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在内波条件下,水声信道稳定性变差,声速剖面的重构具有一定难度。与其他方法相比,经验正交分解法优点在于能用少量参数进行重构,而不需要引入大量的参数。利用南海北部陆坡测量的温度链数据,采用经验正交分解法对声速剖面进行重构。结果表明:在内波剧烈的南海北部海域,通过经验正交分解法重构声速剖面具有可行性,其前3个模态累计贡献率达到96.7%。分析样本的周期覆盖率对重构结果的影响后发现,当样本覆盖完整的海洋潮汐活动周期时,基于EOF分析对本组声速剖面的重构均方根误差小于1.1 m/s,重构声速剖面结果理想;而当采集的样本不能覆盖完整周期时,误差较大。 相似文献
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经验模态与小波分解在光学遥感内波参数提取中的应用 总被引：2，自引：0，他引：2
内波遥感参数提取是利用遥感影像研究海洋内波的重要手段,通过提取内波的基本参数可以对海洋内波的生成与传播机制进行进一步的研究。提出了利用经验模态分解、小波分解与高阶多项式拟合从光学影像中提取内波半波宽度的方法。经验模态分解与小波分解对内波剖面数据进行尺度分解,根据归一化方差最大来提取内波分量;多项式拟合基于内波剖面的亮暗条纹变化完全由内波调制的假设,对数据进行拟合,并根据一阶导数来提取半波宽度。用南海北部东沙岛附近2004年7月10日的中-巴资源卫星(China-Brazil Earth Resources Satellite,CBERS)影像对方法进行了验证。结果表明,3种方法能较好地提取所需参数,获取的内波半波宽度具有较好的一致性;上述方法在处理非平稳及非线性遥感数据上,具有非常明显的优势。基于一维非线性内波理论,通过提取的内波半波宽度,辅以水深和混合层深度数据,反演了内波的振幅。 相似文献
3.
基于正交匹配追踪的声层析方法 总被引：2，自引：0，他引：2
声速剖面的变化会对声传播产生较大的影响，经验正交函数模型经常用来实现对声速剖面数据的简化描述。然而在内波、湍流等海水不均匀性存在时，这种正则化操作会造成声速重构精度的大幅降低。本文利用字典学习生成声速剖面的非正交原子，在稀疏编码时采用正交匹配追踪（OMP，Orthogonal Matching Pursuit）算法，更新字典则使用KSVD （Kernel Singular Value Decomposition）的字典更新算法。由于字典学习不需要强制使用正交条件，对于训练数据更加灵活，从而可以使用少数的原子组合达到更高的重构精度。利用一次浅海声学实验多次测量的声速剖面研究了海水声速剖面的经验正交函数表示和字典学习，研究表明：相比于正交函数表示，学习字典可以利用少数原子（甚至一个原子）更好的解释声速剖面扰动。字典学习可以提高声速剖面的稀疏性，从而提高声速剖面的反演精度。 相似文献
4.
经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)是反演海洋内波参数的有效方法之一,但由于EMD存在模态混叠等问题,对海洋内波进行参数反演时会产生一定误差。相比较于EMD,变分模态分解(variational mode decomposition,简称VMD)能够有效地抑制模态混叠现象。为了更好地对海洋内波进行参数反演,提出了一种基于VMD对合成孔径雷达(synthetic aperture radar,简称SAR)遥感图像中的内波参数进行自动反演的方法。该方法先对SAR图像进行Canny处理,获取图像中的内波条纹信息,再根据内波传播方向自动选取灰度剖面;然后利用集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,简称EEMD)信号特征自适应分解模态函数的特点,再将分解得到的有效模态数作为VMD中参数K的参考值;最后利用VMD分解后的数据进行内波参数反演。试验结果表明:通过对Canny预处理后的条纹信息进行灰度剖面自动选取,解决了人为选取剖面所可能导致的误差;通过对剖面信号进行VMD处理不仅解决了EMD模态混叠的问题,成功地反演出内波的前导波振幅,而且所反演的结果与EEMD反演参数以及实测资料数据吻合得很好。 相似文献
5.
针对目前局部海域小时间尺度声速场建模方法未顾及不同深度区间内声速变化规律的问题,本文根据实测深海声速剖面的统计特征,提出了声速剖面分层方法,并进一步基于经验正交函数（Empirical Orthogonal Function, EOF）提出了局部小时间尺度的声速剖面分层时变模型构建方法。利用南海实测全海深声速剖面数据,分析了分层EOF第一模态系数和等效平均声速的日变化特征,并比较了不同拟合模型的精度。最后,利用试验海区的温度和潮汐数据分析了声速剖面周期变化的影响因素。结果表明： ①声速剖面分层EOF第一模态系数及等效平均声速具有日周期变化特征,上层声速日周期变化特征不明显,中层声速日周期变化特征较明显,下层声速变化较小但仍具有日周期变化特征;②局部海域小时间尺度声速拟合应考虑长期变化项的影响;③试验海区声速剖面EOF第一模态系数变化与温度显著相关,提取的声速剖面时变特征与海区潮汐周期特征基本吻合。 相似文献
6.
