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, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0113
摘要:
海洋浮标具有使用灵活、开发便利、结构简单等优点, 在海洋领域已经有了大量应用。然而现有海洋浮标通信方式单一、可靠性低、丢包率高且实时性差, 无法满足海洋数据大量采集与跨域通信的需求。为了进一步加强海洋全域互联互通建设, 以多源通信为核心, 设计并制作了一种跨域通信浮标系统, 该系统可完成多种通信方式的切换、多源信息采集与多链路实时跨域通信。针对系统设计了一种最优通信链路选择算法, 根据各通信模块实时信号质量, 进行最优通信链路的选择, 提高通信的可靠性, 同时关闭信号质量较差的通信模块, 减少同时使用多种通信手段可能出现的系统通信大量冗余与功耗增加的问题。试验结果表明, 该系统实现了水上与水下数据的跨域传输, 多源通信设计切实可行, 各通信链路稳定可靠, 综合通信成功率达99%以上, 为海洋全域观测网和通信网的建设提供了参考。
海洋浮标具有使用灵活、开发便利、结构简单等优点, 在海洋领域已经有了大量应用。然而现有海洋浮标通信方式单一、可靠性低、丢包率高且实时性差, 无法满足海洋数据大量采集与跨域通信的需求。为了进一步加强海洋全域互联互通建设, 以多源通信为核心, 设计并制作了一种跨域通信浮标系统, 该系统可完成多种通信方式的切换、多源信息采集与多链路实时跨域通信。针对系统设计了一种最优通信链路选择算法, 根据各通信模块实时信号质量, 进行最优通信链路的选择, 提高通信的可靠性, 同时关闭信号质量较差的通信模块, 减少同时使用多种通信手段可能出现的系统通信大量冗余与功耗增加的问题。试验结果表明, 该系统实现了水上与水下数据的跨域传输, 多源通信设计切实可行, 各通信链路稳定可靠, 综合通信成功率达99%以上, 为海洋全域观测网和通信网的建设提供了参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0002
摘要:
作为一种具有强非线性、强耦合、时变、冗余、高维度的复杂系统, 水下机器人-机械臂系统(Underwater Vehicle-Manipulator System, UVMS)的建模、运动控制和稳定性研究都具有较大的难度。在动力学建模中,对于自由度较高的复杂水下机器人-机械臂系统, 采用传统拉格朗日方程建模, 需要对广义坐标向量和其导数分别进行求导和求偏导操作, 会面临符号求导计算量大、建模效率低等问题。因此, 本文旨在基于类拉格朗日方法提出一种适用于\begin{document}$6 + n$\end{document} ![]()
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作为一种具有强非线性、强耦合、时变、冗余、高维度的复杂系统, 水下机器人-机械臂系统(Underwater Vehicle-Manipulator System, UVMS)的建模、运动控制和稳定性研究都具有较大的难度。在动力学建模中,对于自由度较高的复杂水下机器人-机械臂系统, 采用传统拉格朗日方程建模, 需要对广义坐标向量和其导数分别进行求导和求偏导操作, 会面临符号求导计算量大、建模效率低等问题。因此, 本文旨在基于类拉格朗日方法提出一种适用于
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0134
摘要:
基于电磁场基本理论对电火工品等效天线的形成及其能量转化过程进行理论分析, 利用CST软件对强电磁脉冲作用下火工品中感应电流的形成进行仿真建模, 并利用验证后的模型分析了入射波信号、火工品引线布置形式及桥丝电阻等因素对感应电流的影响。研究结果表明: 入射波强度、频率、入射方向以及火工品等效天线的感应接收面积是感应电流的主要决定因素; 桥丝电阻和感应电流共同决定了耦合到火工品中的感应能量, 从电磁安全性角度出发, 电火工品承受连续电磁脉冲作用时间不得超过178 μs。文中的研究可为武器装备火工品安全防护提供参考。
