Driving forces shaping phytoplankton assemblages in two subtropical plateau lakes with contrasting trophic status

1. We studied driving forces shaping phytoplankton assemblages in two subtropical plateau lakes with contrasting trophic status, the oligotrophic deep Lake Fuxian and the eutrophic shallow Lake Xingyun. 2. Phytoplankton samples were taken monthly for a year and phytoplankton species were sorted into the main taxonomic groups and associations proposed by Reynolds. A canonical correspondence analysis (CCA) was used to test the occurrence of these classification schemes and to determine their discriminatory power. 3. The results suggest that the major driving forces in Lake Fuxian were physical variables, and particularly the underwater light climate, whereas, nutrients were the important driving force in Lake Xingyun. 4. Top-down control through zooplankton grazing in Lake Fuxian was hardly ever a significant determinant itself, because of the scarcity of zooplankton and their low grazing efficiency of predation while a dominance of inedible cyanobacteria throughout the year rendered top-down controls ineffective failing in Lake Xingyun. Hence phytoplankton communities in both lakes appear to be regulated primarily by bottom-up controls.

Comparison between visual and passive acoustic detection of finless porpoises in the Yangtze river, China

Recently, sonar signals and other sounds produced by cetaceans have been used for acoustic detection of individuals and groups in the wild. However, the detection probability ascertained by concomitant visual survey has not been demonstrated extensively. The finless porpoises (Neophocaena phocaenoides) have narrow band and high-frequency sonar signals, which are distinctive from background noises. Underwater sound monitoring with hydrophones (B&K8103) placed along the sides of a research vessel, concurrent with visual observations was conducted in the Yangtze River from Wuhan to Poyang Lake in 1998 in China. The peak to peak detection threshold was set at 133 dB re 1 mu Pa. With this threshold level, porpoises could be detected reliably within 300 m of the hydrophone. In a total of 774-km cruise, 588 finless porpoises were sighted by visual observation and 44 864 ultrasonic pulses were recorded by the acoustical observation system. The acoustic monitoring system could detect the presence of the finless porpoises 82% of the time. A false alarm in the system occurred with a frequency of 0.9%. The high-frequency acoustical observation is suggested as an effective method for field surveys of small cetaceans, which produce high-frequency sonar signals. (C) 2001 Acoustical Society of America.

Investigation on pressure sensitivity of fiber optic mandrel hydrophone - art. no. 659544

Pressure sensitivity of the fiber optic mandrel hydrophone is analyzed in this paper. Based on the theory of elasticity, the mechanism of the pressure response is studied. The influence of the optical fiber on the compliant mandrel on the pressure response is taken into consideration for the first time. The radial deformation of the mandrel under the pressure of the fiber optic and the underwater pressure is analyzed in details. Based on the theory of photo-elasticity, the phase shift of the Mach-Zehnder interferometer is given. The pressure sensitivity is evaluated both theoretically and experimentally, and the results show a good correlation between the theoretical and experimental results.

Fine sediment resuspension dynamics in Moreton Bay

A comprehensive field study has been undertaken to investigate sediment resuspension dynamics in the Moreton Bay, a large semi-enclosed bay situated in South East Queensland, Australia. An instrumented tripod, which housed three current meters, three OBS sensors and one underwater video camera, was used to collect the field data on tides, currents, waves and suspended sediment concentrations at four sites (Sites 1, 2, 4, and 5) in the bay. Site I was located at the main entrance, Site 2 at the central bay in deep water, and Sites 4 and 5 at two small bays in shallow water. The bed sediment was fine sand (d(50) = 0. 2 mm) at Site 1, and cohesive sediment at the other three sites. Based on the collected field data, it is found that the dominant driving forces for sediment resuspension are a combination of ocean swell and tidal currents at Site 1, tidal currents at Site 2, and wind-waves at Sites 4 and 5. The critical bed shear stress for cohesive sediment resuspension is determined as 0. 079 Pa in unidirectional flow at Site 2, and 0. 076 Pa in wave-induced oscillatory flow at Site 5.