《海洋技术学报》2023,(2)
声速剖面（Sound Speed Profile,SSP） 是海洋环境观测的重要要素之一,引入遥感参数进行SSP 反演可以实时获取声速数据。反演首先需要依托精确的基函数对声速场进行降维表示,本文提出一种利用非线性基函数-学习字典（Learned Dictionaries,LDs） 提高降维精度的方案,并使用在多源信息融合上表现良好的自组织竞争型神经网络算法（Self-organizing Map,SOM） 对南海海域进行SSP 反演。实验结果使用均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）作为精度评估。实验结果显示：LDs 较传统基函数-经验正交函数（Empirical Orthogonal Functions,EOFs） 的降维精度在使用三阶基函数时提升0.13 m/s,五阶基函数提升0.07 m/s。使用五阶基函数进行反演,LDs 的反演精度为3.01 m/s,低于EOFs 的反演精度2.47 m/s。其原因为反演误差在机器学习训练基函数时被放大,导致所求得反演系数欠优。LDs 基函数较之传统的EOFs 能够有效突破正交性的限制,更精确地表示声速的扰动,达到了更高的降维精度,为声学信号处理任务的基函数学习提供一种方案。 相似文献
7.
利用了4 a的Argo剖面序列,通过经验正交函数(EOF)分析,得出了台湾以东海域声速垂直结构的时空变化特征。EOF拟合声速剖面的精度与选取的模态数有关,合成剖面时包含的模态数越多,精度越高;前3~6个模态反映了海区声速结构的主要变化,累积方差贡献率可达89.4%~96.6%。第1模态描述了声速在垂直方向上的同相变化,具有年周期,峰值和谷值分别出现在夏季和冬季;第2模态描述了声速在近表层与次表层和主跃层的反相变化。第1、2模态的共同作用是声速垂直结构差异的主导因素,使近表层声速的季节性变化较大,而主跃层的变化相对较小;而第3模态及更高阶的模态对声速剖面的调制作用在物理意义上并不明显。 相似文献
8.
基于Argo 观测资料的南海北部海域声速场
时空特征分析 总被引：1，自引：0，他引：1
利用近5 年的Argo剖面序列,通过经验正交函数（EOF） 分析,分析了南海北部海域声速垂直结构的时空变化特征
和声速场水平分布特征。分析表明：EOF 的前6 个模态反映了海区声速结构的主要变化,可以很好地表示声速剖面。第1 模
态具有明显的年变化周期,主要受海洋混合层季节性变化影响;第2 模态与第1 模态时间函数具有明显的反向变化特征,主
要对次表层进行调制;第3 模态主要影响次表层以下声速变化;表层声速分布与深层声速分布有明显的差异,表层声速主要
受海水温度变化的影响,深层声速分布与南海环流系统关系密切;冷涡的存在会引起声速场的低值中心。 相似文献
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浅海内波及声场起伏数值研究 总被引：2，自引：0，他引：2
为探讨声学方法监测(反演)海洋内波的可行性,分析ASIAEX2001亚洲海海洋声学实验定点温度链实验数据,结果表明：实验期间存在M2内潮波、周期10～30min非线性内波现象,并观测到双温跃层同相传播“双非线性内波”。分别对垂直和平行于内波传播方向传播声场进行了数值计算分析。垂直于内波传播方向的声传播计算结果表明：简正波波数时间演化函数的频谱与内波引起的声速剖面变化频谱基本一致;简正波系数(模值)时间演化函数的频谱与内波引起的声源位置处的声速演化函数的频谱基本一致;高阶简正波波数差随时间的变化要比低阶简正波波数差小约1个量级。平行于内波传播方向的声传播计算结果表明：内潮波主要导致相邻简正波间耦合;非线性内波包能够导致跨号甚至垮多号简正波间耦合。讨论了2种海洋内波声学监测方法。 相似文献
10.