基于电磁场基本理论对电火工品等效天线的形成及其能量转化过程进行理论分析, 利用CST软件对强电磁脉冲作用下火工品中感应电流的形成进行仿真建模, 并利用验证后的模型分析了入射波信号、火工品引线布置形式及桥丝电阻等因素对感应电流的影响。研究结果表明: 入射波强度、频率、入射方向以及火工品等效天线的感应接收面积是感应电流的主要决定因素; 桥丝电阻和感应电流共同决定了耦合到火工品中的感应能量, 从电磁安全性角度出发, 电火工品承受连续电磁脉冲作用时间不得超过178 μs。文中的研究可为武器装备火工品安全防护提供参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0103
摘要:
随着海洋探测中信息量的快速增长, 如何实现高效的水下声通信成为重要议题。近年来, 声学超材料作为一种新型人工复合材料, 能够凭借强大的声学参数调控能力突破传统材料功能极限, 在水下探测、目标识别、成像、导航和通信等领域展现出了广阔的应用前景。本文综述了利用超材料实现水下声学通信的研究进展, 主要包括基于声轨道角动量的多路复用通信、基于声学超表面的波束操控实现的特定发射和接收端间的水下声通信及跨介质水-气声通信, 总结了其所涉及的关键问题和技术, 并对当前基于超材料的水下声学通信所面临的挑战和前景进行了展望。
随着海洋探测中信息量的快速增长, 如何实现高效的水下声通信成为重要议题。近年来, 声学超材料作为一种新型人工复合材料, 能够凭借强大的声学参数调控能力突破传统材料功能极限, 在水下探测、目标识别、成像、导航和通信等领域展现出了广阔的应用前景。本文综述了利用超材料实现水下声学通信的研究进展, 主要包括基于声轨道角动量的多路复用通信、基于声学超表面的波束操控实现的特定发射和接收端间的水下声通信及跨介质水-气声通信, 总结了其所涉及的关键问题和技术, 并对当前基于超材料的水下声学通信所面临的挑战和前景进行了展望。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0094
摘要:
跨域自组织网络是一种将不同介质上的节点进行自组织、网络拓扑自适应的网络。在跨域通信网络中, 直接测量技术可获得准确的端到端网络流量信息。但跨域网络中部分节点的低算力和低存储特性, 影响了所有节点运行网络流量测量进程。针对此, 文中提出一种基于元学习与近端策略优化的网络流量测量优化方法, 该方法根据上一时隙网络运行环境, 来确定下一时隙执行网络流量测量的节点集合, 目标是在尽可能少的节点上执行测量进程从而获取尽可能多的网络流量信息。文中同时通过3个网络数据集对所提方法进行仿真验证, 实验结果表明基于元学习和强化学习的跨域自组织网络流量测量优化算法可以有效选择流经流量大的节点, 具有较快的收敛速度和测量效率。
跨域自组织网络是一种将不同介质上的节点进行自组织、网络拓扑自适应的网络。在跨域通信网络中, 直接测量技术可获得准确的端到端网络流量信息。但跨域网络中部分节点的低算力和低存储特性, 影响了所有节点运行网络流量测量进程。针对此, 文中提出一种基于元学习与近端策略优化的网络流量测量优化方法, 该方法根据上一时隙网络运行环境, 来确定下一时隙执行网络流量测量的节点集合, 目标是在尽可能少的节点上执行测量进程从而获取尽可能多的网络流量信息。文中同时通过3个网络数据集对所提方法进行仿真验证, 实验结果表明基于元学习和强化学习的跨域自组织网络流量测量优化算法可以有效选择流经流量大的节点, 具有较快的收敛速度和测量效率。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0143
摘要:
