基于虚拟阵元设计的稀疏基阵的水下正视声学成像

成像帧速率低、系统复杂是声学传感器基阵水下正视声学成像方法存在的主要问题.提出一种基于稀疏传感器基阵成像的方法,能提高成像速率和降低系统复杂性.该方法通过虚拟阵元技术优化设计2-D稀疏传感器基阵,并采用发射基阵同步发射编码信号和接收基阵同步接收回波信号的收发方案.仿真结果表明:与多子阵成像方法比较,该方法能够减少系统的复杂性和保证成像质量.     

一种新阵型改进超短基线定位精度方法

 超短基线是一种常用的水声定位技术,与其他基线相比,超短基线定位系统基线基阵尺寸小,易于安装。由于远距离误差发散快,超短基线作用距离短,所以其定位精度通常也不高。为了解决超短基线由于自身尺寸小而导致在远距离目标定位中定位精度差的问题,本文通过对传统4元正交阵进行阵型优化,提高了超短基线系统定位精度。相比已有的改进超短基线阵方法,该方法或减少了阵元数,或降低了发射端的制作难度。同时,针对新阵型定位算法,本文给出了相位补偿公式。仿真分析结果表明：新阵型在0°~360°内,目标定位精度比传统超短基线阵提高了近8倍,能够实现对远距离目标的高精度定位。     

大深度载人潜水器之超短基线定位系统:海上试验及载人深潜应用

超短基线定位系统是实现大深度载人潜水器水下定位和跟踪,保障其水下作业安全的重要技术手段.超短基线定位系统各测量设备的分离式安装导致船载声基阵与外围辅助传感器之间不可避免的存在安装偏差,而这种偏差又会大大降低其定位性能,必须通过海上标定试验加以校正.本文以2014年蛟龙号超短基线定位系统南海海上标定试验为例,详细探讨了海上标定试验的技术方法,并利用2014～2015年蛟龙号试验性应用航次第一航段10个潜次的实测数据分析其定位性能.     

误差均衡立体五基元超短基线水声定位

采用单平面基阵进行超短基线水声定位,当声源俯仰角接近基阵平面,会导致定位误差增加。为解决该问题,提出了基于空间五基元立体基阵子阵误差均衡的定位方法。该方法将空间立体基阵划分为正交的三基元子阵,在各子阵局部坐标系中分别解算定位结果,通过坐标变换将子阵局部坐标系转化为立体阵全局坐标;最终定位数据时,根据原局部坐标系下解算结果与理论结果的误差大小进行加权,对全局坐标系下的数据加权平均。MATLAB的仿真表明:该方法可实现空间立体基阵全空间方位目标声源的定位解算,定位精度比单一基阵面提高4倍以上;并解决了声源目标俯仰角接近单基阵平面时,定位精度误差急剧增大的问题,使整个定位空间内的定位结果误差变化均衡。     

组合定位系统

组合定位系统由GPS(Global Position System)、航向姿态传感器以及超短基线定位系统所组成.常规的超短基线阵采用相位法进行定位.为了避免相位模糊,阵元间距必须小于半个波长,因此定位精度不会很高.组合定位系统中的超短基线阵采用时延法进行定位,阵元间距可以取得远比半波长大.定位时,组合定位系统在海面飘浮...     

基于十字型阵列的多频发射波束形成算法

针对平面接收阵阵元数量庞大导致的水下三维声学成像系统硬件开销和计算量过大的问题,提出了一种基于十字型阵列的三维声学成像的多频发射波束形成算法.该算法将发射波束方向划分为多个扇面,在每个扇面内依次向各波束方向发射不同频率的扇形波束信号,将发射次数从波束数减少到扇面数,从而缩短了扫描时间.仿真实验和计算量分析表明,文中算法能够获得与平面接收阵直接波束形成算法相同的波束性能,并且大幅降低了阵元数量和计算量.实际水下试验证明了该算法能够满足水下三维声学成像的实时性需求.     

基于时分模式的水下自主定位方法研究

为了提高水下声学定位系统的精度,提出一种基于时分模式的水下自主定位系统.该系统由1个控制中心和若干漂浮式基站组成,控制中心用于发布命令和信息处理,漂浮式基站负责采集定位信标信号和测试数据.采用完全水声的自主定位原理、TDMA与CDMA相结合的通信技术,并且利用TOA定位原理实现系统的定位.实验表明,该方法对于克服水环境对定位的影响、提高定位精度是有效的.     

