水下近场数据分析
Chapter 1 绪论
1.0 水下探测的全过程
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研究对象是什么（对象）：和海洋相关的物理量，如：深度、温度、盐度、盐度、浑浊度、各种化学物质 探测这些东西能干什么（目的）：服务于水产养殖、探浅（探测水下装置）等各种需求 -
如何探测这些参数（方法/技术）：声、光、电、机械 -
探测这些参数使用什么设备（设备）：传感器系统、装置 -
如何处理这些数据（信号处理）：频域处理
? 结构体系：对象/目的 → 方法/技术 → 传感器系统/装置 → 信号处理
1.1 海洋技术的定义与范畴
1.1.1 海洋技术的定义
(1) 海洋技术的三个维度：空间、海面、水下
(2) 如何和别的科目建立联系？（以水产养殖为例）
? 吃←水产养殖→生物的生存环境（生存条件就是海洋技术和水产养殖的联系）
? 海流、温度、盐度、含氧量等因素的测量，便是海洋技术的范畴
? 这些问题分为：科学基础问题、技术问题、工程问题
(3) 思考题
? ① 海流测量：流动速度的大小和方向
? 机械方式 原理：v=s/t 实现：诸多问题，如装置大小、能否被推动、测距离、如何精确测时间
? 声学：利用多普勒效应
? 光学：漂浮物（示踪粒子），连续取帧得到流场 （PIV）
? ② 鱼业测量：鱼的身长、数量测量
(4) 海流对水产养殖的影响
? ① 科学问题：海流对虾鱼不是行为的影响和机理
? ② 技术问题：基于光子方式的测流方法
? ③ 工程问题：光子传感器的设计、制造、
(5) DEF 海洋技术：
? 海洋技术是研究海洋自然现象及其变化规律、开发利用海洋资源、保护海洋以及维护国家海洋安全所涉及的各种技术的总和。简单地说，海洋技术是从认识海洋、开发海洋、保护海洋和维护海洋安全所涉及的各种技术的总和。
(6) 广义的海洋技术（面向海洋探测和观测）：
? 海洋基础技术、海洋支撑技术、海洋应用技术
(7) 狭义的海洋技术（面向海洋科学研究的支撑）：
? 海洋传感技术、海洋探测技术、海洋观测技术
1.1.2 海洋技术最重要的特点是深刻体现了海洋特征
(1) 海洋特征
- 海水（气）具有腐蚀性
- 海水具有浸没性和压力
- 海水具有屏蔽性
- 海水与技术设备之间的相互作用
- 离岸作业的特殊性
- 不稳定，不可预知的复杂海上作业状况
(2) 一些关系
? ① 科学、技术、工程的关系：天然自然 → 科学（知识） → 技术（工具）→ 工程（活动） →人工自然
? ② 海洋技术与海洋工程的关系：海洋技术是海洋工程的基础，海洋工程是海洋技术的综合利用
1.2 海洋技术的发展
(1) 机械化海洋技术阶段：海洋仪器设备产生的阶段
? 典型设备：指南针、精确时钟、蒸汽机、船舶制造业
? 第一次海洋科学考察活动：英国挑战者号 1872-1876 水文调查，深度探测，深水拖网，温度测定
(2) 自动化海洋技术阶段：计算及技术的应用
? 水声技术发展
? 潜水器出现
(3) 智能化海洋技术阶段：自主式潜水器
? 传感器越来越先进；人工智能算法的引进，信号处理方法的更新
? 目前，智能化已成为海洋技术的重要特征之一
(4) 国内外海洋技术发展现状——时空的拓展
? ① 海洋技术的深度：全海深 （深度增加压力增加）
? ② 海洋技术的广度：覆盖程度 （各个大洋）
? ③ 海洋技术的持续度：时间
(5) 发展趋势
? ① 海洋技术向更深、更远方向发展（空间上）
? ② 先进的深海技术装备支撑海洋科学发现
? ③ 海洋技术与信息技术紧密结合
? ④ 海洋通用技术等的发展推动海洋技术进步
1.3 发展海洋技术的意义
- 促进海洋科学研究
- 海洋资源开发利用
- 海洋生态环境保护
- 海洋权益保护
Chapter 2 海洋技术基础知识
2.0 海洋
? 海洋（超大水体）←→ 方法：声光电磁
2.0.1 海洋对象
? 海洋是物理、化学、生物、地质多系统耦合的一个系统，各系统间能量和物质流通主要是靠海水的运动来实现的，同时运动者的海水不断地与大气、海底和海岸发生相互作用。
2.0.2 学习目标：
? 学习相关的海洋科学知识
? 了解物理海洋学、海洋地质学和地球物理学、海洋化学、海洋生物学等基本研究对象，为海洋技术的深入学习打好坚实的基础。
2.1 海洋学基础
2.1.1 物理海洋学
? 物理海洋学是描述海水运动、变化和相关过程的科学。
? 其研究核心是海洋动力过程，海洋动力过程承载着海洋中能量与物质的输送，是支撑海洋中的物理、生物、化学和地质等过程的基本过程。研究的主要海洋动力过程包括海流、海洋波动、中尺度涡、海洋锋。
2.1.1.1 海流
? **DEF海流：**海流指海水大规模相对稳定的流动，一般是三维的，海水不但水平方向流动，而且在垂直方向上也存在流动。当然由于海洋的水平尺度远大于垂直尺度，因此水平方向的流动远比垂直方向上的流动强得多。
? 习惯上，常把海流的水平运动分量狭义地称为海流，而其垂直分量单独命名为上升流和下降流。海洋环流一般是指海域中海流形成首尾相接的相对独立的环流系统或流旋。