装备集群作业逐步成为提高水下任务效能的关键途径, 传统ADC模型对多型装备构成的水下异构平台任务进行协同能力评估具有一定困难。选取以时间为变量的可靠性指标、续航能力指标和通信性能指标, 建立树结构的指标综合模型, 能够对协同因素进行数值量化, 客观反映平台任务过程中的协同能力变化。以此为依据将能力矩阵进行连续化处理, 并以装备个体为分系统, 引入环境影响因子反映周边环境对装备性能的影响, 建立改进型ADC模型用于系统效能评估。以自主水下航行器和通信节点构成的水下异构平台为例, 对任务周期内的装备能力及平台效能进行评估, 研究结果表明: 该方法能够很好的结合多个协同因素进行效能评估, 具有可行性和有效性, 可以为多类型装备协同作业任务效能评估提供参考。
装备集群作业逐步成为提高水下任务效能的关键途径, 传统ADC模型对多型装备构成的水下异构平台任务进行协同能力评估具有一定困难。选取以时间为变量的可靠性指标、续航能力指标和通信性能指标, 建立树结构的指标综合模型, 能够对协同因素进行数值量化, 客观反映平台任务过程中的协同能力变化。以此为依据将能力矩阵进行连续化处理, 并以装备个体为分系统, 引入环境影响因子反映周边环境对装备性能的影响, 建立改进型ADC模型用于系统效能评估。以自主水下航行器和通信节点构成的水下异构平台为例, 对任务周期内的装备能力及平台效能进行评估, 研究结果表明: 该方法能够很好的结合多个协同因素进行效能评估, 具有可行性和有效性, 可以为多类型装备协同作业任务效能评估提供参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0106
摘要:
针对声波激励超低频天线发射功率较小, 低接收信噪比下传统2FSK非相干解调中窄带滤波器设计难等问题, 提出了一种基于Duffing混沌振子的二进制频移键控弱信号解调方法。由于Duffing振子本身对相位敏感, 首先设计了“粗同步+细同步”的相位同步方法, 其中粗同步通过短时傅里叶变换完成, 细同步则通过Duffing混沌振子实现; 然后, 利用混沌振子对同频周期信号敏感、对噪声信号免疫的特性, 将信号并行通过2个Duffing振子, 二者的内置信号频率与2个载频一致。在某一时刻必定有一个系统处于大尺度周期态, 另一个处于混沌态, 二者比较判决来实现信号解调。仿真结果表明, 文中提出的基于Duffing混沌振子的解调算法比非相干解调和相干解调算法, 分别有约5 dB和4 dB的性能提升。
针对声波激励超低频天线发射功率较小, 低接收信噪比下传统2FSK非相干解调中窄带滤波器设计难等问题, 提出了一种基于Duffing混沌振子的二进制频移键控弱信号解调方法。由于Duffing振子本身对相位敏感, 首先设计了“粗同步+细同步”的相位同步方法, 其中粗同步通过短时傅里叶变换完成, 细同步则通过Duffing混沌振子实现; 然后, 利用混沌振子对同频周期信号敏感、对噪声信号免疫的特性, 将信号并行通过2个Duffing振子, 二者的内置信号频率与2个载频一致。在某一时刻必定有一个系统处于大尺度周期态, 另一个处于混沌态, 二者比较判决来实现信号解调。仿真结果表明, 文中提出的基于Duffing混沌振子的解调算法比非相干解调和相干解调算法, 分别有约5 dB和4 dB的性能提升。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0075
摘要:
典型海洋监测类应用需要将从水下获取的数据回传至陆地监测中心, 由于水声通信性能的制约, 跨水-空界面的数据传输性能难以进一步提升。本文提出了一种基于云端软件定义水声(cloud-based software-defined acoustic, C-SDA)跨域通信系统架构。C-SDA将水声接收机从水面中继节点移动到云端(即监测中心), 并利用无线电通信带宽交换云端计算资源进行水声信号解调和解码。中继网关的水声-无线电双栈网络协议被简化为单栈结构, 避免了数据包的封装和再封装, 节省了硬件成本。C-SDA不仅能实现先进的通信信号处理, 而且能促进水声通信技术的更新和迭代。现场测试实验结果表明, 与自研的嵌入式水声接收机相比, 本文提出的C-SDA能够适用更高性能的均衡器, 并获得显著的误码率改善。