陆架斜坡海域水平阵波束形成阵增益仿真分析

陆架斜坡海域海洋环境复杂多变,水下声基阵在该海域实际应用时,阵元接收信号的幅度和相位会发生畸变,阵元间信号相关性减弱,会带来波束形成器阵增益的严重下降,进而导致声呐探测性能的损失.目前陆架斜坡海域不同波束形成器阵增益的研究较少见,本文在各向同性噪声场假设条件下,针对陆架斜坡海域上坡波导环境中水平阵的常规波束形成器(CBF)、最小方差无失真响应波束形成器(MVDR-BF)和特征值波束形成器(EBF)的阵增益进行仿真研究.结果表明:(1)CBF和MVDR-BF的阵增益均与声场水平纵向相关性有关,当水平阵的阵元个数超过一定值时,两种波束形成器的阵增益均不再随着阵元个数的增加而增大;(2)EBF的阵增益由信号协方差矩阵最大特征值与其所有特征值之和的比值决定;(3)当接收数据信噪比为.10 dB时,MVDR-BF的阵增益高于CBF,但两者均小于EBF的阵增益.     

基于声固耦合理论对捕捞航行器的湿模态分析

为保证海洋捕捞作业水下航行器的安全高效运行,水下航行器工作时应避免受自身发动机影响,与外壳发生振动从而激励外场海水介质形成辐射声场.基于声固耦合理论,针对水下航行器工作环境的特殊性与空气中干模态,采用更加复杂的湿模态分析方法.将流体视为可压缩的声学介质,利用ANSYS分析软件模拟航行器在水中的真实悬浮状态.求解出前十阶...     

超短基线（USBL）定位系统误差分析

USBL（超短基线）是一种水下定位技术,目前被普遍应用于海洋石油勘探开发、海洋打捞等海洋生产开发方面,主要用于确定ROV、ads、潜水员、水下其他载体的水下精确位置。在水下定位作业中,USBL水下定位系统到底有那些误差影响其定位精度一直困扰着测量人员。因此本文对对USBL的误差来源进行了分析。     

实时广义相关时延估计器

在水下航行体的测试中，通常采用被动定位方式获得航行体的运动轨迹，被动定位一般利用空间关系已知的3个或3个以上的水听器来接收目标的辐射噪声，由时延估计器求得这些噪声信号间的相对时延，从而实现目标定位，广义相关时延估计器是其中具有重要价值的一类时延估计器，但是，由于所处理的信号是随机信号，其频谱结构起伏大，时变性强，且存在环境噪声的干扰，其先验权函数难以预知，因而极大地影响了估计器的性能，为了解决这一问题，提出了实时权函数估计算法，并设计了多DSP并行处理系统加以实现，通过在不同时间和水域对不同水下航行体的实际测试检验了估计器的有效性，实际应用表明，该广义相关器在目标源信号谱结构变化时时延估计性能基本不受影响，具有稳健的时延估计性能和自适应能力。     

模糊自适应滤波算法在自主水下航行器组合导航系统中的应用

复杂水下工作环境中的诸多不确定因素均有可能导致自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)导航系统的量测噪声模型发生变化,且噪声统计特性难以准确获得.为获得更为准确的状态估计值,提出一种基于模糊逻辑的自适应滤波算法,使量测噪声方差阵可以根据实际情况进行自适应调整从而逼近真实量测噪...     

水下载体的声学定位系统测距误差分析

基于单信标测距的定位方法,是水下载体声学定位技术的进一步发展,但是国内外的研究都是基于定位解算方法本身,研究过程中都是给定一个声学定位系统测距误差.本文针对其中的声学测距进行了研究,首次从水声学原理方面着手分析了影响声学测距的误差源以及各误差源对测距误差和定位精度的影响程度.首先分析了声信号传播速度的影响,无论是声速测量误差还是声线弯曲影响,测距误差都表现为一种随水平距离增加而增大的固定误差,水平定位误差在几十厘米的水平;然后分析了声信号传播介质的影响,环境噪声、信号混响和多途会造成信号检测与时延估计误差,测距误差的大小与时延估计误差成正比,水平定位误差与测时误差引起的测距误差大小相当;最后分析了声信号发射接收异步的影响,测距误差的大小既与载体航行速度成正比,也与发射点距信标与航迹垂线的距离成正比,水平定位误差的大小与载体航行速度成正比,载体航行速度1m·s-1的情况下水平定位误差就达到了几米的水平,必须针对发射接收异步的情况进行补偿.     

