淺海航道淤積位置和高度實時監(jiān)測技術(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，由于缺乏實時的監(jiān)測手段，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淺海航道淤泥淤積位置和高度進(jìn)行實時監(jiān)測的技術(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：聲波傳播到海面時會發(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可以看作全反射。聲波在淺海航道淤泥層進(jìn)行傳播時，通過比較散射和透射系數(shù)得出：高頻聲波在海底傳播時，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，在實驗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五個頻率的超聲進(jìn)行了聲衰減測量，驗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)在淺海航道淤積測量或預(yù)報方法不能夠?qū)崟r監(jiān)測的問題，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，提出了一種對淺海航道淤積位置和淤積高度進(jìn)行實時監(jiān)測的方法——基于換能器陣列的航道側(cè)面多傳感器淤積監(jiān)測法，并設(shè)計了相應(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)測時依次開啟發(fā)射換能器發(fā)射聲波信號，同時接收陣列中的所有換能器均接收信號，淤積位置和淤積高度不同時相應(yīng)接收聲納信號的功率譜峰值與傳輸時間也不同，根據(jù)這個差異就可以判別監(jiān)測區(qū)域的淤積情況。通過無線數(shù)傳模塊將監(jiān)測

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實現(xiàn)對淺海航道淤積位置和淤積高度的實時監(jiān)測。
　　在判別淺海航道的淤積位置和淤積高度時，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，將航道寬度方向平分成若干區(qū)域，并將每個區(qū)域作為一類淤積，每兩類之間各構(gòu)造一個分類器，利用淤積位置訓(xùn)練樣本對分類器進(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，利用淤積高度訓(xùn)練樣本對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。