播時(shí)，絕大部分聲能都透射到了沉積層中，散射聲能可以忽略。
　　基于Bouguer-Lambert-Beer-Law理論，建立了多分

3、散顆粒懸濁液聲傳播衰減損失模型，在實(shí)驗(yàn)室利用配制的不同粒徑的超細(xì)玻璃微珠和二氧化鈦的水懸濁液對(duì)五個(gè)頻率的超聲進(jìn)行了聲衰減測(cè)量，驗(yàn)證了該模型是有效的。以該模型為基礎(chǔ)，結(jié)合聲波在海水中的擴(kuò)展損失和吸收損失，建立了渾濁海域中聲傳播衰減模型，通過在渤海某航道中的聲傳播衰減測(cè)量，結(jié)果表明淺海航道渾濁海域中聲傳播衰減損失與顆粒粒徑、顆粒體積濃度以及聲頻率有關(guān)。
　　根據(jù)現(xiàn)在淺海航道淤積測(cè)量或預(yù)報(bào)方法不能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)的問題，在淺海航道聲傳播規(guī)律的

4、基礎(chǔ)上結(jié)合地震CT層析結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種對(duì)淺海航道淤積位置和淤積高度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法——基于換能器陣列的航道側(cè)面多傳感器淤積監(jiān)測(cè)法，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的系統(tǒng)原理樣機(jī)。該方法是在航道一側(cè)安放一條發(fā)射換能器陣列，另一側(cè)安放一條接收陣列，監(jiān)測(cè)時(shí)依次開啟發(fā)射換能器發(fā)射聲波信號(hào)，同時(shí)接收陣列中的所有換能器均接收信號(hào)，淤積位置和淤積高度不同時(shí)相應(yīng)接收聲納信號(hào)的功率譜峰值與傳輸時(shí)間也不同，根據(jù)這個(gè)差異就可以判別監(jiān)測(cè)區(qū)域的淤積情況。通過無線數(shù)傳模塊將監(jiān)測(cè)

5、數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨渡系谋O(jiān)控中心，應(yīng)用客戶端即可利用Internet實(shí)現(xiàn)對(duì)淺海航道淤積位置和淤積高度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
　　在判別淺海航道的淤積位置和淤積高度時(shí)，提出了基于決策導(dǎo)向無環(huán)圖支持向量機(jī)（Decision Directed Acyclic Graph Support Vector Machine，簡(jiǎn)稱DDAGSVM）算法的多類問題的航道淤積位置判別法和基于支持向量機(jī)回歸的航道淤積高度判別法。利用離散K-L（Karhunen-Loeve

6、）變換提取的航道淤積特征向量與實(shí)際淤積位置和淤積高度分別組成淤積位置訓(xùn)練樣本和淤積高度訓(xùn)練樣本，在淤積位置判別時(shí)，將航道寬度方向平分成若干區(qū)域，并將每個(gè)區(qū)域作為一類淤積，每?jī)深愔g各構(gòu)造一個(gè)分類器，利用淤積位置訓(xùn)練樣本對(duì)分類器進(jìn)行訓(xùn)練，將淤積特征向量帶入訓(xùn)練好的分類器結(jié)合DDAGSVM算法，判別出淤積位置；在淤積高度判別時(shí)，利用淤積高度訓(xùn)練樣本對(duì)淤積高度回歸模型進(jìn)行訓(xùn)練，將淤積特征向量帶入訓(xùn)練好的淤積高度回歸模型，判別出航道的淤積高度。