典型海洋监测类应用需要将从水下获取的数据回传至陆地监测中心, 由于水声通信性能的制约, 跨水-空界面的数据传输性能难以进一步提升。本文提出了一种基于云端软件定义水声(cloud-based software-defined acoustic, C-SDA)跨域通信系统架构。C-SDA将水声接收机从水面中继节点移动到云端(即监测中心), 并利用无线电通信带宽交换云端计算资源进行水声信号解调和解码。中继网关的水声-无线电双栈网络协议被简化为单栈结构, 避免了数据包的封装和再封装, 节省了硬件成本。C-SDA不仅能实现先进的通信信号处理, 而且能促进水声通信技术的更新和迭代。现场测试实验结果表明, 与自研的嵌入式水声接收机相比, 本文提出的C-SDA能够适用更高性能的均衡器, 并获得显著的误码率改善。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0044
摘要:
跨介质航行体穿越海空界面出水过程中存在多相流、空泡非定常演化、强瞬态效应及载荷环境突变等特征, 对航行体的稳定航行、出水姿态和结构强度有着显著影响。为充分认识和验证航行器在海洋环境下的出水性能, 需发展与其工况相适应的水下信息获取技术。文中总结了跨介质出水航行体试验中的目标定位、景象观测、环境测量及跨介质信息传输等水下信息获取技术研究现状, 分析了高动态以及大深度等新质跨介质出水航行体发展对水下信息获取技术提出的新需求, 展望了其体系化、多模化、数字化发展趋势, 为探索解决水下高价值信息获取难题, 以及更深入掌握水下复杂环境和解译水下关键过程提供思路上和技术上的参考。
跨介质航行体穿越海空界面出水过程中存在多相流、空泡非定常演化、强瞬态效应及载荷环境突变等特征, 对航行体的稳定航行、出水姿态和结构强度有着显著影响。为充分认识和验证航行器在海洋环境下的出水性能, 需发展与其工况相适应的水下信息获取技术。文中总结了跨介质出水航行体试验中的目标定位、景象观测、环境测量及跨介质信息传输等水下信息获取技术研究现状, 分析了高动态以及大深度等新质跨介质出水航行体发展对水下信息获取技术提出的新需求, 展望了其体系化、多模化、数字化发展趋势, 为探索解决水下高价值信息获取难题, 以及更深入掌握水下复杂环境和解译水下关键过程提供思路上和技术上的参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0128
摘要:
解析法和模拟法是计算声自导鱼雷发现概率的常用方法, 解析法速度较快, 但只适用于部分参数误差类型, 模拟法适用于所有参数误差类型, 但计算效率较低。针对此, 提出一种解析法与模拟法相结合的发现概率计算方法, 首先基于模拟法的思想求解参数遮盖区间, 然后在此基础上利用解析法计算发现概率, 在保证精度的同时明显提高了计算效率, 最后通过仿真验证所提算法的有效性。
解析法和模拟法是计算声自导鱼雷发现概率的常用方法, 解析法速度较快, 但只适用于部分参数误差类型, 模拟法适用于所有参数误差类型, 但计算效率较低。针对此, 提出一种解析法与模拟法相结合的发现概率计算方法, 首先基于模拟法的思想求解参数遮盖区间, 然后在此基础上利用解析法计算发现概率, 在保证精度的同时明显提高了计算效率, 最后通过仿真验证所提算法的有效性。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0098
摘要:
为实现水-空跨介质上行无线通信, 文中在激光干涉检测水下声信号的基础上, 通过仿真计算获得了不同水深下声信号到水平面的衰减曲线, 以及不同水声功率频率信号引起的水面微振动曲线。建立了水下声源特征与水表面扰动之间的定量关系。设计了跨介质通信的码元, 并对多种解调方式进行了比较, 分析了各个参数变化对传输过程误码率的影响, 实现了声学-激光通信的调制与解调仿真。
为实现水-空跨介质上行无线通信, 文中在激光干涉检测水下声信号的基础上, 通过仿真计算获得了不同水深下声信号到水平面的衰减曲线, 以及不同水声功率频率信号引起的水面微振动曲线。建立了水下声源特征与水表面扰动之间的定量关系。设计了跨介质通信的码元, 并对多种解调方式进行了比较, 分析了各个参数变化对传输过程误码率的影响, 实现了声学-激光通信的调制与解调仿真。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0109
