Geochemical anomalies of hydrothermal plume at EPR 13 degrees N

During the DY105-12, 14cruise (RN DAYANG YIHAO, November 2003) on East Pacific Rise (EPR) 12-13 degrees N, the submarine hydrothermal activity was investigated and the CTD hydrocast was carried out at EPR12 degrees 39 ' N - 12 degrees 54 ' N. From the temperature anomalies and the concentrations of magnesium, chlorine, bromine in seawater samples, we discover that magnesium depletes 9.3%-22.4%, chlorine and bromine enrich 10.3%-28.7% and 10.7%-29.0% respectively relative to normal seawater at the stations which have chemistry anomalies, moreover temperature and chemistry anomalies are at the same layer. The depletion of magnesium in the plume may be caused by a fluid lacking of magnesium which rises after the hydrothermal fluid reaches the equilibrium with ambient seawater, the enrichment of chlorine and bromine might be the result of inputting later brine which is generated by phase separation due to hydrothermal activity. In addition, the Br/CI ratio in the abnormal layers at the survey area is identical to that in seawater, which implies that halite dissolution (or precipitation) occurs neither when the fluid is vented nor when hydrothermal fluid entraining ambient seawater rises to form plume. From the abnormal instance at E55 station, it is very possible that there might exist a new hydrothermal vent site.

Mineral provinces and material provenance of the surficial sediments near the Zhongsha Islands in the South China Sea

Characteristics and distribution patterns of elastic minerals (0.063 similar to 0.125 mm) in bottom sediments represent a significant indicator for the identification of the origin of sediment. One hundred and fourteen surface sediment samples, which were collected from the area near the Zhongsha Islands in the South China Sea, were analysed to identify the mineral suites and their distributions in the study area. The area can be divided into three mineral provinces: ( I) a province of biogenic minerals, which mainly originate from the Zhongsha Atoll; ( H) a province of volcanogenic minerals, which are mainly derived from local basaltic seamounts and small-scale volcanoes that are probably erupting, with some influences from the island-are volcanic region around the South China Sea; and (II) a mixed mineral province whose material source includes biogenic minerals, volcanogenic minerals and terrigenous minerals; the last province can be subdivided into a mixed mineral sub-province of the northeastern part of the study area, in which terrigenous minerals are mainly derived from China's Mainland and do not exceed 17 degrees N, and a mixed mineral sub-province of the southeastern part of the study area, in which terrigenous minerals are derived from Kalimantan and Indochina Peninsula and might be further transported into the deep sea basin through submarine canyons.

Observation and theoretical analysis for the sand-waves migration in the North Gulf of South China Sea

According to the environmental characteristic of the north gulf of South China Sea, a quasi-3D mechanics model has been built for simulating the small scale sand-waves migration in the seas of southwest of Hainan Island. Based on the submarine micro-geomorphic data induced by multi-beam system and hydrographic survey record, the migrations of the sand-waves in the study area are predicted. The results show that calculation is consistent with the observation data in the groove of sand ridge, but not well in the crest of sand ridge. It is indicated that the mechanics model should be used to predict the migration of the small scale sand-waves which are dominated by bed load in the seas. This paper is very meaningful to project the route of submarine pipeline.

Wave generation by the falling rock in the two-dimensional wave tank

Wave generation by the falling rock in the two-dimensional wave tank is experimentally and numerically studied, where the numerical model utilizes the boundary element method to solve the fully nonlinear potential flow theory. The wave profiles at different times are measured in the laboratory, which are also used to test the numerical model. Comparisons show that the experimental and numerical results are in good agreement, and the numerical model can be used to simulate the wave generation due to the submarine rock falling. Further numerical tests on the influences of the rock size, density, initial position and the falling angle on the wave elevation of the generated waves are performed, respectively. The results show that the size and density of the rock have strong effects on the maximum elevation of the generated wave, while the effects of the initial position and the falling angle of the rock are also significant. When the size or the density of the rock increases, the maximum elevation of the generated wave increases. The same effect on the generated wave would be produced if the initial position of the rock becomes closer to the surface, or the falling angle between the falling route and the vertical direction turns larger. In addition, the present numerical tests reveal that the submarine rock falling provides a new generation method for the breaking wave in the wave tank.

