微功耗海底地震仪的研制

Our motherland has large area of maritime space. Searching and developing ocean becomes more and more important. So Ocean Bottom Seismometer (OBS) as an absolutely necessary equipment can be used in many oceanic fields. OBS not only is an important instrument for discovering structure of lithosphere of ocean bottom, but also plays a main role of oceanic geophysical exploration. The paper introduces my relational work. The MCI micro-power broad frequency seismometer was developed independently. Its power dissipation is less than 300mW. It has some merits including miniature volumeN light mass and cheap price. It is an ideal device not only for the collection high-resolution natural seismic data, but also for the fields of seismic sounding and engineering seismology. Many new high technique were applied to develop this instrument including over-sampling A/D converter, high performance 32bit Micro Process Unit and Flash memory with smart-media interface. Base on the achievement, I have accomplished the showpiece of OBS, which is applied to the deepwater oil and gas geophysical exploration. Because of micro-power dissipation, the seismograph and the sonar releaser can be integrated into a sphere cabin. By this means, the instrument's frequency of resonance and frequency of couple are improved obviously. The data acquisition system of OBS is improved from MCI seismometer. The capacity of flash memory is enlarge from 1G bytes to 8G bytes. The advance MPU in data acquisition system is used to integrate other function modules such as sonar, GPS, compass and digital transmitter.

Redundant Sensors for Mobile Robot Navigation

Redundant sensors are needed on a mobile robot so that the accuracy with which it perceives its surroundings can be increased. Sonar and infrared sensors are used here in tandem, each compensating for deficiencies in the other. The robot combines the data from both sensors to build a representation which is more accurate than if either sensor were used alone. Another representation, the curvature primal sketch, is extracted from this perceived workspace and is used as the input to two path planning programs: one based on configuration space and one based on a generalized cone formulation of free space.

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF LINEAR BUBBLE DYNAMICS IN A VISCOELASTIC XANTHAN GEL

Oceanic bubble plumes caused by ship wakes or breaking waves disrupt sonar communi- cation because of the dramatic change in sound speed and attenuation in the bubbly fluid. Experiments in bubbly fluids have suffered from the inability to quantitatively characterize the fluid because of continuous air bubble motion. Conversely, single bubble experiments, where the bubble is trapped by a pressure field or stabilizing object, are limited in usable frequency range, apparatus complexity, or the invasive nature of the stabilizing object (wire, plate, etc.). Suspension of a bubble in a viscoelastic Xanthan gel allows acoustically forced oscilla- tions with negligible translation over a broad frequency band. Assuming only linear, radial motion, laser scattering from a bubble oscillating below, through, and above its resonance is measured. As the bubble dissolves in the gel, different bubble sizes are measured in the range 240 – 470 μm radius, corresponding to the frequency range 6 – 14 kHz. Equalization of the cell response in the raw data isolates the frequency response of the bubble. Compari- son to theory for a bubble in water shows good agreement between the predicted resonance frequency and damping, such that the bubble behaves as if it were oscillating in water.

Repeated mapping of reefs constructed by Sabellaria spinulosa Leuckart 1849 at an offshore wind farm site

Sabellaria spinulosa reefs are considered to be sensitive and of high conservation status. This article evaluates the feasibility of using remote sensing technology to delineate S. spinulosa reefs. S. spinulosa reef habitats associated with the Thanet Offshore Windfarm site were mapped using high resolution sidescan sonar (410 kHz) and multibeam echo sounder (<1 m2) data in 2005 (baseline), 2007 (pre-construction baseline) and 2012 (post-construction). The S. spinulosa reefs were identified in the acoustic data as areas of distinct irregular texturing. Maps created using acoustic data were validated using quantitative measures of reef quality, namely tube density (as a proxy for the density of live S. spinulosa), percentage cover of S. spinulosa structures (both living and dead) and associated macrofauna derived from seabed images taken across the development site. Statistically significant differences were observed in all physical measures of S. spinulosa as well the number (S) and diversity (H׳) of associated species, derived from seabed images classified according to the presence or absence of reef, validating the use of high resolution sidescan sonar to map these important biogenic habitats. High precision mapping in the early stages allowed for the micro-siting of wind turbines in a way that caused minimal damage to S. spinulosa reefs during construction. These habitats have since recovered and expanded in extent. The surveys undertaken at the Thanet Offshore Windfarm site demonstrate the importance of repeat mapping for this emerging industry, allowing habitat enhancement to be attributed to the development whilst preventing background habitat degradation from being wrongly attributed to the development.

