水下无人系统学报

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郭志强, 苏文国, 唐贵

2021, 29(2): 129-134. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.001

[摘要](391) [PDF 287KB](337)

摘要:
MK48系列重型鱼雷是美国海军长期重点发展的一项水中兵器, 近年来有了许多新的研发进展。文中总结概括了美国海军MK48系列鱼雷的发展过程与现状, 介绍了其最新研发进展; 分析了MK48重型鱼雷的技术发展路线, 重点介绍了隐身鱼雷强化项目、鱼雷先进推进系统和通用宽带先进声呐系统等几项关键发展计划的研究成果及应用; 最后对MK48鱼雷未来发展路线的主要特征进行了分析, 并指出联合作战或将是MK48鱼雷的一种新应用场景。

波浪滑翔器测波技术研究

秦玉峰, 齐占峰, 张爽, 侯二虎, 李国富, 冯志涛

2021, 29(2): 135-146. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.002

[摘要](221) [PDF 2808KB](130)

摘要:
当前波浪观测主要采用波浪浮标进行定点观测, 利用波浪滑翔器等新型海洋移动观测平台进行走航式波浪观测的研究较少。针对此, 文章利用“蓝鲸”波浪滑翔器开展波浪滑翔器的测波可行性、测波方法及测波能力研究。介绍了波浪滑翔器的结构组成、工作原理和测波实现方法, 在分析波浪滑翔器和波浪浮标不同测波原理的基础上设置对比试验。基于试验结果分析了波浪滑翔器和波浪浮标关于波高、波周期、波数及波向等波浪特征数据的差值和相关性, 解析差值存在机理并提出消除差值和修正波浪滑翔器观测数据的理论依据。分析可知, 波浪滑翔器和波浪浮标相比, 波浪数据重合度较高, 差值较小, 相关性极高, 平均相关系数达到0.9以上, 数据质量可信度高, 验证了波浪滑翔器测波数据的准确性, 证明了波浪滑翔器用于波浪观测的可行性。

基于海豚听觉系统模型的水下目标识别

周卓, 梁红, 杨长生, 赵国贵

2021, 29(2): 147-152. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.003

[摘要](432) [PDF 1065KB](167)

摘要:
从目标的主动声呐回波中提取其特征信息是实现水下目标分类识别的有效手段。动物声呐在水下目标识别中表现出的优异性能为人工声呐提供了解决方法。文中以宽吻海豚喀啦信号作为主动声呐的发射信号, 分别利用小波变换和海豚听觉系统模型2种方法提取了目标回波特征并作为支持向量机的输入进行分类。将通过海豚听觉系统模型得到的时谱图作为卷积神经网络的输入, 对目标进行分类识别。研究表明, 相比于小波变换方法, 利用基于海豚听觉系统模型的特征提取方法进行目标分类识别的效果更好; 结合卷积神经网络, 采用海豚喀啦信号结合海豚听觉系统模型在水下目标识别中可以获得更好的结果。

基于优化二维变分模态分解与迁移学习的水下目标识别方法

付同强, 胡桥, 刘钰, 郑惠文

2021, 29(2): 153-163. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.004

[摘要](250) [PDF 882KB](142)

摘要:
由于海洋环境的复杂多变性, 使得传统的水声目标识别方法应用于水下目标智能识别具有一定的局限性。基于单一域特征构建的数据集难以表征目标信号的全局信息, 传统机器学习与深度学习方法对小样本目标的泛化能力低。针对复杂海洋环境下传统水下目标识别方法精度和效率不高的难题, 文中提出了基于优化二维变分模态分解(2D-VMD)与迁移学习的水下目标识别方法。该方法通过小波变换获得水下目标时频图, 并采用优化2D-VMD方法自适应选取有效模态, 实现目标有效模态与噪声模态的分离, 完成了时频图的去噪并提取了图像经典的纹理特征进行对比分析。最后通过采用迁移学习的策略, 实现了基于InceptionV3的模型迁移验证, 完成了水下目标小样本数据集下的分类识别。结合ShipsEar中5类水下目标的分类测试试验, 结果表明: 基于优化2D-VMD与迁移学习的水下目标识别方法具有良好的特征提取与去噪能力, 同时兼顾了水下目标识别的精度与效率要求, 为海洋装备智能目标探测与识别提供了理论与技术支撑。