多源多时相SAR资料反演水下地形的同化模型

合成孔径雷达(SAR)是重要的微波传感器之一，在海洋遥感领域得到了广泛应用。浅海水下地形SAR探测是SAR海洋应用的重要部分之一，发展业务化水下地形SAR探测技术是水下地形SAR探测研究的最终目标。现有的水下地形SAR探测是基于单景SAR影像开展的，探测结果不能全面反映水下地形。因此，发展一种基于多源多时相SAR影像的水下地形反演方法是该研究方向的前沿问题。 本文基于水下地形SAR成像机制和袁业立（1997）导出的海波高频谱解析表达式，首次建立了基于多源多时相SAR影像的水下地形反演的同化模型与算法，并通过该模型在台湾浅滩水下地形SAR探测中的应用检验了该模型和算法的可行性。本文还开展了已有的浅海水下地形SAR探测技术（浅海水下地形单景SAR影像反演）在台湾浅滩水下地形探测中的应用研究，以及反演初始水深对水下地形SAR反演结果影响的研究。此外，本文还对中国近海水下地形SAR成像能力进行了分析。 在浅海水下地形SAR探测技术应用于台湾浅滩研究方面，基于7景SAR影像开展了台湾浅滩单景SAR影像反演计算，反演结果表明同一水下地形不同时相SAR影像反演结果不能全面反映真实地形特征。 在反演初始水深对水下地形SAR反演结果影响研究方面，通过不同初始水深条件下台湾浅滩水下地形SAR反演结果的比较分析，可以得出：初始水深影响水下地形反演结果的准确性，初始水深的选取需要较粗的实际水深的支持； 在多源多时相水下地形SAR反演同化模型研究方面， 建立了多源多时相水下地形SAR反演的同化模型与算法，通过基于多源多时相SAR影像的台湾浅滩五种不同情形水下地形反演计算，证明了多源多时相水下地形SAR反演同化模型和算法是可行的，并给出了基于多源多时相SAR影像的水下地形反演计算中SAR影像的选取原则。 在中国近海浅海水下地形SAR响应能力分析方面，基于对中国近海潮汐潮流状况、水下地形概况和已有中国近海SAR影像中水下地形特征等的分析，总结出中国近海适合开展浅海水下地形SAR探测的区域主要有：渤海海域、苏北近海海域、台湾海峡海域和南沙群岛海域。