(1) 海流的成因及分类
- 海面上的风力驱动，风生海流 ：风海流或漂流
- 海水的文言变化→压力场→海流形成：热盐环流
(2) 海洋波动
? ① 海洋波动的产生
? 海洋受到来自天体、大气、地球自转和系统自身的动力、扰动，形成波长从几毫米到几千千米的海洋波 动。
? ② 海洋波动特性
- 波动周期从零点几秒到数十小时以上
- 波高从几毫米到几十米，波长从几毫米到几千千米
- 能量大小分布上，海浪所占据的能量最大，齐次是潮汐，然后是海啸，长周期波动罗斯贝波和开尔文波 所占能量比重非常小。
? ③ 海洋波动类型
? ④ 拓展1：海流能量的转化
? 海流（机械能）→ 压电材料→ 能量（电能）
? ⑤ 拓展2：海中断崖
? 通常情况下，上层水域密度低，下层水域密度高。
? 海中断崖指海水中在某深度处水体密度突然剧烈变化，从而引起浮力急剧变化。
2.1.2 海洋地质与地球物理学
2.1.2.1 海洋地质学
(1) 研究内容
研究地壳被海水淹没部分的物质组成、地质结构和演化规律的学科。研究内容涉及海岸与海底的地形、海洋沉积物、洋底岩石、海底构造、大洋地质历史与海底矿产资源等。海洋地质学是地质学的一部分，又与海洋学有密切联系，是地质学与海洋学的交叉学科。
(2) 研究方式
? 声学为主。
2.1.2.2 海洋地球物理学
(1) 研究内容
? 研究地球被海水覆盖部分的物理性质极其与地球组成、构造的关系。研究内容主要是利用物理仪器与方法调查研究海底延时、沉积物的速度、密度、弹性、磁性、导热性等物理势的空间分布和变化规律，阐明海洋地质构造、海底演化即有用矿产资源的形成与发展演化规律。
(2) 研究形式
? 海洋地质的调查研究主要手段是地球物理法.
(3) 研究技术及方法
? 声学、光学、电磁技术；海底成像、海洋地震勘探、海洋地震数据采集、海洋重力场、海洋电磁场、热流、海洋电法勘探、海底放射性勘察、海上钻孔等。
2.1.3 海洋化学
(1) 研究内容
? 研究海洋各部分的化学组成、物质分布、化学性质和化学过程以及海洋化学资源在开发利用中的化学问题。
(2) 研究任务
? 主要是分析测量海洋里与化学有关的一些因子，例如盐度、酸碱度、溶解度、溶解氧、元素组成、物理性质等以及测量与生物有关的物质，如营养盐等。
? 研究海洋环境中的物质的化学组成、化学性质、赋存形式以及生命与非生命过程相关的各种物质之间的转化，迁移和循环变化的规律。
(3) 海洋营养要素与生态系统
? 海洋化学中营养盐一般指磷P、氮N、硅Si元素的盐类。P、N、Si是海洋浮游植物生长所必须的最重要成分，也是海洋初级生产过程和食物链的基础，在真光层被附有职务吸收并促使或限制其生长。
? 海水营养盐的来源包括大陆径流的输入、大气沉降、海底盐水交换、汲取冰川作用、海底热液作用和海洋生源有机物的分解等。营养盐的含量、分布、变化和循环主要受生物作用控制。
(4) 如何测量化学相关因子
? 测量方法：声光电
? 测量数据：最终都变为电量（电压、电流）
(5) 海洋的影响因素
- 压力效应：
- 海水最大深度超过10000m，压力范围为1~1000atm（1atm = 101325Pa）
- 温度影响：
- 开阔的大洋温度介于-2~30℃，海底热液温度可达400℃以上
- 海水多物质的影响：
- 多界面的交互作用：
- 海洋不是一个封闭的纯化学体系，而是一个敞开的复杂体系，存在多个复杂的界面，如海洋—大气界面、海水—沉积物（包括悬浮颗粒物）界面、河流—海洋界面以及海水—生物体界面等。
(6) 海水碳酸盐体系与海洋酸化
- 海水碳酸盐体系是指海水中以不同形式存在的无机碳组分之间的平衡、相互转化、存在形态以及与其有关的体系，又称作“CO2体系”或“海水CO2系统”。
- 研究海水碳酸盐体系的重要性主要体现在以下几个方面
- 对控制和调节海水征程的pH值范围起着重要作用
- 海水中总CO2浓度的短期变化主要由海洋浮游生物的光合作用和代谢作用所引起
- 海洋中的碳酸钙沉淀与溶解平衡
- 气候调节作用
2.1.4 海洋生物与生态
(1) 海洋生态系统
? 海洋中生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存、互相调控而构成一个生态系统。
(2) 海洋生物
? 生活在海洋中的生命有机体
(3) 海洋生物分类：生产者消费者和分解者
? 生产者：主要是海洋中的自养生物，通过光合作用，无机物转化为有机物，太阳能转化为化学能
? 消费者：依靠动植物为食的动物
? 分解者：把动植物死亡后的残体分解为无机物，并释放于环境中，供生产者再利用
(4) 海洋生态系统中的物质循环和能量流动方式
- 经典食物链：牧食食物链、碎屑食物链
- 微型生物食物环（网）
(5) 海洋生态系统的分类
- 按海区划分
- 沿岸生态系统、上升流生态系统、深海生态系统、热液口生态系统、极地生态系统等
- 按生物群落划分
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