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。

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 .

UUV推进系统容错控制分配算法研究

针对水下机器人(UUV)推进系统容错控制分配问题,本文提出了基于SVD分解(奇异值分解)与定点分配的混合算法。与传统的方法相比,它回避了求伪逆矩阵的问题,降低了计算量;能够满足推进器饱和约束限制。利用水下实验平台推进系统模型进行了仿真实验,验证了算法的正确性和有效性。

7000米载人潜水器推进器故障容错控制分配研究

介绍了7000米载人潜水器推进系统的组成和推进器布置,描述了潜水器控制分配问题,对推进器推力和期望控制量进行了归一化处理.根据载人潜水器的推进器布置,建立了系统的控制分配模型,设计了推进器故障容错处理策略,研究了基于推力最小二范数的载人潜水器控制分配求解方法.采用基于伪逆矩阵与定点分配的混合控制分配求解算法,在半物理仿真平台上实验验证了控制分配求解算法的正确性和有效性.

基于SQP算法的7000m载人潜水器有约束非线性控制分配研究

以7000m载人潜水器为研究对象,分析了潜水器的推进系统,并给出了6自由度推力转换模型,重点讨论了载人潜水器控制分配的优化问题.结合7000m载人潜水器的推进器布置和推进器特点,设计了优化准则代价函数,采用序列二次规划(sequential quadratic programm ing,SQP)算法求解了载人潜水器的非线性控制分配问题,通过半物理仿真平台实验验证了本文提出的控制分配算法的正确性和有效性.yh

一类载人潜水器的导航技术研究

介绍了一类载人潜水器导航系统的组成,接着阐述了基于工业以太网的信息采集模块.由于载人潜水器动力学模型存在未建模扰动以及各种传感器存在不同程度的误差,需要采用卡尔曼滤波器(KF)等方法进行数据滤波,最后将滤波后的数据用于该类载人潜水器的导航研究.半物理仿真平台结果表明,载人潜水器的导航精度得到了大幅度提高.

WAGO750模块与PC机之间的通讯

介绍了一种用于WAGO750-842以太网节点及系列模块与PC机之间的一种通用而又简便的通讯方法,该方法能够使PC机与WAGO750系列模块方便地进行数据交换,从而达到计算机对控制对象进行信息采集和控制输出的目的。该方法已在载人潜水器控制系统中得到成功应用,效果良好。

载人潜水器及其运动控制

介绍了载人潜水器的构成及推进器的布置,在此基础上导出了载人潜水器的推力分配方程。阐述了载人潜水器的运动控制。最后,将运动控制系统在载人潜水器半物理仿真平台上进行了验证,运动控制效果良好。

载人潜水器数据采集与监控系统

介绍了基于工业以太网的载人潜水器的数据采集与监控系统。简要地阐述了载人潜水器的重要性。详细地描述了该系统的硬件结构及各智能节点的特点,并对系统中各层所实现的功能进行了详细的介绍。目前,该系统已在实验室进行了实验,实验效果良好。