Multidimensional DSP Core Synthesis for FPGA

This paper, chosen as a best paper from the 2004 SAMOS Workshop on Computer Systems: describes a novel, efficient methodology for automatically creating embedded DSP computer systems. The novelty arises since now embedded electronic signal processing systems, such as radar or sonar, can be designed by anyone from the algorithm level, i.e. no low level system design experience is required, whilst still achieving low controllable implementation overheads and high real time performance. In the chosen design example, a bank of Normalised Lattice Filter (NLF) components is created which a four-fold reduction in the required processing resource with no performance decrease.

Rapid Implementation and Optimisation of DSP Systems on FPGA-Centric Hetrogeneous Platforms

This paper, chosen as a best paper from the 2005 SAMOS Workshop on Computer Systems: describes the for the first time the major Abhainn project for automated system level design of embedded signal processing systems. In particular, this describes four key novelties: novel algorithm modelling techniques for DSP systems, automated implementation realisation, algorithm transformation for system optimisation and automated inter-processor communication. This is applied to two complex systems: a radar and sonar system. In both cases technology which allows non-experts to automatically create low-overhead, high performance embedded signal processing systems is exhibited.

Assessing the Impact of Shipping Vessel Noise on Humpback Whales

The ocean is a hub of noise. Bioacoustic noise, noise from precipitation and wind, and noise from oceanic shelf slides and other geologic processes have occurred consistently as marine species have evolved over time. However, with the discovery of oceanic oil and gas reserves, submarine systems, ship propulsion and the emergence of global trade, anthropogenic sources of sound have added significant quantities of sound to the oceanic system. Shipping has been found to be the largest input of low-frequency anthropogenic noise and Humpback Whales (Megaptera novaengliae), known to be the most vocal marine species, have an auditory sensitivity that falls within the range of frequencies emitted by shipping vessels. As Humpback Whales are heavily dependent on vocalizations, for reasons relatively unconfirmed, a better understanding of why they sing and how their communication is being impacted by vessel noise is critical. Evaluating existing literature both on Humpback behavior and communication, the mechanics of their communication, sound emissions from modern ships, oceanic sound transmission, and studies regarding Humpback's exposure to other sources of low-frequency anthropogenic noise, it is clear that more research is needed to draw any causational conclusions between vessel noise and detrimental impacts on Humpback Whales. With a projected increase in global consumption and vessel traffic, there is an urgent need for further research exploring shipping noise impacts and behavioural alterations of Humpbacks. Existing research has shown changes in Humpback communication when exposed to low-frequency sonar noise, however few studies have been conducted on their communication when in close proximity to shipping vessels. In order for the impacts to be properly assessed, preliminary understanding of humpback communication, their auditory thresholds and more studies between vessel noise exposure and Humpback Whale behavior must be conducted.

Echolocation signal structure in the Megachiropteran bat Rousettus aegyptiacus Geoffroy 1810

Rousettus aegyptiacus Geoffroy 1810 is a member of the only genus of Megachiropteran bats to use vocal echolocation, but the structure of its brief, click-like signal is poorly described. Although thought to have a simple echolocation system compared to that of Microchiroptera, R. aegyptiacus is capable of good obstacle avoidance using its impulse sonar. The energy content of the signal was at least an order of magnitude smaller than in Microchiropteran bats and dolphins (approximately 4 X 10(-8) J m(-2)). Measurement of the duration, amplitude and peak frequency demonstrate that the signals of this animal are broadly similar in structure and duration to those of dolphins. Gabor functions were used to model signals and to estimate signal parameters, and the quality of the Gabor function fit to the early part of the signal demonstrates that the echolocation signals of R. aegyptiacus match the minimum spectral spread for their duration and amplitude and are thus well matched to its best hearing sensitivity. However, the low energy content of the signals and short duration should make returning echoes difficult to detect. The performance of R. aegyptincus in obstacle avoidance experiments using echolocation therefore remains something of a conundrum.

Field testing a full-scale tidal turbine Part 2: In-line Wake Effects

Recent research has shown that higher ambient turbulence leads to better wake recovery, so turbines could be installed in closer proximity in real tidal flows than might be assumed from typical towing tank tests that do not take into account turbulent inflow conditions. The standard tools to assess flow velocities in field conditions are Doppler based sonar devices, such as Acoustic Doppler Profilers (ADPs) or Acoustic Doppler Velocimeters (ADVs). The use of these devices poses some challenges when assessing the wake of a tidal turbine. While ADPs allow the three-dimensional measurement of a velocity profile over a distance, the data is calculated as a mean of three diverging beams and with low temporal resolution. ADVs can measure with higher sampling frequency but only at a single point in the flow. During the MaRINET testing of the SCHOTTELSIT turbine at the QUB tidal test site in Portaferry, Northern Ireland, ADP and ADV measurements were successfully tested.Two methods were employed for measuring the wake: firstly, with a rigidly mounted ADP and secondly, with a submerged ADV which was streamed behind the turbine. This paper presents the experimental set-up and results and discusses limitations and challenges of the two methods used.