用于单矢量水听器方位估计的加权直方图法

张小勇, 张国军, 尚珍珍, 王帅

2021, 29(2): 164-169. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.005

[摘要](195) [PDF 416KB](100)

摘要:
在水下无人系统中使用矢量水听器进行声源方位估计具有较大的优势, 采用加权直方图法可以利用单个矢量水听器实现方位估计, 且计算量较小。文中分析了声能流检测器的原理, 由声能流可以获得平面内声能量的分布情况, 为加权直方图法提供了理论基础。通过分析发现: 在低信噪比下, 声源的能量扩展到了真实方位之外, 使得加权直方图法的统计间隔会分割声源能量, 从而出现方位估计误差。针对这一问题, 提出了改进的基于能量搜索的加权直方图法, 该算法采用滑动窗口法寻找声源所在区间, 并利用重心法获得区间内的能量中心即方位估计的结果。通过仿真证明: 改进后的算法在统计间隔为10°, 信噪比为-10~10 dB时, 均比原算法具有更好的性能, 其均方根误差平均减小43.7%, 且在多目标(干扰)环境下的方位估计结果也更准确。文中研究可为有效改进单矢量水听器方位估计算法提供参考。

节点运动对多AUV协同系统全网完成度的影响

梁庆卫, 张鑫, 闫晓航

2021, 29(2): 170-175. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.006

[摘要](134) [PDF 507KB](100)

摘要:
多AUV协同系统(MAUVS)具有作业范围广、功能强、工作效率高等特点。面对复杂的海洋环境,系统节点在执行任务过程中需要调整自己的运动状态, 运动状态的改变会导致节点间通信距离发生变化, 并产生多普勒频移, 影响协同系统通信性能。基于此, 文中从拓扑结构出发, 考虑误码率和水下通信的时延特性, 提出使用全网完成度来描述系统通信性能的可靠性, 并给出全网完成度的计算方法。通过算例分析了不同运动状态下通信距离变化对通信链路的影响, 给出了节点运动对MAUVS全网完成度的影响, 从一定程度上证明了全网完成度描述MAUVS通信网络可靠性的合理性。

一种多光学浮标联合定位算法及仿真

郭建忠, 孙健, 王凯帅

2021, 29(2): 176-182. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.007

[摘要](129) [PDF 518KB](113)

摘要:
为解决单、双光学浮标无法获得目标全要素信息的问题, 文中基于声学目标运动要素解算技术, 提出了一种多光学浮标联合定位算法, 建立了包含浮标定位误差、观测时间误差和光学观测模糊误差的光学浮标观测数学模型, 利用蒙特卡洛仿真方法给出了考虑上述误差并针对机动目标不同数量光学浮标的定位精度指标, 同时分析了各因素对多浮标联合定位的影响。文中研究为光学浮标的工程应用提供了数据支撑。

随机错位组合阵列分级波束旁瓣控制方法

祝鹏, 杜金香

2021, 29(2): 183-188. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.008

[摘要](121) [PDF 455KB](75)

摘要:
为了降低水下大型声呐阵列波束形成算法的工程实现难度, 可采用阵元级分区波束扫描模式的大型平面阵列, 无需改变每个扫描分区内的阵元幅相权, 仅通过子阵级数字波束形成即可完成阵列的波束扫描。但该模式会带来高旁瓣问题。针对此, 文中提出一种基于规则子阵的随机错位组合阵列设计方法, 打破现有研究方法中错位量为整数倍阵元间距的限制, 利用遗传算法同时对子阵相邻列错位量与子阵级权系数进行联合优化, 以主旁瓣比作为适应度函数, 使得综合方向图最高旁瓣最低, 从而降低了由于子阵级大阵元间距带来的栅瓣效应。仿真结果表明, 采用随机错位的子阵结构, 优化后的阵型和权系数能够有效避免大分区下带来的高旁瓣, 在不同分区内都能获得较高的主旁瓣比, 对于旁瓣的控制效果优于现有错位组合阵列方法, 验证了随机错位组合阵列设计优化方法的有效性。

基于初值更新的水下纯方位短时目标跟踪

郑艺, 王明洲

2021, 29(2): 189-195. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.009

[摘要](663) [PDF 516KB](96)

