水下无人系统学报

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李佩娟, 杨书涛, 李睿, 杜俊峰, 刘义亭

2023, 31(5): 661-668. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0063

[摘要](96) [HTML全文] (15) [PDF 1590KB](40)

摘要:
超短基线(USBL)定位系统广泛应用于水下航行器的组合导航定位。已知的精确应答器位置是应用USBL进行导航定位的前提。传统应答器位置标定方法以斜距为观测量, 标定精度不高、鲁棒性差。文中以斜距和方位角为观测量, 推导了基于卡尔曼滤波的线性化量测方程。同时，考虑到水下复杂环境导致的噪声非高斯分布特性, 提出一种采用最大相关熵滤波抑制野值的水下声学应答器位置标定方法。在长江典型环境下对应答器位置进行标定试验，试验结果表明, 所提方法相比于传统方法具有更高的标定精度, 在野值干扰下具有更好的鲁棒性, 经标定后, 在东北天3个方向上USBL的定位精度分别提高了48.3%, 48.2%和40.4%, 可实现水下航行器高精度导航定位功能。

基于无偏伪线性卡尔曼滤波的3D到达角目标跟踪

赵唯, 黄子豪, 郝程鹏

2023, 31(5): 669-678. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0007

[摘要](74) [HTML全文] (19) [PDF 1621KB](25)

摘要:
在3D到达角目标跟踪研究中, 伪线性卡尔曼滤波(PLKF)因计算复杂度低且对初始误差不敏感受到较大关注, 但观测矩阵与噪声之间的相关性会使PLKF的目标状态估计存在一定偏差。针对这一问题并考虑观测站存在定位误差的实际情况, 文中提出一种3D修正无偏PLKF算法。首先对方位角及俯仰角观测方程进行整体伪线性化, 通过修正噪声协方差矩阵来降低观测站定位误差对跟踪精度的影响; 其次通过分离观测矩阵中的噪声, 降低由观测矩阵和观测噪声相关性引起的估计偏差。仿真分析结果表明, 所提算法有效提高了3D到达角目标跟踪在非机动和机动2种场景下的精度, 且具有较低的计算复杂度。

基于动态领域势场法的船舶避碰路径规划

孙硕, 杨少龙, 向先波, 范雪

2023, 31(5): 679-686. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0058

[摘要](88) [HTML全文] (18) [PDF 2744KB](33)

摘要:
针对传统人工势场避碰路径规划在避让距离和避碰时机方面的局限性, 提出一种基于改进人工势场法的动态船舶避碰路径规划方法。采用四元安全领域改进了人工势场中固定的障碍物斥力作用范围, 构建一种根据船速动态调整的避让领域范围来代替固定阈值的障碍物斥力势场范围, 实现避让距离由静转动;提出一种设定半径自适应的子目标设定方法, 并且加入可变调整角, 以调整子目标点与障碍物的距离, 从而解决避碰大型障碍物时出现的局部最小值和路径抖动问题。改进后算法可根据不同船速构建自适应的避让领域, 实现船舶避让距离的动态调整, 在保证安全的前提下减少因过于保守的避让距离带来的不必要的碰撞威胁和避碰行为, 在速度为1 m/s时, 动态领域势场法相对于障碍物斥力势场范围分别为100、200 m的传统人工势场法分别节省航程的8%和9%。通过真实海图仿真试验验证了所提避碰路径规划算法的可行性, 能够实现在有大型障碍物的复杂场景中船舶的安全避碰路径规划。

基于改进WLSSVM的无人艇操纵性参数辨识

张海胜, 董早鹏, 杨莲, 张铮淇, 齐诗杰, 李家康

2023, 31(5): 687-695. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0044

[摘要](48) [HTML全文] (10) [PDF 1691KB](9)

摘要:
为了实现高精度的无人艇操纵运动辨识建模, 针对最小二乘支持向量机(LSSVM)辨识无人艇2阶非线性响应模型时, 部分参数会辨识不准的问题, 设计了余弦处理方法, 对辨识模型进行重构; 为进一步提高辨识精度, 在此基础上根据数据加权思想, 结合引入变异策略的自适应粒子群算法, 提出了一种可对权值寻优的加权最小二乘支持向量机(WLSSVM)算法。基于仿真数据和实船数据的辨识结果表明, 余弦方法重构后的模型很好地解决了参数辨识不准的问题, 权值寻优后的WLSSVM进行参数辨识建模具有更高的预报精度。研究结果能够为无人艇操纵运动的高精度参数辨识建模提供参考。