中国近海和西北太平洋温跃层时空变化分析、模拟及预报

温度跃层是反映海洋温度场的重要物理特性指标，对水下通讯、潜艇活动及渔业养殖、捕捞等有重要影响。本文利用中国科学院海洋研究所“中国海洋科学数据库”在中国近海及西北太平洋（110ºE-140ºE,10ºN-40ºN）的多年历史资料（1930-2002年，510143站次），基于一种改进的温跃层判定方法，分析了该海域温跃层特征量的时空分布状况。同时利用Princeton Ocean Model(POM)，对中国近海，特别是东南沿海的水文结构进行了模拟，研究了海洋水文环境对逆温跃层的影响。最后根据历史海温观测资料，利用EOF分解统计技术，提出了一种适于我国近海及毗邻海域，基于现场有限层实测海温数据，快速重构海洋水温垂直结构的统计预报方法，以达到对现场温跃层的快速估计。 历史资料分析结果表明，受太阳辐射和风应力的影响，20°N以北研究海域，温跃层季节变化明显，夏季温跃层最浅、最强，冬季相反，温跃层厚度的相位明显滞后于其他变量，其在春季最薄、秋季最厚。12月份到翌年3月份，渤、黄及东海西岸，呈无跃层结构，西北太平洋部分海域从1月到3月份，也基本无跃层结构。在黄海西和东岸以及台湾海峡附近的浅滩海域，由于风力搅拌和潮混合作用，温跃层出现概率常年较低。夏季，海水层化现象在近海陆架海域得到了加强，陆架海域温跃层强度季节性变化幅度(0.31°C/m)明显大于深水区(约0.05°C/m)，而前者温跃层深度和厚度的季节性变化幅度小于后者。20°N以南研究海域，温跃层季节变化不明显。逆温跃层主要出现在冬、春季节（10月-翌年5月）。受长江冲淡水和台湾暖流的影响，东南沿海区域逆温跃层持续时间最长，出现概率最大，而在山东半岛北及东沿岸、朝鲜半岛西及北岸，逆温跃层消长过程似乎和黄海暖流有关。多温跃层结构常年出现于北赤道流及对马暖流区。在黑潮入侵黄、东、南海的区域，多温跃层呈现明显不同的季节变化。在黄海中部，春季多温跃层发生概率高于夏季和秋季，在东海西部，多跃层主要出现在夏季，在南海北部，冬季和春季多温跃层发生概率大于夏季和秋季。这些变化可能主要受海表面温度变化和风力驱动的表层流的影响。 利用Princeton Ocean Model(POM)，对中国东南沿海逆温跃层结构进行了模拟，模拟结果显示，长江冲淡水的季节性变化以及夏季转向与实际结果符合较好，基本再现了渤、黄、东海海域主要的环流、温盐场以及逆温跃层的分布特征和季节变化。通过数值实验发现，若无长江、黄河淡水输入，则在整个研究海域基本无逆温跃层出现，因此陆源淡水可能是河口附近逆温跃层出现的基本因素之一。长江以及暖流（黑潮和台湾暖流）流量的增加，均可在不同程度上使逆温跃层出现概率及强度、深度和厚度增加，且暖流的影响更加明显。长江对东南沿海逆温跃层的出现，特别是秋季到冬季初期，有明显的影响，使长江口海域逆温跃层位置偏向东南。暖流对于中国东南沿海的逆温跃层结构，特别是初春时期，有较大影响，使长江口海域的逆温跃层位置向东北偏移。 通过对温跃层长期变化分析得出，黄海冷水团区域，夏季温跃层强度存在3.8年左右的年际变化及18.9年左右的年代际变化，此变化可能主要表现为对当年夏季和前冬东亚地区大气气温的热力响应。东海冷涡区域，夏季温跃层强度存在3.7年的年际变化，在El Nino年为正的强度异常，其可能主要受局地气旋式大气环流变异所影响。谱分析同时表明，该海域夏季温跃层强度还存在33.2年的年代际变化，上世纪70年代中期，温跃层强度由弱转强，而此变化可能与黑潮流量的年代际变化有关。 海洋水温垂直结构的统计预报结果显示，EOF分解的前四个主分量即能够解释原空间点温度距平总方差的95%以上，以海洋表层附近观测资料求解的特征系数推断温度垂直结构分布的结果最稳定。利用东海陆架区、南海深水区和台湾周边海域三个不同区域的实测CTD样本廓线资料，对重构模型的检验结果表明，重构与实测廓线的相关程度超过95%的置信水平。三个区重构与实测温度廓线值的平均误差分别为0.69℃，0.52℃，1.18℃，平均重构廓线误差小于平均气候偏差，统计模式可以很好的估算温度廓线垂直结构。东海陆架海区温度垂直重构廓线与CTD观测廓线获得的温跃层结果对比表明，重构温跃层上界、下界深度和强度的平均绝对误差分别为1.51m、1.36m和0.17℃/m，它们的平均相对误差分别为24.7%、8.9%和22.6%，虽然温跃层深度和强度的平均相对误差较大，但其绝对误差量值较小。而在南海海区，模型重构温跃层上界、下界和强度的平均绝对预报误差分别为4.1m、27.7m和0.007℃/m，它们的平均相对误差分别为16.1%、16.8%和9.5%，重构温跃层各特征值的平均相对误差都在20%以内。虽然南海区温跃层下界深度平均绝对预报误差较大，但相对于温跃层下界深度的空间尺度变化而言（平均温跃层下界深度为168m），平均相对误差仅为16.8%。因此说模型重构的温度廓线可以达到对我国陆架海域、深水区温跃层的较好估算。 基于对历史水文温度廓线观测资料的分析及自主温跃层统计预报模型，研制了实时可利用微机简单、快捷地进行温跃层估算及查询的可视化系统，这是迄今进行大范围海域温跃层统计与实时预报研究的较系统成果。

