• 中国科技核心期刊
  • JST收录期刊

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

2018年  第26卷  第5期

显示方式:
综述评论
海洋声学目标探测技术研究现状和发展趋势
杨益新, 韩一娜, 赵瑞琴, 刘雄厚, 汪 勇
2018, 26(5): 369-386. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.001
摘要:
海洋声学目标探测——这一覆盖甚广的研究领域, 其具有多种研究思路和技术途径, 而利用水声通信组网技术将主被动探测节点连接成水声探测网络, 并对获取的多源信息进行融合, 是海洋声学目标探测技术发展的重要途径之一。基于此, 文中分别从被动探测技术、主动探测技术、水下通信组网和多源信息融合4个方面, 对海洋声学目标探测技术的发展脉络进行梳理, 介绍了相关理论方法的特点, 指出了各自的优缺点, 同时阐述了海洋声信道对目标探测的影响。最后, 从以上4个方面对海洋声学目标探测技术的未来发展趋势进行了展望: 被动探测技术从空域处理角度出发, 将会朝着大孔径阵列的稳健阵列处理技术、新型传感器及其阵列的研制, 以及信号处理与水声物理模型的充分结合这3个方面发展; 主动探测技术则会继续发展低频大功率探测技术、多基地组网探测技术和新体制主动探测技术, 同时智能化主动探测技术和生态友好型主动探测技术也将是其发展趋势; 水下通信组网技术未来将侧重发展如何利用网络协议提高通信可靠性、跨介质组网协议、面向任务的网络资源调度以及标准化水声网络实验平台建设; 多源信息融合探测技术则更多的是要进一步深入进行测量信息与信息间互补关系的建模研究。
基础研究
基于协同探测数据融合的水下多目标跟踪
郭龙祥, 虞涵钧, 生雪莉, 韩 笑, 郝豪言, 陈 洋
2018, 26(5): 387-394. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.002
摘要:
在高杂波密度的水下环境中, 若只利用局部传感器来跟踪多个目标, 会产生较高的虚警, 而且跟踪效果受限于传感器本身性能。为此文中基于分布式数据融合模型, 首先在各个无人平台上利用联合概率数据关联(JPDA)形成局部航迹, 然后再用匈牙利算法实现对关联矩阵的最优分配从而达到航迹的实时关联, 最后通过凸组合融合算法形成全局航迹。仿真结果表明, 经过此方法完成的多目标跟踪结果具有更好的可靠性, 其跟踪精度基本在两站跟踪精度之间且具有较低的跟踪误差, 适合在未知基站估计精度的系统中获得更为可信的估计结果。
低复杂度单载波频域Turbo均衡水声通信技术
席 瑞, 党谦谦, 何成兵, 张瑞玉, 张群飞
2018, 26(5): 395-402. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.003
摘要:
浅海水声通信具有严重多径扩展、衰落以及低信噪比的特点。为克服常规时域判决反馈均衡器计算量大和对接收机参数敏感的不足, 基于扩频码的单载波块传输结构提出了一种适用于稀疏水声信道的低复杂度频域Turbo迭代均衡方法。发射端数据块之间插入扩频码作为循环前缀。接收端利用已知扩频码进行稀疏信道估计以及对由多普勒偏移引起的旋转相位进行估计, 并采用基于最小均方误差准则下的频域Turbo均衡技术和多通道联合处理方法消除多途效应产生的码间串扰, 显著改善了系统性能。通过湖上试验验证, 在通信距离为10.8 km条件下, 采用QPSK和8PSK调制方式分别实现了3 kbps和4.5 kbps的有效数据率的水声通信, 并在3次迭代均衡之下均实现了无误码传输。文中所做工作可为高数据率稳健水声通信研究提供参考。
环境-声场不确定性传递过程中的代理建模方法
刘宗伟, 吕连港, 杨春梅, 姜 莹, 于晓林, 黄龙飞
2018, 26(5): 403-408. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.004
摘要:
海洋环境参数的不确定性是声场预报不确定性的主要来源之一。海洋环境参数和声场之间通常具有非常强的非线性关系, 导致通过海洋环境参数的不确定性来计算声场的不确定性较为困难。传统使用的蒙特卡罗方法, 需要多次运行声场计算模型, 导致计算量过大。针对此, 文中提出了一种新的基于多项式-克里金方法(PC-Kriging)的代理建模方法, 可以高效地计算海洋环境参数至声场之间的不确定性传递过程。该方法使用多项式方法来提取系统响应的全局趋势, 使用克里金方法逼近局地响应。同时, 基于标准失配测试模型进行了计算机仿真, 从模型逼近精度以及传播损失概率密度函数(PDF)2个方面进行验证。结果表明: PC-Kriging代理建模方法在逼近精度上优于单独使用多项式或者克里金方法, 传播损失PDF也与蒙特卡罗方法结果吻合得较好, 适合用于环境-声场不确定性传递过程计算。