摘要:
水下被动单站纯方位目标跟踪具有布局简单、隐蔽性强的优点, 但所使用的滤波方法均存在对初值选取敏感的问题, 且实际工程中会遇到目标速度快、观测时间短、量测数据少的情况, 使这一问题更加凸显。针对这一情况, 文中研究了初值对滤波产生影响的原因和方式, 提出了一种基于初值更新的扩展卡尔曼滤波改进方法, 通过后向迭代对初值重新估计并不断更新, 逐步降低初值误差对滤波结果的影响。仿真结果表明, 该方法可减少滤波器对初值选取的依赖, 降低最终的估计误差。

水下机器人推进器控制系统PWM及电流信号降噪方法

殷宝吉, 周佳惠, 唐文献, 董亚鹏

2021, 29(2): 196-202. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.010

[摘要](180) [PDF 1613KB](175)

摘要:
针对水下机器人推进器控制及其运行状态监测问题, 研究了推进器控制系统脉冲宽度调制(PWM)信号及电流信号降噪方法。针对基于典型串联接地方式建立的推进器控制电路中, PWM信号的纹波幅值及占空比波动都较大的问题, 设计了一种冗余接地电路, 该电路在主控中央处理器和模拟转脉冲宽度调制模块之间单独增加一条地线, 以避免信号受到电源地线的干扰。针对推进器工作电流信号数据中噪声干扰较强, 以及基于小波分解降噪后电流数据与真实电流数据的误差仍然较大的问题, 提出了一种基于小波分解和七点滑移平均交叉耦合的耦合降噪方法。水池试验结果表明, 冗余接地电路与典型串联接地电路相比, 具有更小的纹波幅值和占空比波动; 利用所提耦合降噪方法的电流数据与原始电流数据和小波分解降噪后电流数据相比, 与真实电流数据的误差更小。试验结果验证了上述方法的有效性。

潜射鱼雷命中概率的解析计算通式及应用

武志东, 于雪泳, 许兆鹏

2021, 29(2): 203-209. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.011

[摘要](113) [PDF 429KB](164)

摘要:
为建立预定相遇态势的潜射鱼雷命中概率的解析计算通式, 采用几何分析法, 首先分析相遇态势对潜射鱼雷命中概率的影响, 建立了不同自导方式下鱼雷二次转角射击时命中偏差的通用计算模型; 在此基础上, 建立了鱼雷命中概率的解析计算通式, 并分析了模型参数的取值情况; 最后, 基于实例计算结果, 定量分析了鱼雷命中概率曲线, 对比分析了鱼雷命中概率的解析计算结果和仿真计算结果, 验证了鱼雷命中概率解析计算方法的可行性和模型的正确性, 基于鱼雷一次转角射击和二次转角射击2种情况, 对比分析了不同要素误差对鱼雷命中结果的影响程度。

基于常散射假设和同态滤波的水下图像增强算法

王丹, 张子玉, 赵金宝, 杨谢柳, 范慧杰, 唐延东

2021, 29(2): 210-217. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.012

[摘要](119) [PDF 7430KB](107)

摘要:
针对水下图像视觉增强技术存在低对比度和色偏的问题, 文中提出一种基于常散射假设和同态滤波的水下图像增强算法。首先, 假设整幅图像的后向散射为常量, 在图像的前景区域分别搜索红绿蓝三通道的最小像素值, 将各通道与其对应的最小像素值作差, 以实现去除后向散射的目的。然后, 将图像转为灰度图像并进行同态滤波处理, 以抑制图像低频信息和增强图像高频成分。最后, 采用颜色校正方法消除离群点对图像的干扰。实验结果表明, 文中方法可有效改善图像的对比度和亮度, 提升图像的整体视觉效果。

图像压缩感知在信源信道联合编码系统中的应用

刘叙含, 张尚卓, 黎海青, 张伟杰, 张建松

2021, 29(2): 218-223. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.013

[摘要](121) [PDF 681KB](256)