基于视觉伺服的水下机器人悬停定位

为实现水下机器人的悬停定位,提出一种基于视觉伺服的方法．通过安装在机器人上的摄像机实时摄取特定观察目标的图像,应用基于单目视觉位姿估计方法获取观察目标相对干摄像机的位姿信息,并以此作为反馈构成机器人运动的伺服控制．以本单位的水下机器人控制系统实验研究平台为载体,在实验水池内完成了实验．实验结果表明,在存在外力扰动的情况下机器人可以运动到指定位姿并保持悬停．

虚拟现实水下机器人仿真系统

本文采用VR技术,模拟真实情况建立了一个水下机器人仿真系统。该系统使用与真实系统相同的控制器和输入设备,提供操作员训练、人—机智能控制仿真、机器人轨迹规划仿真等功能,仿真数据能够引导真实机器人运动。文中以仿真实例说明了系统的有效性。

一种高效覆盖的水下传感器网络部署策略

传感器节点的部署直接关系到水下传感器网络的成本和性能。考虑到传感器节点间具有很强的协同能力,该文提出一种基于检测融合的部署策略。采用Neyman-Pearson准则融合单元网格内所有传感器节点的检测信息,实现正方形和正三角形两种单元网格的高效覆盖,进而分别给出针对两种单元网格的监测区域网格划分方法,从而确定监测区域需要的传感器节点数量以及放置的具体位置。通过仿真实验验证了该部署策略的有效性。结果表明,与不采用检测融合时相比,降低了传感器节点冗余度。使用相同数量的传感器节点,新的部署策略能够在保证一定感知质量的基础之上获得更大的覆盖范围。

ROV模糊控制导航方法

本文提出一种水下 ROV(Remotely Operated Vehicles)的模糊导航方法和基于该方法的控制器结构 .通常由于水下环境光照不足或是水质混浊 ,很难依赖摄像机准确地为 ROV导航 ,引导 ROV到达预定目标 ,尤其是工作空间存在障碍物时 ,ROV很可能发生碰撞 .文中提出的模糊控制方法 ,将 ROV在 3D空间运动的状态、局部环境信息以及导航规划数据表示为多重模糊条件 ,然后结合 ROV的导航特点 ,建立了一个三级模糊控制器 ,该控制器使用同一种控制模式完成 ROV有障碍和无障碍的导航任务 .仿真实验结果验证了所提出方法的有效性

虚拟现实辅助机器人遥操作技术研究

本文以水下机器人的遥操作作业为应用背景 ,提出并实现了虚拟现实技术和视觉感知信息辅助机器人遥操作实验系统 .该系统使用了 CAD模型和立体视觉信息完成遥操作机器人及其作业环境的几何建模和运动学建模 ,实现了虚拟作业环境的生成和实时动态图形显示 .采用了基于立体视觉的虚拟环境与真实环境的一致性校正、图形图像叠加、作业体与环境位姿关系建立、基于网络的监控通讯等关键技术 .在这个实验系统中 ,操作人员可利用所生成的虚拟环境 ,在多视点、多窗口作业状态图形和图像显示帮助下 ,实时动态地进行作业观测与机器人遥操作与运动规划 ,为先进遥操作机器人系统的实现提供了经验和关键技术 .