基于粒子群优化算法的目标运动参数估计
官善政, 陈韶华, 陈 川
2018, 26(5): 409-414. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.005
摘要:
粒子群优化算法具有易于实现、可并行计算、收敛速度快且全局收敛等优点, 文中结合水下目标被动跟踪定位系统对目标运动参数估计的实时性和精确性需求, 提出了一种利用目标方位信息和多普勒频移信息估计目标运动参数的方法。该方法通过测量目标的方位角变化和多普勒频移, 基于最小均方误差(MMSE)准则建立参数估计方程, 并依靠粒子群优化(PSO)算法确定一组可使均方误差函数最小的运动参数, 实现对目标实时位置、航速、正横距离的精确估计。仿真结果表明, 与扩展卡尔曼滤波(EKF)算法对比, 在相同参数估计精度条件下, 粒子群优化算法能更快收敛; 对于小正横、高航速目标, 该算法能够在目标过正横前准确给出目标正横通过距离的预报, 并在目标过正横后提供较高的跟踪精度。文中工作可为水下目标被动跟踪和运动参数精确估计提供参考。
尺寸约束下圆环阵MIMO声呐阵型设计和波束优化
伍镜蓉, 刘雄厚, 樊 宽, 孙 超, 杨益新
2018, 26(5): 415-420. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.006
摘要:
传统主动声呐采用圆环阵接收可获得360° 视角, 但是在尺寸有限时面临着波束主瓣宽度大、旁瓣级高等不足, 针对这些不足, 文中提出了阵列尺寸约束下圆环阵多输入多输出(MIMO)声呐阵型设计和波束优化方法。圆环阵MIMO声呐由发射圆环阵和接收圆环阵组成, 通过优化发射圆环阵和接收圆环阵的半径和相对旋转角, 设计了具有低旁瓣波束的最优阵型。在该阵型的基础上, 通过将圆环阵MIMO声呐的波束优化问题转化为与其等效的虚拟平面阵波束优化问题(建立以旁瓣级最低为目标函数, 主瓣方向无失真响应, 并约束加权向量2-范数保证稳健性), 获得了期望的低旁瓣波束图。数值仿真结果表明, 所提方法可以在不增加阵列尺寸和波束宽度的前提下, 获得比传统圆环阵更低的旁瓣级。
圆柱阵特征波束分解与综合超指向性波束形成方法
朱少豪, 杨益新, 汪 勇
2018, 26(5): 421-426. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.007
摘要:
为了将较小尺寸兼顾较高空间指向性的传感器阵列应用于空间受限的水下无人系统等平台上, 文中采用超指向性波束形成方法以提高小尺寸传感器阵列的空间指向性和阵增益, 从而改善阵列的目标探测性能。首先介绍了基于特征波束分解与综合(EBDS)的圆环阵超指向性波束形成方法, 然后提出了圆柱阵在任意俯仰角方向分两级子阵波束形成的数学模型, 并推导了各向同性空间均匀噪声场中的圆柱阵噪声互谱矩阵。圆柱阵波束图和阵增益的仿真结果表明, 文中提出的方法在低频段的指向性和阵增益远高于常规波束形成方法, 其拓展了EBDS方法的适用范围, 增强了圆柱阵的探测性能, 为小尺寸阵列进一步应用到低频水下无人系统探测中提供参考。
鱼雷协同制导对水声通信能力的需求分析
岳 玲, 樊书宏, 冯西安
2018, 26(5): 427-433. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.008
摘要:
水声通信能力对于鱼雷信息化、网络化协同作战的实现至关重要。文中以潜射重型线导鱼雷反潜作战为背景, 提出了一种多雷齐射、协同制导、集群攻击的新概念水下武器打击方式, 构建了一字型集中式和三角型分布式2种多雷协同制导体系, 并在此基础上针对通信距离、通信速率、误码率以及多普勒适应性等具体技术指标, 定量分析了多雷协同制导对水声通信能力的需求。通过与国外商用水声调制解调器性能参数相比较, 证明了现有水声通信技术可有效支撑多雷特征级协同制导和集群攻击。文中的研究可为鱼雷武器集群作战、组网探测以及协同制导的工程实现提供参考。
分布式基阵联合定位算法仿真分析
王志刚, 陈韶华, 王 维
2018, 26(5): 433-438. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.009
摘要:
在诸多水中目标定位的方法中, 相对于纯方位目标定位与跟踪算法计算量大、实时性差、定位和估计精度不高的不足, 多基阵联合定位系统具有较强的抗干扰能力和生存能力。基于此, 文中提出了一种适用于水声网络的分布式基阵联合定位方法, 分别给出了Jacobi迭代法、三角重心法和最小二乘法等算法的仿真计算模型, 比较分析了3种不同定位方法在不同基阵数和分布态势下的定位仿真性能。仿真结果表明, 基于三基阵的Jacobi迭代法定位精度和收敛性要优于其他2种算法。最后, 根据应用情况提出了适合分布式基阵联合定位的阵型、基阵数以及阵间距等参数, 以期提高对目标的定位性能和网络生存能力, 为多基阵目标定位的工程应用提供参考。