基于感知信息的USV目标环绕跟踪方法

宋吉广, 李德隆, 冯亮, 刘阳, 林扬, 孙铁铭

2023, 31(5): 696-702. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202206011

[摘要](83) [HTML全文] (19) [PDF 1441KB](27)

摘要:
无人水面艇(USV)作为一种智能水面工具, 可实现航行控制、水面目标识别与感知等基本功能, 但伴随着工程需求的多元化, 如水面失事货轮、未知船只特征识别、失事飞机等搜救探测任务, 该基本功能已无法完成任务, 因此需要开展一种可对目标进行稳定跟踪并完成360°环视的方法研究。文中提出一种基于感知目标信息, 通过对目标环绕跟踪,实现目标检测的方法。在对感知信息进行目标运动状态估计后, 采用虚拟目标点跟踪算法计算出期望航向及速度, 通过航向控制器及速度控制器实现对USV的位姿控制, 同时加入重规划跟踪策略, 以适应水面复杂环境并感知设备提供信息的误差扰动。以USV模型辨识方法获得模型并搭建仿真平台进行仿真验证, 通过实航试验测试证明该算法设计的合理性。

一种舰船声尾流回波信号建模方法

杨长生, 苟文博, 梁红

2023, 31(5): 703-709. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0035

[摘要](62) [HTML全文] (11) [PDF 1616KB](20)

摘要:
通过声尾流回波信号模型构建仿真数据是研究舰船尾流的重要方式。文中针对已有模型忽略单个气泡散射回波的不足, 提出了一种分区域点散射模型。该模型首先依据不同舰船尺寸、航行速度和海况确定尾流几何模型, 进而根据气泡尺寸分布划分尾流为不同散射区域; 然后根据收发平台的波束宽度、位置和发射角度确定尾流自导系统作用范围; 最后划分尾流自导系统作用范围为有限散射单元, 综合考虑传播损失后根据点散射模型计算尾流散射回波信号。仿真和水箱实验结果表明, 文中所提模型可用于舰船尾流仿真, 并为进一步开展尾流检测和识别提供支撑。

尾流气泡幕光谱特性研究

方雪丽, 张建生

2023, 31(5): 710-714. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0020

[摘要](48) [HTML全文] (9) [PDF 2267KB](13)

摘要:
舰船在行驶过程中, 因螺旋桨的搅动与空气和海水作用产生气泡幕, 最终在船的尾部形成尾流。目前关于尾流光学研究主要集中在以宏观的海面成像判断尾流形状, 以及水下尾流气泡幕的散射特性, 少有学者研究尾流气泡幕的光谱特性。针对此, 文中使用实验室设计的气泡幕发生装置模拟尾流气泡幕, 并分析气泡的变化过程, 包括气泡的大小以及受力情况。利用光纤光谱采集系统获取不同压强条件下气泡幕的透射光谱, 分析了不同压强下尾流气泡幕透射光谱的光谱特性。结果表明, 在不同实验条件下, 透射光谱分布大致相同; 气泡浓度对光谱测量值影响较大, 气泡浓度越大, 透射率越小; 光谱测量值还受不同波段的光在空气中衰减程度不同的影响, 其中长波透射率较大, 所以430~550 nm波段内空气对光的吸收较大, 相比较而言, 600~730 nm波段内的透射率较大。

一种基于目标声信息改进概率图的多UUV协同搜索方法

杨惠珍, 周卓彧, 李源

2023, 31(5): 715-724. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0036

[摘要](59) [HTML全文] (5) [PDF 1401KB](30)

摘要:
针对未知环境中多无人水下航行器(UUV)协同目标搜索问题, 提出一种基于目标声信息改进概率图的多UUV协同搜索方法。建立了包含目标声场信息、UUV占用信息、目标存在概率及环境确定度的改进概率图, 使UUV对动态搜索环境及目标信息的感知更加准确、全面; 提出了一种基于学习机制和自适应参数调节机制的改进粒子群优化(PSO)算法, 将基于线性种群规模减小和广泛学习机制的自适应差分进化算法的突变策略引入PSO算法, 通过生成自适应调整参数的突变粒子, 增加粒子多样性, 在多UUV目标搜索应用中, 减少了局部最优, 提高搜索效率; 设计开发了仿真程序, 应用蒙特卡洛仿真方法验证分析了多UUV搜索效能。仿真结果表明, 所提出的多UUV协同搜索方法与基于传统概率图的PSO搜索算法相比, 同样条件下找到目标所花费的时间更少、找到的目标数量更多, 对动态目标搜索具有较明显的优势。