Pegada hídrica de um olival super-intensivo sob clima mediterrânico, utilizando medições de campo e deteção remota

A pegada hídrica de uma cultura representa o volume de água necessário para produzir, relacionando as necessidades hídricas da cultura com a produção. As suas componentes, pegadas hídricas azul, verde e cinzenta, referem-se respectivamente aos volumes de água superficial e subterrânea, precipitação e de água necessária para assimilar a poluição utilizados pela cultura. A determinação das pegadas hídricas azul e verde é normalmente conseguida através da estimativa da evapotranspiração cultural, aplicando coeficientes culturais a uma evapotranspiração de referência, calculada a partir de dados meteorológicos. No presente estudo foram utilizadas medições da evapotranspiração para estimar a pegada hídrica de um olival super-intensivo na região de Évora. As necessidades hídricas foram medidas utilizando um método de fluxo de seiva para determinar a transpiração e o método micrometeorológico das flutuações instantâneas para medir directamente a evapotranspiração. Esta técnica foi utilizada durante um período de tempo limitado, enquanto as medições do fluxo de seiva, que foram efectuadas para períodos alargados, permitiram a extensão dos registos. A evapotranspiração medida directamente apresentou valores de cerca de 3 mm d-1 e o quociente entre evapotranspiração real e evapotranspiração de referência é próximo de 0,6 para o mesmo período. Comparou-se a estimativa da pegada hídrica obtida com o procedimento habitual com a resultante de medições in-situ e utilizando técnicas de deteção remota. A pegada hídrica do olival sob estudo foi inferior às simulações encontradas na literatura, o que pode ser explicado por diferenças na densidade de plantação, produção e gestão da rega. O olival em estudo obteve uma produção elevada, com um azeite que preencheu as características essenciais à classificação de azeite extra virgem, o mais valorizado, o que contraria o efeito do elevado consumo de água, resultando numa pegada hídrica inferior à de olivais não regados ou com menor densidade de plantação.

Deteção de proteínas virais com nanossensores óticos

O desenvolvimento de tecnologias para a deteção de vírus é um tema de grande interesse em medicina de diagnóstico. Neste contexto, os biossensores têm-se revelado importantes ferramentas bioanalíticas, na medida em que permitem efetuar deteções moleculares de forma rápida, específica, reprodutível e com baixo custo associado. No âmbito desta dissertação, estabeleceram-se metodologias para a deteção fluorescente do fator de infetividade viral (Vif) do VIH através de um nanossensor ótico funcionalizado com anticorpos recombinantes anti-Vif, fragmentos variáveis de cadeia simples 4BL. Quantum dots carboxílicos conjugados a proteínas Vif são excitados a um comprimento de onda de 405 nm, transmitindo luz fluorescente a 605 nm a um fotodetetor de silício amorfo hidrogenado com um filtro de fluorescência integrado. Para implementar um sistema de deteção sensível e eficiente, estudaram-se estratégias de ativação de superfície em chips de vidro. A variabilidade das condições experimentais de um protocolo de silanização com (3-mercaptopropil)-trimetoxisilano (MPTS) foi avaliada através da análise de ângulos de contacto e densidades moleculares de fluoresceína funcionalizada com maleimida. Estabeleceu-se que, uma incubação dos substratos por 4 h com 5% (w/v) MPTS, seguida de cura a 110 ºC por 2 h, e redução com 10 mM ditiotreitol por 30 min, promove a formação de camadas de organosilanos de qualidade com grupos tiol reativos bem orientados. Estratégias de imobilização do elemento recetor foram testadas em substratos de vidro ativados e em sistemas de microfluídica vidro/PDMS, tomando por base o tag de afinidade, glutationa S-transferase (GST), do anticorpo recombinante. Vidros funcionalizados com glutationa e anti-GST mostraram-se igualmente reativos ao anticorpo GST-4BL, resultando uma capacidade de ligação do antigénio de aproximadamente 4.76 x 1010 moléculas/cm2 de QD-Vif, o que corresponde a 15% da cobertura máxima de superfície. Dos ensaios em sistemas de microfluídica resultaram sinais fracos e poucos reprodutíveis, destacando a necessidade de desenvolver metodologias de funcionalização mais apropriadas.