基于多源信息融合的声呐目标非威胁度评估方法
周 彬, 王 庆, 权恒恒
2018, 26(5): 439-443. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.010
摘要:
多源信息融合能够扩展声呐系统的探测范围, 提高目标识别的可靠性和鲁棒性。文中针对声呐目标探测中使用全频谱特征信息进行目标关联所需传输带宽大, 目标威胁度判别的先验概率不确定, 无法在概率论框架内进行融合处理等问题, 提出了一种基于多源信息融合的声呐目标非威胁度评估方法。该方法以低频声呐目标作为威胁目标的排除对象, 结合高频阵、非声传感器等输出的目标信息, 通过对多源信息预处理、目标航迹关联以及关联信息融合等进行低频声呐目标的非威胁度评估, 达到排除非威胁目标、提高警戒效率的目的。在目标航迹关联中, 提出了一种改进的灰色关联算法, 能够区分2个航迹变化趋势一致但相距较远的不同目标。在缺乏威胁目标判别先验概率条件下, 针对概率论方法不能有效应用于信息融合处理的问题, 提出了基于Dempster-Shafer证据理论的多源信息融合方法, 给出了非威胁目标可信度。最后利用低频阵、高频阵及自动识别系统(AIS)等多源信息的海试数据验证了文中方法的可行性。
多假设跟踪中的高效匈牙利算法研究
赵伟康, 韩一娜, 张浩宇, 杨益新, 刘清宇
2018, 26(5): 444-448. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.011
摘要:
作为多假设跟踪技术中的一项核心算法, 匈牙利算法占用了多假设跟踪中大部分的运算时间。考虑到多假设跟踪中的指派问题具有其特殊性, 即其效率矩阵是稀疏的, 文中提出了一种对效率矩阵进行降维的处理方法, 给出了运算流程, 对比了该方法与传统匈牙利算法在处理较大效率矩阵时的耗时, 结果表明, 在确保与传统匈牙利算法结果一致的前提下, 该方法能够大幅度降低运算量。
工程应用
无人水下航行器声通信系统设计与应用
马 璐, 温梦华, 乔 钢, 孙宗鑫, 池庆玺, 李 珊, 李志强
2018, 26(5): 449-455. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.012
摘要:
声波是迄今为止人类发现的唯一能在水下远距离传播信息的载体, 为了对无人水下航行器(UUV)进行遥控和监测, 建立一条UUV和水面指挥平台之间的无线通信链路, 文中设计了一套UUV通信系统, 该系统采用声波作为载体实现远距离无线通信。由于水声信道具有明显的多径干扰、多普勒频偏等特性, 该系统采用非相干多载波频移键控(MFSK)技术保证声通信链路的稳定性。为了进一步加强遥控指令、状态信息等的可靠传输, 采用停止等待自动要求重发(ARQ)协议对通信过程进行差错控制。所有控制算法均在低功耗数字信号处理器(DSP)硬件平台下实时实现。通过南海试验测试, 验证了该系统的实用性和稳定性。
多基地声呐融合探测关键技术研究
张浩宇, 韩一娜, 赵伟康, 杨益新, 刘清宇
2018, 26(5): 456-464. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.013
摘要:
为了解决多基地声呐中的融合探测问题, 文中分别探讨了多基地声呐融合探测中的测量模型、数据关联和跟踪器性能模型3个关键技术。测量模型包括时间、方位、位置和声速的误差分布和目标的定位表达式, 给出了各个误差因素的表达式和定位误差的表达式。数据关联用来解决得到的测量与已知目标之间的分配问题, 重点介绍了最近邻数据关联和多假设数据关联方法, 这2种方法使用相同的数据模型、测量模型和运动模型, 通过对最近邻数据关联和多假设数据关联进行仿真, 发现均能对目标实现良好的跟踪。跟踪器性能模型用来评估跟踪器输出质量, 分别从跟踪检测概率、跟踪碎片和错误跟踪率3个性能指标评估输出质量, 通过仿真得到的性能指标可知, 多假设数据关联跟踪器的输出质量明显优于最近邻数据关联跟踪器的输出质量。
基于AD变采样抑制多普勒的移动水声通信系统
王小阳, 郑思远, 李 斌, 童 峰
2018, 26(5): 465-469. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.014
摘要:
针对自主式水下航行器(AUV)等水下移动平台移动水声通信中的多普勒问题, 考虑到传统的软件变采样多普勒校正方法需要先接受完整的一帧信号, 并在多普勒估计后对信号进行重采样, 运算复杂度较高, 硬件实现较难。文中提出了基于模数转换(AD)变采样抑制多普勒的AUV移动通信方案, 在信号的前段做多普勒估计, 而后通过微控制单元(MCU)调整AD采样率接收信号, 相当于直接对信号做多普勒补偿。根据该方案所设计的水声通信系统能够实时通信, 并且改善了通信质量; 同时采用直接扩展频谱技术和信道编码, 进一步提高了通信性能, 海试验证了该方法的有效性。
水下探测通信一体化关键技术分析
卢 俊, 张群飞, 史文涛
2018, 26(5): 470-479. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.015
摘要:
水下探测与水声通信相结合的水下探测通信一体化技术具有减小平台体积、降低功耗、提高隐蔽性等优点, 但声呐的物理特性、声特性以及水声环境等因素制约了该技术的发展。结合现有雷达通信一体化、水下探测与水声通信技术, 研究了共享体制下基于通信信号的水下探测通信一体化技术, 分析了常用水声通信调制方式的探测与通信性能, 选取了适合水下共享波形的调制方式。针对单基地工作模式, 提出了多级自干扰抑制方法以及利用通信信号特点进行目标方位估计与检测的方法, 设计了发射泄漏模拟抵消器。针对双基地工作模式, 利用空域矩阵滤波方式进行直达波的消除, 分析了信噪比、误码率与探测性能的关系, 同时利用直达波获取的发射信号与回波信号进行匹配滤波, 提高了目标参数估计与检测性能。
水声信号频率对时间反转探测性能的影响
王铭灏, 王海燕, 申晓红, 张之琛
2018, 26(5): 480-486. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.016
摘要:
针对在复杂多途浅海环境下对弱目标进行探测这一水声探测领域的研究热点, 时间反转(TR)技术拥有广泛的应用前景。基于前人研究, 可知利用被动时间反转(PTR)和阵列信号处理(ASP)技术相结合可以进一步提高对弱目标的检测和定位的性能。但在复杂多途浅海环境下, 当信号脉宽大于门限脉宽时, TR聚焦的主峰和旁峰会产生混叠, 从而导致聚焦峰能量的改变。根据以上现象, 文章推导出了PTR信噪比处理增益与声源信号频率的关系, 并得到结论: 由于TR处理不能完全消除多径效应带来的时延扩展(镜反射之外的声线叠加), 对于同一PTR检测系统, 其检测性能和定位性能不仅与估计信道适配程度有关, 还与声源信号的时域特性(信号频率、脉宽)相关。这一研究结果对TR通信、TR检测, 尤其是信源或声源为长脉宽窄带信号的工程应用有一定参考价值。
一种新型水声Modem模拟电路设计与实现
廖建宇, 申晓红, 吕小鹏, 王海燕
2018, 26(5): 487-491. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.017
摘要:
针对传统水声Modem体积大、功耗高、通信距离近的不足, 从水声Modem总体设计出发, 对其中发射通道和接收通道的关键问题进行了研究, 包括D类功放电路设计、双谐振回路阻抗匹配电路设计和接收预处理电路设计, 提出了一种体积小、转换效率高的D类功放电路, 以及一种新型组合带通滤波器设计方法和程控自动增益控制(AGC)实现方法。将上述方法运用到试验样机中, 并通过了水池试验和丹江口水库通信试验。试验结果表明, 该样机相较于传统样机, 在声源级方面提升了10 dB, 通信距离达到4.8 km, 验证了方案的可行性。该设计可为水声Modem样机研发提供参考。
混合高斯模型和Radon变换用于声呐图像背景抑制
范 威, 朱代柱, 张德泽, 曾 赛
2018, 26(5): 492-497. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.018
摘要:
水下运动小目标的声呐图像背景随着空间和时间起伏变化, 声呐图像的背景抑制处理是水下小目标检测的关键技术之一。文中采用混合高斯模型建立序列声呐图像背景的各个方位-距离单元幅度的统计模型, 抑制声呐图像中成片亮区、亮带干扰背景。针对混合高斯模型“剩余”噪声问题, 利用水下运动目标航迹的连续变化特征, 通过Radon变换和Radon逆变换提取历程累积声呐图像的线特征, 滤除混合高斯模型处理后的“剩余”噪声。对实测水下小目标直线运动和跨方位曲线运动2种情况下的多波束声呐数据进行了分析, 结果表明, 通过混合高斯模型和Radon变换滤波方法处理, 可以实现复杂声呐背景的去除, 获得“干净”的声呐背景, 有利于声呐对水下运动目标的自主检测。
一种镶拼圆环换能器宽频带应用研究
宋 哲, 严由嵘
2018, 26(5): 498-502. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.019