点声源入射下水下弹性球壳声散射分析

郑金焱, 陈美霞, 董文凯

2023, 31(5): 725-734. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0053

[摘要](127) [HTML全文] (14) [PDF 1700KB](26)

摘要:
为了研究水下目标的声散射问题, 在经典Rayleigh简正级数解析解的基础上, 结合格林函数在球坐标系中的表达式, 计算了点声源球面波与平面波的折算因子; 基于平面波入射下弹性球壳的散射声场, 完成了点声源入射下的弹性球壳散射声场求解, 并进行了有限元验证。以此为基础, 计算并分析了典型球状目标的目标强度; 从目标强度的角度出发, 对点声源与球心的距离进行量化, 提出球面波可近似为平面波处理的条件。研究结果表明: 当点声源在球体表面附近时, 散射体的目标强度曲线峰值相对于平面波入射下会发生偏移; 此外在无因次频率 ka <50时, 球面波可近似为平面波入射, 点声源和球心的临界距离与球壳半径、球壳厚度有关。研究结果可为水下目标的探测、识别及水声测量实验提供理论参考。

均匀双圆环阵虚拟成阵方法研究

任笑莹, 王英民, 张立琛, 王奇, 廉杰

2023, 31(5): 735-745. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202206012

[摘要](95) [HTML全文] (13) [PDF 1659KB](23)

摘要:
针对在航空声呐系统有限空间内双圆环阵因孔径受限而导致的目标分辨力和空间分辨率不足的问题, 提出了一种可以实现双圆环阵孔径扩展的虚拟成阵方法。该方法利用双圆环阵模态域信号模型和双直线阵阵元域信号模型之间的关系, 设计了采样矩阵和相位旋转矩阵, 将均匀双圆环阵转换为均匀双直线阵。考虑了实际双圆环阵中的阵元位置误差、阵元间耦合、观察角度误差等的影响, 利用最小二乘准则提出了一种将实际双圆环阵近似转换为均匀双直线阵的优化模型, 并给出了迭代求解方法。与合成孔径方法相比, 该方法是对基阵阵列流形的一种预处理, 对使用过程中基阵的运动特性没有特殊要求; 与模态域转换方法相比, 该方法可以体现目标双直线阵的阵元间隔和两线阵间距, 充分利用了双直线阵相对于单直线阵的优势。仿真实验和水池实验结果表明, 双圆环阵的孔径得到了扩展, 虚拟阵波束图比双圆环阵波束图的主瓣更窄且旁瓣更低, 有效提高了目标分辨力和空间分辨率。

高斯色噪声背景下基于权向量的连续波信号检测

代振, 吴吉伟, 尹美方

2023, 31(5): 746-749. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0067

[摘要](73) [HTML全文] (6) [PDF 796KB](9)

摘要:
针对高斯色噪声背景下信号检测需要进行预白化处理的问题, 提出了一种基于权向量的信号检测方法。首先基于权向量构造检验统计量, 分析其检测性能, 在此基础上推导了N-P准则下的最优权向量, 并证明了其与广义匹配滤波的等价性。通过构造合适的权向量, 证明在大数据记录下检测连续波信号时无须进行预白处理, 可以明显提高检测效率。仿真结果表明了该检测方法的有效性。

X形全动舵十字形鳍布局高速水下航行器设计参数对操纵性影响分析

张锐

2023, 31(5): 750-759. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0057

[摘要](101) [HTML全文] (16) [PDF 1841KB](38)

摘要:
针对X形全动舵十字形鳍布局的高速水下航行器外形结构, 采用部件叠加原理建立了航行器流体动力系数与各部分尺寸之间的函数模型, 建立了航行器流体动力、操纵稳定性和机动性与流体动力系数的关系。在给定各部件尺寸范围的前提下, 通过优化超立方拉丁抽样得到设计变量的样本区间, 采用试验设计思想分析了设计参数对航行器机动性能的影响程度, 以及操纵性能对设计参数变化的灵敏度。结果表明, 当设计参数在约束范围变化时, X形全动舵十字形鳍布局的高速水下航行器纵平面稳定度G_y和侧平面的动稳定度G_z均在0.4以上, 具有良好的机动能力; 航行器的负浮力大小与重心和浮心相对位置对航行器的G_y、G_z影响比较明显且呈现负效应; 全动舵的舵截面弦长和展长对航行器机动性能影响最大, 且全动舵宜设计为大展弦比舵并尽量安装在靠近尾部的位置。