为了研究内波对多波束测深的影响,通过对内波建模,分别对四个区间的声线跟踪情况进行了研究分析。在此基础上,推导了针对曲线型梯度结构的声线跟踪模型,并根据该模型进行了仿真分析。仿真简单模拟了采用常梯度声线跟踪模型对曲线型梯度结构声速剖面进行声速改正的声线跟踪过程。采用仿真数据绘制了声线跟踪前后的声线示意图,并对归算前后的波束脚印位置进行了比较分析。仿真结果说明内波会给多波束的边缘波束带来大量尖峰状的浅点,而这些浅点难以用传统的声速改正模型消除。推导的针对曲线型梯度结构的声线跟踪模型可为内波的进一步研究提供理论依据,最后对未来的研究进行了展望。 相似文献
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基于哨兵一号和高分三号卫星SAR数据的马六甲海峡内孤立波特性研究 总被引：2，自引：0，他引：2
漫长狭窄的马六甲海峡是重要的航道，研究该海峡内孤立波特征对潜艇、船只航行和海洋工程都是急需解决的问题。利用高空间分辨率的哨兵1号（Sentinel-1）和高分三号（GF-3）SAR遥感数据，对马六甲海峡的内孤立波特征开展了详细研究。利用哨兵一号2015年6月到2016年12月20景有内孤立波的SAR图像和高分三号2018年4月到2019年3月24景有内孤立波的SAR图像，统计分析了马六甲海峡海域的内孤立波空间分布特征。发现内孤立波多以内孤立波包以及单根内孤立波形式出现，内孤立波头波的波峰线最长可达39km。采用高阶非线性薛定谔方程反演模型可以计算出内孤立波的振幅与群速度，计算得到的内孤立波振幅和波包的传播群速度分别为4.7m ~ 23.9m和0.12m/s ~ 0.40m/s。由KdV方程得到的单根内孤立波的相速度为0.26m/s ~ 0.60m/s。可以得到，马六甲海峡内孤立波的振幅与传播速度与地形密切相关。 相似文献
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南海北部内孤立波SAR遥感反演的初步研究 总被引：3，自引：0，他引：3
应用海洋内孤立波2层流体模型的SAR遥感反演技术,对南海北部内孤立波SAR遥感反演进行了初步研究.对于不存在由同一波源生成的2个内孤立波波包的SAR遥感图像资料,可以利用Levitus等的月平均温盐资料确定跃层深度和约化重力加速度,进而确定内波波速并进行内波振幅的反演.这样能够充分利用宝贵的SAR图像资源. 相似文献
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This study consisted in the characterization of internal waves in the south of the Strait of Messina (Italy). The observational data consisted in thermistor string profiles from the Coastal Ocean Acoustic Changes at High frequencies (COACH06) sea trial.An empirical orthogonal function analysis is applied to the data. The first two spatial empirical modes represent over 99% of the variability, and their corresponding time-dependent expansion coefficients take higher absolute values during internal wave events. In order to check how the expansion coefficients vary during an internal wave event, their time derivative, called here changing rates, are computed. It shows that each wave of an internal wave train is characterized by a double oscillation of the changing rates. At the front of the wave, both changing rates increase in absolute value with opposite sign, and then decrease to become null at the maximum amplitude of the wave. At the rear of the wave, the changing rates describe another period, again with opposite sign. This double oscillation can be used as a detector of internal waves, but it can also give information on the width of the wave, by measuring the length of the oscillation, as this information may sometimes be hard to read straight out of the data. When plotting the changing rates one versus another, the resulting scatter diagram puts on a butterfly shape that illustrates well this behaviour. 相似文献
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为研究内孤立波与沙波的相互作用,本文对基于OpenFOAM的SedWaveFoam求解器进行改进,建立了内孤立波-泥沙运动欧拉两相流模型。在利用试验资料对模型进行验证的基础上,在南海北部典型代表性条件下,模拟分析了500 m水深位置沙波床面上内孤立波作用下的水动力变化和泥沙运动。结果表明,内孤立波逐渐离开沙波时,海底沙波背流面处出现与内孤立波背景流速反向的流速,在内孤立波导致的流场作用下,沙波床面上的泥沙悬起并运动到床面以上的水体中。振幅100 m的内孤立波可以导致床面以上14 m高的位置处出现约0.07 kg/m3的悬沙浓度。 相似文献
15.