Desenho de modelos neuronais para a deteção de sismos

A performance dos detetores sísmicos atualmente utilizados pode e deve ser melhorada. Atualmente existem vários algoritmos para a deteção de sismos de forma automática, desde os sistemas simples baseados em STA/LTA, aos mais sofisticados baseados em reconhecimento de padrões. Este estudo pretende dar continuidade ao desenvolvimento de uma abordagem de deteção de eventos sísmicos ao nível da estação local, utilizando uma técnica bastante conhecida, chamada Máquina de Vetores de Suporte (SVM). SVM é amplamente utilizada em problemas de classificação, devido a sua boa capacidade de generalização. Nesta experiência, a técnica baseada em SVM é aplicada em diferentes modos de operações. Os resultados mostraram que a técnica proposta dá excelentes resultados em termos de sensibilidade e especificidade, além de exigir um tempo de deteção suficientemente pequeno para ser utilizado num sistema de aviso precoce (early-warning system). Começamos pela classificação de dados de forma Off-line, seguido da validação do classificador desenvolvido. Posteriormente, o processamento de dados é executado de forma contínua (On-line). Os algoritmos foram avaliados em conjuntos de dados reais, provenientes de estações sísmicas da Rede de Vigilância Sísmica de Portugal, e em aplicações reais da área de Sismologia (simulação de funcionamento em ambiente real). Apesar de apenas duas estações serem consideradas, verificou-se que utilizando a combinação de detetores, consegue-se uma percentagem de deteção idêntica para quando utilizado um único modelo (Abordagem OR) e o número de falsos alarmes para a combinação de modelos é quase inexistente (Abordagem AND). Os resultados obtidos abrem várias possibilidades de pesquisas futuras.

Deteção automática de eventos em sinais Doppler de fluxo sanguíneo

Os sinais de fluxo sanguíneo são sinais aleatórios que, além de variarem de individuo para individuo, variam também consoante o ciclo cardíaco em análise. Sendo o diagnóstico de patologias cardiovasculares fortemente baseado em sinais de ultrassom Doppler representados em forma de espectrograma, e tendo em consideração que o ruído do tipo speckle é parte integrante dos sinais ultrassónicos, torna-se vital a pesquisa de métodos de eliminação desse tipo de ruído e de caracterização precisa dos parâmetros desses sinais biomédicos por forma a melhorar a qualidade do diagnóstico clínico. Com esta tese pretende-se desenvolver uma ferramenta computacional que possibilite a extração automática dos parâmetros pico sistólico, fim de diástole e de outros eventos clinicamente relevantes de sinais Doppler de fluxo sanguíneo, com especial atenção ao sinal proveniente da artéria carótida. Esta investigação vem na continuidade de um projeto realizado anteriormente no Grupo de Processamento de Sinal Biomédico da Universidade do Algarve, no qual foi desenvolvido um sistema de redução de ruído de espectrogramas Doppler. Este sistema de remoção de ruído será aqui aplicado e melhorado. Para a deteção e extração automática de parâmetros clínicos, foi desenvolvido um algoritmo que recebe um sinal de Doppler e que tem como saída o espectrograma livre de ruído e os valores dos parâmetros clínicos calculados. O algoritmo desenvolvido está dividido em três partes principais. A primeira, consiste na transformada do sinal para os domínios tempo-frequência para a criação do espectrograma e na aplicação de uma metodologia de remoção do ruído do tipo speckle do espectrograma. A fase seguinte é a criação de um sinal bidimensional a partir do espectrograma, o qual é criado para possibilitar a sua caraterização. Por último, desenvolveu-se uma fase dedicada à caracterização do sinal, tendo como principais funções a deteção dos eventos clínicos de pico sistólico, fim de diástole, índice de pulsação, índice de resistência e ratio sístole-diástole. A refinação de atuação de cada uma das três partes mencionadas pode ser ajustada pelo utilizador, tendo para o efeito sido desenvolvido uma interface gráfica na qual a interação do utilizador com o programa global é facilitada. Versatilidade e eficácia do algoritmo desenvolvido foram demonstradas pelos resultados obtidos com três sinais de Doppler de diferentes origens: um de origem clínica, um sinal de fluxo em artéria carótida simulado experimentalmente recorrendo a phantoms, e um sinal de fluxo simulado computacionalmente. Para cada um destes sinais são apresentados os valores das variáveis considerados preferenciais para o ajuste ao respetivo sinal e os respetivos espetros de ruído reduzido. Os resultados da extração automática dos parâmetros clínicos dos três sinais, comprovou a utilidade clínica do algoritmo desenvolvido.

Analysis of underwater acoustic data via 3-D segmentation

The analysis of seabed structure is important in a wide variety of scientific and industrial applications. In this paper, underwater acoustic data produced by bottom-penetrating sonar (Topas) are analyzed using unsupervised volumetric segmentation, based on a three dimensional Gibbs-Markov model. The result is a concise and accurate description of the seabed, in which key structures are emphasized. This description is also very well suited to further operations, such as the enhancement and automatic recognition of important structures. Experimental results demonstrating the effectiveness of this approach are shown, using Topas data gathered in the North Sea off Horten, Norway.