虚拟监控遥操作水下机器人控制系统的研究

随着海洋科学考察和水下工程的日益增多，人类的研究趋势不断地向海洋深处发展。然而，水下环境与陆地和空间环境相比更加恶劣，对人类的威胁更大，因此水下机器人作为人的替代者，正在越来越多地在实际水下操作中应用。传统的水下机器人是采用主从遥操作控制，陆地上或母船上的操作员借助水下摄像机观察机器人的工作情况，通过主手或操纵杆操纵机器人，这种工作方式已不能满足当前水下作业的需要，所以研制具有高效率、高操作精度的水下机器人系统成为当今机器人领域的研究热点。本论文的研究内容是国家“863”高技术计划研究项目“虚拟监控遥操作水下机器人系统”的重要组成部分，以水下机器人检查海底石油钻井平台导管架焊缝的实际工作为背景，建立了一个完整的水下机器人实验系统，详细研究了虚拟遥操作控制、机器人监控控制及ROV(Remotely Operated Vehicles)模糊控制导航方法，并将这些控制方法应用到所建立的机器人系统中，完成实际操作实验。为了解决运动学逆解无解析解一类机械手的实时控制问题，本文提出一种适合于实时求解的算法--“跟踪搜索算法"，并使用该算法实现了5DOF水下机械手的运动学解算和实时控制。水下机器人载体ROV的导航问题一直被研究者们关注，在水下机器人控制中占重要地位。本文提出一种模糊控制导航方法，使用统一控制模式实现ROV在3D空间的导航，避免了ROV水下导航中多模控制切换点难以确定和切换过程造成ROV波动的问题。根据对ROV和机械手运劫特征的分析，以及水下环境的先验知识，建立了机器人和水下环境的虚拟模型。为了适应机器人在非结构化环境中工作的要求，提出“交互虚攒建模”方法，在环境发生变化时，重新建立虚拟环境模型，使虚拟环境反映真实环境的变化。在此基础上，建立了一个多功能虚拟仿真平台。监控控制是目前水下机器人最好的控制方法，本论文将虚拟现实技术应用在机器人监控系统中，提出虚拟监控系统的双层结构，发展了监控思想。研究并实现了四种虚拟监控控制方法：(1)基于虚拟显示的控制方法，(2)基于虚拟视觉的控制方法，(3)虚拟层任务规划，(4)虚拟投射控制。将上述各部分集成，设计并实现了虚拟监控遥操作控制系统，以该控制系统为核心，连接真实水下机器人和视觉系统，建立了虚拟监控遥操作水下机器人实验系统。本论文提出的系统结构、虚拟建模方法、模糊导航方法，虚拟监控控制方法均应用到机器人实验系统中。实际操作结果和仿真实验结果验证了所提出的虚拟监控系统结构的合理性，方法的正确性，体现了这些结构和方法的先进性。该实验系统和上述实验结果作为“863”项目“虚拟监控遥操作水下机器人系统”的重要组成部分，通过了专家组的验收，得到专家们的肯定。此外，为了适应开展网络遥操作研究的需要，本论文基于Internet网络技术，建立了机器人的网络通讯框架，使本论文中建立的机器人系统具有网络扩展性。论文的研究工作为研制可实用的高性能水下机器人系统奠定了基础，研究成果对水下机器人遥操作具有理论指导意义，为其实际应用提供了技术实现的途径。

小型自治水下机器人运动控制系统研究

以主推加舵控制的小型自治水下机器人为研究对象,建立了水下机器人的数学模型并进行了分析。根据机器人结构的特点,对模型进行了必要的简化。设计了机器人的运动控制系统。通过湖试验正控制器的性能。

两栖机器人轮桨腿驱动机构多目标优化设计

提出了一种既能够在陆地上爬行,又能够在一定深度的水下浮游和在海底爬行的新概念轮桨腿一体化两栖机器人;多运动模式和复合移动机构是该机器人的突出特点.分析了轮桨腿复合式驱动机构的运动机理,并采用多目标优化设计理论和算法,对驱动机构的爬行性能和浮游特性进行了综合优化,得到了两栖机器人驱动机构的结构优化参数.虚拟样机的仿真结果证明了该轮桨腿一体化两栖机器人驱动机构的综合运动性能良好,对非结构环境具有一定的适应能力。

分散式控制和管理的UUV体系结构模型研究

针对传统的分层式体系结构在UUV 控制系统开发设计、维护和升级过程中所遇到的困难，首先分析了集中式控制和管理方法的不足和原因。在此基础上，借鉴自主计算的思想，提出了分散控制和管理的体系结构。这种方法把系统中每个独立的功能模块都抽象成为具有相同模型的控制基元，称之为“自主基元”，然后通过自主基元层次式、嵌套式的组织，构成完整的系统。分析表明，这种方法能够缩短控制系统的开发周期，也降低了维护和升级的难度。