水下和海底大地坐标的精确测量

潜艇水下高精度定位，长期以来一直是水下导航定位领域的一个难题．为了解决潜艇在水下长时间航行过程中的高精度定位问题，提出了一种比较实用的解决方案．该方案构建了由DGPS定位和水声定位相结合的水下定位系统．系统采用系缆浮筏作为潜艇，利用DGPS进行水下定位的中继站，利用水声相对定位技术将：DGPS水面定位向水下延伸，使潜艇在工作潜深就可以直接获得自身的大地经纬度坐标．系统将DGPS的优良性能与超短基线在水下定位中的优势很好地结合在一起，其定位精度可以保证与DGPS水面定位精度在同一量级。     

水下航行器自由视角探测的多波束声呐仿真

针对水下航行器运动与水下声学感知过程中因多因素强耦合导致相关联合仿真模型缺失问题,提出一种适用于水下自由视角探测的运动位姿和声呐图像高逼真耦合仿真方法．首先建立多波束图像声呐几何模型,并提出声呐视域简化方法,实现声呐图像快速生成;其次建立水下地形、航行器路径和探测视角耦合的自由扫测模型,实现水下自由视角扫测与成像;最后针对声呐图像干扰的高逼真仿真问题,提出一种基于实测数据拟合的结构化噪声和回波重影建模方法,进一步提高仿真声呐图像的逼真度．实验结果表明：该模型能够有效实现水下航行器自由视角扫测过程的位姿和声呐数据组合仿真,生成具有一定逼真度的多波束声呐图像．     

利用信号相位匹配原理抵消相干干扰的性能分析

首先介绍了三元阵的信号相位匹配原理,根据该原理得出信号相位匹配原理提取期望信号的条件;然后研究了利用信号相位匹配原理抵消相干干扰的性能,分析了干扰谱幅度起伏对信号相位匹配原理的影响,推导了干扰谱幅度起伏时提取出期望信号误差的表达式;接着指出基阵接收到的随机噪声可以等效为干扰频谱的起伏;最后根据通常基阵的阵元都大于三个的这一实际情况,提出两种充分利用基阵冗余阵元来减小随机噪声影响、提高抵消干扰性能的方法:三子阵法和最小二乘法。仿真结果证明,三子阵法和最小二乘法的性能远高于三元阵法;最后指出三子阵法运算量小于最小二乘法,但三子阵法适用于均匀线阵列,而最小二乘法适用于任意阵型。     

水下航行器声通讯安装结构涡流噪声分析

孔腔及凸体作为水下航行器表面的常见结构,其产生的涡流噪声对搭载在水下航行器上的声学仪器的信号精度有不容忽视的影响．根据水下航行器上搭载的声通讯调制解调器安装结构抽象出几何模型,即孔腔、凸体组合结构,采用LES—Lighthill等效声源法对该孔腔、凸体组合结构的流场及声场进行仿真,通过分析不同模型的流动机制及涡流噪声特性,指出了凸体高度对涡流噪声的影响．研究表明,凸体高度与孔腔深度相等时,产生的涡流噪声最小．研究成果为水下航行器声通讯安装结构的设计提供了依据．     

水下航行器阻力计算及结构设计

随着海洋探索的不断发展，水下作业对水下航行器提出了更高的要求。为了提高某水下航行器的减阻性能，本文基于计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）方法对预选的多种艏部型线以及舵板进行数值模拟，对比了它们的减阻性能，最终为航行器选择效果最佳的艏部型线以及舵板，并计算配备有最佳减阻效果的艇艏和舵板的航行器总阻力，对比分析其周围压力和流场特性。结果显示，所选的零部件相较于其他选择拥有更好的减阻性能，更适用于本文的水下航行器。本文研究结果可为航行器的结构设计和选择提供一定的参考。     

用于电力变压器局部放电定位的超声波相控阵传感器的研制

针对电力变压器中局部放电的准确定位问题,将超声波相控阵技术引入局部放电定位中.基于超声波相控阵理论,考虑在运行变压器中的应用环境,在对传感器各个组成部分的材料及特性进行综合分析的基础上,研制成功了16×16阵元的平面超声波相控阵传感器.该传感器具有阵元数多、尺寸小、定位精度高及可适用于高温液体中的优点,适合于放入变压器内部进行信号的接收,传感器单个阵元中心频率为150kHz,带宽为100kHz.使用压电声源和油间隙放电等模拟实验对阵元的性能进行了实测,结果表明,该传感器能够对局部放电产生的超声波信号进行灵敏接收.实验室中的模拟定位实验结果表明,该传感器适用于对变压器中局部放电的定位.     

东中国海声速剖面的经验正交函数表示与匹配场反演

利用一次浅海声学实验多次测量的声速剖面和声传播信号研究了海水声速剖面的经验正交函数（EOF）表示及其由匹配场处理方法反演的可行性和宽容性.反演中使用了垂直阵和水平阵两种阵形接收的宽带声信号.研究表明：声速剖面可用少数的几阶经验正交函数表示，利用垂直阵信号和水平阵信号都可较好地反演出海水声速剖面，而且对海底声速不敏感，具有较好的宽容性，反演出的海水声速剖面可用于低频信号的匹配场定位.