摘要:
利用毫米波雷达探测由水下设备声波激励的水面微幅波有望实现水下设备对外无线跨介质通信。水面波动效应研究对实现基于毫米波雷达微幅波探测的跨介质通信具有重要价值。针对此, 文中在波浪水槽中对二进制相移键控和二进制频移键控调制信号跨介质通信开展了实验, 测试分析了不同幅度水面波动对跨介质通信的影响, 评估了基于空间分集技术的通信性能。实验结果表明, 中等水面波动对毫米波雷达跨介质通信性能的影响最小, 基于多通道合并的空间分集技术能提升波动水面上的跨介质通信质量。文中的研究可为基于毫米波雷达微幅波探测的跨介质通信技术在波动水面实际应用提供参考。
利用毫米波雷达探测由水下设备声波激励的水面微幅波有望实现水下设备对外无线跨介质通信。水面波动效应研究对实现基于毫米波雷达微幅波探测的跨介质通信具有重要价值。针对此, 文中在波浪水槽中对二进制相移键控和二进制频移键控调制信号跨介质通信开展了实验, 测试分析了不同幅度水面波动对跨介质通信的影响, 评估了基于空间分集技术的通信性能。实验结果表明, 中等水面波动对毫米波雷达跨介质通信性能的影响最小, 基于多通道合并的空间分集技术能提升波动水面上的跨介质通信质量。文中的研究可为基于毫米波雷达微幅波探测的跨介质通信技术在波动水面实际应用提供参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0033
摘要:
随着深远海科学探测技术的持续发展, 远海跨域可靠传输需求日益迫切, 由于短波天波传播受限于工作频率, 满足高增益和适应高海况的天线尺寸较大, 使用场景严重受限。面向深远海科学探测信息的跨域远距离传输需求, 文中提出一种可用于深远海科考场景的跨域信息传输的中继通信技术, 设计了通信方案、工作原理、工作流程与工作方法, 并通过设计可变长柔性短波天线与水冷散热一体化功放组件, 确保了天线增益高、海况适应强及可跨空水介质传输等优点。通过仿真分析表明, 所提出的通信方法可有效保证通信效果, 解决高海况、复杂干扰环境下短波信号的跨域远距离可靠通信问题。该技术可弥补卫星通信手段无法使用等恶劣环境下的对岸信息报知功能, 为海上远距离跨域通信的发展提供一定的技术支撑。
随着深远海科学探测技术的持续发展, 远海跨域可靠传输需求日益迫切, 由于短波天波传播受限于工作频率, 满足高增益和适应高海况的天线尺寸较大, 使用场景严重受限。面向深远海科学探测信息的跨域远距离传输需求, 文中提出一种可用于深远海科考场景的跨域信息传输的中继通信技术, 设计了通信方案、工作原理、工作流程与工作方法, 并通过设计可变长柔性短波天线与水冷散热一体化功放组件, 确保了天线增益高、海况适应强及可跨空水介质传输等优点。通过仿真分析表明, 所提出的通信方法可有效保证通信效果, 解决高海况、复杂干扰环境下短波信号的跨域远距离可靠通信问题。该技术可弥补卫星通信手段无法使用等恶劣环境下的对岸信息报知功能, 为海上远距离跨域通信的发展提供一定的技术支撑。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0019
摘要:
面对海空天一体化通信组网的发展需求, 激光致声通信作为实现空中平台与水下目标之间无节点通信的关键技术, 其研究和应用日益受到关注。传统的基于单脉冲识别的调制解调方法在低重复频率下实现了良好的通信效果, 而在高重频条件下, 基于单脉冲识别的调制解调方式由于脉冲间相互干扰加剧, 对码元判定造成明显干扰进而导致误码率较高无法正常通信的问题。本研究针对这一问题, 提出了一种采用PWM调制的新型激光致声通信方法, 实验中采用最大重复频率为500 Hz的Nd: YAG脉冲激光器, 通过调整激光脉冲数量产生不同宽度的PWM调制信号, 然后在接收端通过脉冲宽度进行码元识别。实验结果表明, 采用PWM调制的通信方式可以有效降低脉冲之间干扰带来的译码错误, 在最高400 Hz重复频率下实现了良好的通信效果(误码率仅为8%), 提升了高重复频率下激光致声通信的可靠性和有效性。