内孤立波具有较大的振幅与较强的垂向剪切,能对海洋工程设施产生极大的破坏作用。本文设计实验研究了内孤立波与直立小直径桩柱的相互作用,采用粒子图像速度测量法(PIV)测量内孤立波的流速场,并采用自行设计的测力天平测量桩柱受力,测量分析了内孤立波对小直径直立桩柱产生作用力的实验值,与Morison公式计算的理论值比较。实验结果表明,第一模态内孤立波的流速方向以及作用力在桩柱的上下部分方向相反,产生很强的速度切变和扭力,对小直径直立桩柱造成破坏。通过与Morison公式计算的理论值比较,发现实验值与理论值的大小以及分布规律基本相同。 相似文献
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Empirical orthogonal functions (EOFs) are typically derived from direct measurements of the sound speed profile (SSP) and they are orthogonal in regard to the statistics of the SSP uncertainty. Viewed from the output end of a particular sonar system, however, the effect of an error in one EOF is usually coupled with the effect of the error in another due to the strongly nonlinear relation between the SSP parameters and the system response. In this paper, a new set of basis functions, orthogonal in regard to sonar performance measure, is developed to characterize SSP perturbations. The performance measure used is the Cramer-Rao bound (CRB) for SSP expansion coefficients derived from a full-field random Gaussian signal model; a closed-form, analytical solution is obtained for both the range-independent and adiabatically range-dependent environments. The derived functions make the CRB matrix diagonal, decoupling the errors in the estimation of the expansion coefficients. Compared to the EOFs, the new set of basis functions depends on both the statistics of the sound speed uncertainty and the sound waveguide propagation property; it incorporates the measurement noise as well. The development makes possible the investigation of the relative significance of the individual basis functions in system response; it also provides a novel framework for optimum acoustic parameterization in adaptive rapid environmental assessment. 相似文献
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A study of SAR remote sensing of internal solitary waves in the north of the South China Sea: Ⅰ. Simulation of internal tide transformation 总被引：1，自引：0，他引：1
For settlement of the well-known problem of contemporary radar imaging models, i. e. , the problem of a general underestimation of radar signatures of hydrodynamic features over oceanic internal waves and underwater bottom topography in tidal waters at high radar frequency bands （ X-band and C-band）, the impact of the ocean surface mixed layer turbulence and the significance of strat- ified oceanic model on SAR remote sensing of internal solitary waves are proposed. In the north of the South China Sea by utilizing some observed data of background field the nonlinearity coefficient, the dispersion coefficient, the horizontal variability coefficient and the phase speed in the generalized K-dV equation are determined approximately. Through simulations of internal tide transfor- mation the temporal evolution and spatial distribution of the vertical displacement and horizontal velocity of internal wave field are obtained. The simulation results indicate that the maximum amplitudes of internal solitary waves occur at depth 35 m, but the maximum current speeds take place at depth 20 m in this area of the sea （about 20°30＇N, 114°E） in August. It was noticed that considering the effects of flood current and ebb current respectively is appropriate to investigate influence of the background shear flow on coefficients of the K-dV equation. The obtained results provide the possibility for the simulation of SAR signatures of internal solitary waves under considering the impact of ocean surface mixed layer turbulence in the companion paper. 相似文献
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本文通过实验室水槽实验,讨论内孤立波经过凹陷地形的演化过程。实验在两层流体中进行,上下水层的厚度和密度被定量地控制,改变凹陷地形的宽度,并对每种地形分别进行了不同分层结构下具有不同初始振幅的内孤立波对照实验,研究内孤立波与凹陷地形的作用过程。研究发现,本文实验环境下凹型内孤立波实验波形与mKdV(Korteweg-deVries)理论波形更符合;而上凸型内孤立波实验,当非线性参数ε≤0.22时,KdV理论波形与实验波形符合较好,当非线性参数ε≥0.27时.mKdV理论与实验波形符合较好。下凹型内孤立波经凹陷地形过程中波形变化轻微,主波振幅有先减小后增大的趋势,且障碍比越大,变化趋势越明显。本实验结果可作为研究海洋中内孤立波与海底凹陷地形作用情况的参考。 相似文献
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Recent numerical studies (Hibiya et al., 1996, 1998, 2002) showed that the energy cascade across the internal wave spectrum down to small dissipation scales was
under strong control of parametric subharmonic instabilities (PSI) which transfer energy from low vertical mode double-inertial
frequency internal waves to high vertical mode near-inertial internal waves. To see whether or not the numerically-predicted
energy cascade process is actually dominant in the real deep ocean, we examine the temporal variability of vertical profiles
of horizontal velocity observed by deploying a number of expendable current profilers (XCPs) at one location near the Izu-Ogasawara
Ridge. By calculating EOFs, we find the observed velocity profiles are dominated by low mode semidiurnal (∼double-inertial
frequency) internal tides and high mode near-inertial internal waves. Furthermore, we find that the WKB-stretched vertical
scales of the near-inertial current shear are about 250 sm and 100 sm. The observed features are reasonably explained if the
energy cascade down to small dissipation scales is dominated by PSI. 相似文献