摘要:
To realize low-frequency acoustic emission of small caliber underwater unmanned vehicle(UUV), further reduce the volume and mass proportion of a transducer in the UUV, and widen available frequency band of the transducer, a kind of thin-walled mosaic cylindrical transducer for the UUV was designed. Considering the limitation of the UUV on the transducer’s size and mass, the influence of height parameter of the mosaic circular ring on the electroacoustic performance of the transducer was analyzed by combination of the theoretical formula with the finite element software ANSYS. The reasonable design of the ring height can realize the coupling of the radial breathing vibration modal of the circular ring and the bending vibration modal in height direction to widen the frequency band. Thin wall design was adopted to reduce the mass and space occupancy. The vibration form and acoustic performance of the transducer in the frequency band below resonant frequency were analyzed through modal analysis. According to the simulated optimized results, a prototype of the transducer was fabricated. Tests show that in the operating frequency band from 5.5 to 33 kHz, the in-band transmitting voltage response fluctuates between 4 dB and +4 dB approximately, which is basically consistent with the simulation results. The in-band sound source level is greater than 173 dB, while in the lower frequency band from 500 Hz to 1 kHz the sound source level is higher than 144 dB, indicating a certain low-frequency acoustic emission performance. This work may provide a reference for realizing low-frequency and wide-band acoustic emission of small caliber UUV transducer.
被动拖曳线列阵阵形空间畸变估计算法
滕月慧, 曾 赛
2018, 26(5): 503-509. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.020
摘要:
拖曳线列阵声呐是远距离探测水下目标的主要装备, 其战术机动会引起拖曳线列阵的阵形畸变, 从而降低拖曳线列阵声呐的空间处理增益, 增大声呐对目标方位估计的误差。基于此, 文中提出了拖曳线列阵的阵形空间畸变的估计方法, 利用三维曲线空间投影原理, 给出了拖曳线列阵阵形空间畸变的抛物线模型和指数畸变模型的描述方法。结合拖曳线列阵中航向传感器和纵摇传感器的信息, 提出了一种强鲁棒性的三维阵形估计算法, 并分析了航向传感器中航向角精度和模型失配2个因素对拖曳线列阵阵形估计性能的影响。仿真结果表明: 文中的算法可以估计拖曳线列阵三维阵形畸变, 突破了阵形平面畸变和微小畸变的限制。
服务号
订阅号