面对海空天一体化通信组网的发展需求, 激光致声通信作为实现空中平台与水下目标之间无节点通信的关键技术, 其研究和应用日益受到关注。传统的基于单脉冲识别的调制解调方法在低重复频率下实现了良好的通信效果, 而在高重频条件下, 基于单脉冲识别的调制解调方式由于脉冲间相互干扰加剧, 对码元判定造成明显干扰进而导致误码率较高无法正常通信的问题。本研究针对这一问题, 提出了一种采用PWM调制的新型激光致声通信方法, 实验中采用最大重复频率为500 Hz的Nd: YAG脉冲激光器, 通过调整激光脉冲数量产生不同宽度的PWM调制信号, 然后在接收端通过脉冲宽度进行码元识别。实验结果表明, 采用PWM调制的通信方式可以有效降低脉冲之间干扰带来的译码错误, 在最高400 Hz重复频率下实现了良好的通信效果(误码率仅为8%), 提升了高重复频率下激光致声通信的可靠性和有效性。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0035
摘要:
为满足跨域协同作战中水下信息跨域出水通信需求, 结合浮标自身具备布放灵活、长时隐蔽、载荷灵活等特点, 本文设计了一种低功耗跨域通信浮标系统, 该系统可支持深海大深度布放、长时间静默值守, 以及唤醒后隐蔽性跨域通信, 同时还可根据预设指令进行关键部位自毁, 通过该方式可避免水下潜艇等平台上浮通信暴露性风险, 且相对易部署和自持。测试结果表明, 所设计的系统具有耐高压、低功耗等特点, 并具有一定扩展性, 具有良好的应用前景。
为满足跨域协同作战中水下信息跨域出水通信需求, 结合浮标自身具备布放灵活、长时隐蔽、载荷灵活等特点, 本文设计了一种低功耗跨域通信浮标系统, 该系统可支持深海大深度布放、长时间静默值守, 以及唤醒后隐蔽性跨域通信, 同时还可根据预设指令进行关键部位自毁, 通过该方式可避免水下潜艇等平台上浮通信暴露性风险, 且相对易部署和自持。测试结果表明, 所设计的系统具有耐高压、低功耗等特点, 并具有一定扩展性, 具有良好的应用前景。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0040
摘要:
通电线圈聚磁法因潜艇磁场模拟逼真度高、磁场分布特征和强度可调节、机动性好、环境依赖性低及安全性高等明显优势, 受到越来越多的关注。为更好指导通电线圈方式潜艇磁场模拟器设计, 深入研究其分布特性十分必要。文中给出潜艇空间磁场和任意通电导线空间磁场计算方法, 提出分体式三轴正交线圈潜艇磁场模拟工程方案, 对比研究该方案磁场与潜艇空间磁场分布特征。研究结果表明三轴正交线圈方式能较好地模拟潜艇空间磁场分布特征, 但不能完全反映分布尺度, 为潜艇磁场模拟提供了技术参考。
通电线圈聚磁法因潜艇磁场模拟逼真度高、磁场分布特征和强度可调节、机动性好、环境依赖性低及安全性高等明显优势, 受到越来越多的关注。为更好指导通电线圈方式潜艇磁场模拟器设计, 深入研究其分布特性十分必要。文中给出潜艇空间磁场和任意通电导线空间磁场计算方法, 提出分体式三轴正交线圈潜艇磁场模拟工程方案, 对比研究该方案磁场与潜艇空间磁场分布特征。研究结果表明三轴正交线圈方式能较好地模拟潜艇空间磁场分布特征, 但不能完全反映分布尺度, 为潜艇磁场模拟提供了技术参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0166
摘要:
近年来, 随着以美国为首的西方国家将战略重点由远洋转向近海, 近海的浅水水域成为各国的攻防重点, 配合着有人与无人协同的分布式作战背景, 水下特种作战平台开始扮演着愈发重要的角色。文中以美国2024财年最新的国防科研和采购预算为基础, 重点论述了水下系统项目中湿式蛙人输送艇(SDV)、干式蛙人输送艇(DCS)、干式甲板换乘仓(DDS)、作战潜水装备(CBDIV)、水下舟艇任务装备(UCME)及小型水下无人航行器(SUUV)等水下特战装备的发展现状和研究趋势, 旨在为今后的水下特种装备研究提供有益参考。