基于氮气挤代的推进剂供应系统动态特性研究

王谦, 秦侃, 郝常乐, 张安静, 罗凯, 党建军

2023, 31(5): 760-770. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202205007

[摘要](63) [HTML全文] (10) [PDF 2146KB](13)

摘要:
燃料供应系统能否将燃料按一定流量和比例快速输送至燃烧室进行燃烧, 以供发动机做功是鱼雷启动过程的决定性因素。文中建立了适用于鱼雷能源供应系统的一维可压缩数值仿真程序, 用于基于氮气挤代的典型鱼雷推进剂供应系统模型的动态特性仿真; 通过经典文献及Fluent数值仿真方法对一维程序进行交互验证, 一维仿真结果与两者相近, 程序可用于对推进剂供应系统模型内部非定常流动状态的仿真。研究了活门直径、高压气舱压力及推进剂舱容积对推进剂供应系统模型动态响应特性的影响。结果表明, 活门直径的增大可以缩短系统的平衡时间并减弱高压气舱压力变化对系统平衡时间的影响; 在研究范围内, 推进剂舱容积的增大, 也会导致系统平衡时间的延长以及最终稳定压力的降低。

基于卡尔曼滤波的闭式循环蒸汽温度在线处理方法

高慧中, 刘洋, 马为峰, 宗潇, 郭兆元

2023, 31(5): 771-777. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0089

[摘要](61) [HTML全文] (16) [PDF 1748KB](10)

摘要:
Li/SF₆能源系统是一种新型高能热源, 其能量密度高、无产物排放的特点可支持水下装备构建闭式循环动力系统。能源系统中的螺旋管出口温度作为影响反应过程的关键反馈量, 在测量噪声和系统噪声干扰下会影响系统调控精度和稳定性, 对航行器的可靠工作产生负面作用。文中基于一维分布参数法仿真得到的蒸汽出口温度变化曲线, 针对常用降噪方法的不足, 设计了一种基于卡尔曼滤波原理在线降噪处理方法。经过与常规采用的滑动平均滤波和1阶低通滤波方法的对比可知, 该方法不仅在误差概率分布、信噪比方面具有明显优势, 而且能够缩短系统稳定时间, 改善系统动态特性。

悬浮式航空自导深弹水下攻潜作战效能分析

赵申东, 野理聪, 曹骏泷, 李居伟

2023, 31(5): 778-782. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0069

[摘要](76) [HTML全文] (17) [PDF 1034KB](20)

摘要:
为有效提高攻潜效能, 文中采用首先悬浮于水面附近探测潜艇, 待发现目标后再下沉攻击的悬浮式航空深弹工作方式来提升航空自导深弹的命中概率。通过分析悬浮式航空自导深弹工作流程, 建立命中概率模型, 给出其深度运动规律和命中潜艇目标的条件。利用蒙特卡洛方法, 分析其影响命中概率的主要因素, 给出其使用场景和悬浮时间参数设定的一般原则。

基于深度神经网络的鱼雷命中概率预测方法

李旭辉, 郭晓辉, 程帅, 李斌

2023, 31(5): 783-788. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202206004

[摘要](103) [HTML全文] (9) [PDF 1414KB](28)

摘要:
为进一步提升鱼雷命中概率预测能力, 文中提出一种基于深度神经网络(DNN)的鱼雷命中概率预测方法。首先提取了态势特征信息, 设定了想定态势空间, 基于蒙特卡洛方法, 构建了鱼雷作战的大样本数据集; 在此基础上, 利用Levenberg-Marquardt优化算法计算最优梯度方向, 提高了算法的计算效率; 最后基于模型给出了2种典型的作战应用模式。实验结果表明, 文中提出的DNN预测模型相比其他典型智能算法识别准确率更高, 验证了模型的有效性和优越性。

鱼雷专用保障设备电磁兼容性整改分析与验证

张溢文, 孙开锋, 翟锋涛, 陈静

2023, 31(5): 789-793. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202204009

[摘要](44) [HTML全文] (9) [PDF 2090KB](13)

摘要:
针对鱼雷专用保障设备在电磁兼容性测试中出现指标超标的问题, 通过分析设备的组成及电磁特性, 确定了设备电磁兼容设计上的薄弱环节, 针对性的采取了机箱屏蔽处理、增加电源滤波器、内外部线缆处理等整改措施。经对比试验验证, 设备传导发射和辐射发射指标相比整改前大幅降低, 满足国军标极限线要求, 证明整改措施有效, 可为其他设备的电磁兼容性整改提供参考。