摘要:
提出了一种将基于离散小波变换的图像压缩感知应用在信源信道联合编码系统中的方法。该方法将双重不等差错保护与码率动态分配机制相结合, 在信源编码部分, 根据图像小波变换后各频带所包含重构信息量的差异, 利用压缩感知算法进行不等压缩, 产生渐进性的信息流, 信息流通过Huffman熵编码后成为适合信道传输的二进制码流; 在信道编码部分, 根据信源编码后二进制码流的渐进性信息, 动态分配Turbo编码码率, 从而实现信道的不等差错保护。该联合编码方法在信道资源受限的情况下, 可对资源进行优化分配, 达到良好的端到端通信效果。以标准灰度图像Lena图为例, 编码后通过高斯白噪声信道, 仿真结果为: 当信噪比为4 dB时, 图像重构均方误差为0.061 6, 重构性能良好; 同时, 系统获得了高达4:1的压缩比, 系统耗能减少, 传输效率增加。

基于鱼雷热动力系统全工作过程联合仿真预测设计方法

马为峰, 李鑫, 韩新波, 万荣华, 韩勇军

2021, 29(2): 224-229. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.014

[摘要](117) [PDF 807KB](133)

摘要:
针对鱼雷热动力系统缺乏多学科集成设计环境, 不能实现跨学科跨系统协同等问题, 基于鱼雷热动力系统仿真的发展现状, 提出了基于鱼雷热动力系统全工作过程联合仿真的预测设计方法, 构建了涵盖不同维度、不同专业仿真软件和试验数据的动力系统仿真验证体系, 探索了子系统数值仿真、方案优化和系统数值试验的预测设计途径, 在实现多方案设计参数驱动和跨学科跨系统交互仿真的同时, 完成了系统数字化验证和性能评价。通过仿真实例说明, 该方法可以直观显示系统工作过程的流场细节和参数变化规律, 完成系统性能的虚拟验证, 实现从“传统设计”到“预测设计”的转变, 提高设计成功率和可靠性, 缩短研制周期, 为鱼雷热动力系统的设计提供参考。

爆炸网络输出同步性对水中兵器聚能战斗部毁伤威力的影响

王团盟, 哈海荣, 鲁海玲, 王雪峰, 黎勤, 徐洋

2021, 29(2): 230-237. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.015

[摘要](134) [PDF 1013KB](98)

摘要:
针对水中兵器聚能战斗部采用爆炸网络的需求, 文中利用“分析树”的模式对爆炸网络多点输出同步性影响因素进行了分析, 提出了多点输出同步性控制方法。利用仿真方法研究了1点输入、8点输出形式的爆炸网络输出同步性对聚能战斗部毁伤威力的影响规律。结果表明, “一入八出”爆炸网络多点输出同步性极限偏差控制在0.6 μs以内时, 对聚能战斗部的毁伤威力不会造成显著影响, 继续加严和提高爆炸网络输出同步性极限偏差技术指标, 聚能战斗部的综合毁伤威力不会明显改善。文中研究可为提高水中兵器聚能战斗部毁伤效果提供理论依据。

基于GA的水下预置反舰导弹区域封锁部署优化

孙凡, 邹强, 彭英武

2021, 29(2): 238-242. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.016

[摘要](3660) [PDF 456KB](258)

摘要:
水下预置反舰导弹作为一种新型的水下攻击武器, 将在未来海战中扮演重要角色。为充分发挥水下预置反舰导弹封锁效能, 文中通过网格化处理目标海域的方法, 对区域封锁作战中水下预置反舰导弹的部署使用进行了研究, 并结合武器性能、环境特点以及作战要求等因素, 建立水下预置反舰导弹区域封锁部署的组合优化模型。最后利用遗传算法, 通过仿真算例验证了模型的合理性和有效性, 为日后水下预置反舰导弹的决策部署提供参考。

鱼雷可靠性信息的收集与应用

庞多, 程文鑫, 陈欢, 张共愿, 张岳青

2021, 29(2): 243-248. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.02.017

[摘要](142) [PDF 304KB](99)

摘要:
可靠性信息对于优化产品设计、评估定量指标具有十分重要的意义, 而鱼雷可靠性信息的收集尚处于起步阶段, 信息收集的方法及应用还未进行系统研究。针对此现状, 文中分析了鱼雷可靠性信息收集的必要性, 给出了信息收集的内容、用途及方法, 结合信息收集的工程经验, 提供了部分信息收集表格以供参考, 结合计算公式给出了应用示例, 旨在为鱼雷可靠性信息收集工作提供思路。

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