基于ROV援潜救生自主作业方法研究

利用ROV代替潜水员进行潜艇供排气管对接作业是援潜救生的发展趋势，其中供排气管对接技术是为失事艇员提供生命保障的关键技术。由于水下作业环境比较复杂以及水下作业难度大等特点，人工遥控ROV进行援潜对接供排空气管作业过程中，还停留在只是能够打开潜艇供排气系统花甲板盖的工作上，还没有实现对类似接通供排空气管精确作业的工作。受到海流、风浪、失事潜艇周围较大涡流、供排气管的拖曳阻力、水下可视条件以及高精度定位等因素的限制，作业任务越复杂，要求ROV系统上机械手精确定位精度越高，操纵的难度也越大，由人工操作很难实现。在现有ROV人工操作的基础上，使ROV系统具有自主作业功能，更能发挥其在对接空气管作业中的能力，提高作业效率，缩短救援时间，因此本文在现有ROV基础上扩展预编程自主控制驾驶功能模块即ROV-A系统，借助预编程技术ROV-A系统在对接空气管作业中的一些特殊任务时能够实现自主作业功能。 本文结合中国科学院沈阳自动化研究所水下机器人中心未来援潜救生关键技术研究内容，针对为失事潜艇接通空气管作业中的一些关键技术，开展基于具有自主作业能力的ROV-A系统自主作业方法研究，深入研究了具有自主作业能力ROV-A系统的运动规划与协调控制技术以及水下作业力控制技术，以实现高精度的机械手末端位置控制与期望力跟踪；针对潜艇供排气系统的已知结构研究了水下目标定位技术，为对接空气管的特定需求发展具有自主作业能力的水下作业技术提供理论依据。重点研究针对系统特点的运动规划与多性能指标实现归一化问题；研究基于系统动力学模型误差的系统位姿控制问题；研究基于阻抗力控制水下作业目标定位问题；在系统运动规划与控制研究的基础上，研究能实现机械手末端精确轨迹跟踪的控制策略问题以及力控制问题。本论文研究内容如下： （1）根据ROV-A系统特点，从描述系统的空间位置和姿态着手，研究了ROV-A系统的空间运动学与基于Kane方法的动力学，得出载体基座自由运动模式的系统空间运动数学模型，为论文后续研究工作奠定了基础。 （2）针对对接空气管作业中的一些高精度和复杂的作业，研究了系统作业时的运动规划问题。针对系统运动学冗余、作业规划约束性能指标多，例如机械手可操作性，关节限制，载体的姿态，避障等等，结合梯度投影法和最小范数伪逆矩阵法以及任务优先逆运动学方法，引入模糊控制技术，将模糊控制的定性知识表达与任务优先逆运动学算法相结合，以水下作业末端位置控制及轨迹跟踪为前提，对系统运动分配、关节限位、避免奇异有无海流下的系统性能优化等运动规划进行了研究，仿真证明运动规划算法的有效性。 （3）研究了基于动力学模型的系统基本控制问题。针对系统动力学模型的复杂性和不精确性，在基于载体输出反馈控制的基础上，设计了基于输出反馈自适应控制算法，通过自适应学习的方式直接逼近系统动力学方程状态量之间的非线性关系，在外界不停扰动下逐渐提高系统的控制精度；基于Lyapunov稳定性理论，证明了存在外界干扰和自适应逼近误差条件下ROV-A系统控制器的闭环稳定性；通过仿真实验验证控制系统的有效性，为系统的控制提供了一种新思路。同时在基于位置运动控制的基础上引入了力控制，通过对常规PID外环力控制器基础上的改进，在系统离线规划的前提下实现力与位置控制的解耦，通过仿真验证期望力的稳定跟踪。 （4）研究了基于ROV-A系统阻抗力控制的水下矩形围壁环境约束的位置定位方法。通过在对具有先验知识的矩形围壁环境约束的学习理解基础上，应用外部阻抗力控制环包容内部位置运动控制环的控制策略。利用力传感器的反馈信息变化确定系统末端执行器与约束环境的接触特征点，根据环境的先验知识推理出环境定位信息。通过计算机仿真实验验证了水下具有先验知识环境的定位方法和ROV-A系统的控制策略的有效性。仿真结果证明定位方法和控制策略是可行的。 （5）结合系统控制，分析了系统在为失事潜艇对接空气管作业中的恒定和时变两种期望力输入作业模式，提出了基于在线运动规划下外部力控制环包容内部位置环控制方法，利用ROV-A系统完成了为失事潜艇自主对接空气管中两个典型作业。介绍了整个控制方法的组成和执行过程，分析了综合控制策略，最后通过仿真实验分析了综合力控制方法的性能，包括恒力和时变期望力输入进行了深入研究。