基于时差加权的鱼雷内外测弹道融合处理方法

邓南明

2023, 31(5): 794-797. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0054

[摘要](64) [HTML全文] (10) [PDF 1080KB](10)

摘要:
鱼雷海上试验结果评定时, 鱼雷过目标情况及非触发引信动作功能等的评定需要高精度、高采样频率的鱼雷弹道数据, 但单纯依靠鱼雷内、外测弹道数据难以满足评定要求, 同时尚无适用的弹道融合方法。针对此, 文中提出一种基于时差加权法的鱼雷内、外测弹道数据融合处理方法, 结合了鱼雷内、外测弹道的优点, 融合得到的鱼雷弹道具有高精度且高采样频率的优点, 完全满足鱼雷过目标情况、非触发引信动作功能等评定的弹道要求, 在鱼雷试验领域具有实用价值。

战场海流对管装鱼雷反潜作战效能影响分析

程帅, 李斌, 黄华红, 陈嘉杰

2023, 31(5): 798-803. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202203013

[摘要](61) [HTML全文] (12) [PDF 1213KB](17)

摘要:
海流的存在对反潜作战的声呐状态、鱼雷和目标等均有一定影响, 严重时甚至会影响作战结果。文中以水面舰反潜为例, 开展了多种作战想定的反潜全流程仿真, 研究海流对反潜作战效能影响。通过构建海流、声呐误差、鱼雷运动与自导检测误差等数学模型, 设定多种想定态势并结合仿真软件, 分析了不同海流流向下的管装鱼雷反潜作战效能。仿真结果表明, 不同攻击阵位下反潜作战中海流流向对鱼雷命中概率具有不同程度的影响。当海流与鱼雷设定主航向夹角在0°~90°之间时, 鱼雷的命中概率相较于无海流时提升较大, 而当海流与鱼雷航向的夹角在−180°~0°之间时, 鱼雷命中概率较无海流的情况下有所降低。通过获取作战海域的海流强度及走向可为精细化预估管装鱼雷反潜作战能力、优化管装鱼雷反潜射击参数提供支撑。

鱼雷有寿件确定及寿命评估方法研究

崔灿丽, 曲大伟, 谢承甫, 姜成坤

2023, 31(5): 804-811. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0046

[摘要](57) [HTML全文] (16) [PDF 1026KB](18)

摘要:
为确保战时鱼雷的高可用性和高成功性, 迫切需要针对维修保障中的有寿件划分及寿命评估开展研究。针对多平台使用特点的鱼雷, 文中以可靠性为中心的维修为理论基础, 分析了鱼雷不同阶段的环境应力类型, 提出了鱼雷的有寿件确定原则及寿命表征参数的选取原则, 并以此为基础, 详细开展了不同分布下的寿命特征函数研究。同时, 基于鱼雷不同寿命数据, 提出了有寿件的评估方法, 并给出了实际应用案例, 为后续制定科学合理的鱼雷维修保障方案提供技术支撑。

Al-水电池研究进展及展望

唐云晴, 陈兴元, 徐铮, 刘晨帆, 张亮亮, 刘平安

2023, 31(5): 812-819. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0055

[摘要](108) [HTML全文] (26) [PDF 980KB](30)

摘要:
随着海洋活动的增多和无人水下航行器(UUV)的不断发展, 对水下动力电源的需求日益增加。Al具有高比容、高电化学活性以及低成本等优点, 是一种极具发展前景的阳极材料。以Al合金为阳极、析氢材料为阴极、海水为电解液的Al-水电池的比能量和比功率分别可达400 Wh/kg和35 W/L, 被广泛应用于航天、汽车及军事等不同领域。文中阐述了Al-水电池的工作原理; 归纳了近期Al合金阳极、析氢阴极以及电解液材料的研究进展; 概括了Al-水电池样机的发展历程及现阶段存在的问题; 列举了Al-水电池在UUV、水下能源站及水下预置武器系统等方面的应用; 最后, 分析了Al-水电池的优缺点以及未来的发展方向, 以期对未来应用于UUV、海上浮标及水下工作站等水下装备的Al-水电池的研究发展提供参考。

《水下无人系统学报》征稿启事

2023, 31(5): 820-820.

[摘要](44) [HTML全文] (17) [PDF 238KB](16)

摘要:

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2023年第31卷第5期

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