近年来, 随着以美国为首的西方国家将战略重点由远洋转向近海, 近海的浅水水域成为各国的攻防重点, 配合着有人与无人协同的分布式作战背景, 水下特种作战平台开始扮演着愈发重要的角色。文中以美国2024财年最新的国防科研和采购预算为基础, 重点论述了水下系统项目中湿式蛙人输送艇(SDV)、干式蛙人输送艇(DCS)、干式甲板换乘仓(DDS)、作战潜水装备(CBDIV)、水下舟艇任务装备(UCME)及小型水下无人航行器(SUUV)等水下特战装备的发展现状和研究趋势, 旨在为今后的水下特种装备研究提供有益参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0015
摘要:
随着海洋和空中作业的日益增多, 海空跨域网络成为了实现有效通信的关键技术。这类网络由水下子网和水上子网构成, 为了充分利用资源, 多种不同的应用程序将共享相同的物理设施。在这种场景下, 不同的数据包共存于同一网络中, 需要差异化的传送策略来满足应用需求。然而, 现有的路由协议往往无法根据应用需求来提供个性化的服务, 针对该问题, 文中提出了一种面向任务的海空跨域网络路由协议, 协议根据任务类型的不同调整转发因子的计算方式, 进而根据为特定的任务类型选择最合适的下一跳节点。此外, 文中还在协议栈中增加了预处理层来完成异构网络之间的通信。文中使用NS3(Network Simulator 3)进行了仿真, 仿真结果表明, 与其他典型的协议相比, 文中所提的协议总是能根据任务的特定需求实现最优的传输策略。
随着海洋和空中作业的日益增多, 海空跨域网络成为了实现有效通信的关键技术。这类网络由水下子网和水上子网构成, 为了充分利用资源, 多种不同的应用程序将共享相同的物理设施。在这种场景下, 不同的数据包共存于同一网络中, 需要差异化的传送策略来满足应用需求。然而, 现有的路由协议往往无法根据应用需求来提供个性化的服务, 针对该问题, 文中提出了一种面向任务的海空跨域网络路由协议, 协议根据任务类型的不同调整转发因子的计算方式, 进而根据为特定的任务类型选择最合适的下一跳节点。此外, 文中还在协议栈中增加了预处理层来完成异构网络之间的通信。文中使用NS3(Network Simulator 3)进行了仿真, 仿真结果表明, 与其他典型的协议相比, 文中所提的协议总是能根据任务的特定需求实现最优的传输策略。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0140
摘要:
针对MEMS陀螺随机噪声大及零偏重复性不好的特点, 对MEMS随机误差采用Allan方差法分析其角度随机游走, 以Allan方差辨识值和加权最小二乘法, 设计阵列陀螺信息融合处理算法, 可有效降低角度随机游走, 且在静态和动态条件下均能实时响应真实角速率。对MEMS陀螺常值漂移, 结合惯性导航系统误差的可观测性设计两位置标定方案, 完成常值漂移的系统级标定。仿真结果表明, 文中所提方法可有效降低MEMS陀螺角度随机游走和陀螺常值漂移, 显著提升MEMS惯性测量精度。
针对MEMS陀螺随机噪声大及零偏重复性不好的特点, 对MEMS随机误差采用Allan方差法分析其角度随机游走, 以Allan方差辨识值和加权最小二乘法, 设计阵列陀螺信息融合处理算法, 可有效降低角度随机游走, 且在静态和动态条件下均能实时响应真实角速率。对MEMS陀螺常值漂移, 结合惯性导航系统误差的可观测性设计两位置标定方案, 完成常值漂移的系统级标定。仿真结果表明, 文中所提方法可有效降低MEMS陀螺角度随机游走和陀螺常值漂移, 显著提升MEMS惯性测量精度。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0063
摘要:
鱼雷声隐身性能直接影响发射平台的安全性、鱼雷攻击的隐蔽性及线导导引的有效性。目前广泛采用的减振降噪手段在控制鱼雷中低频振动方面效果不佳, 为解决这一问题, 本研究针对鱼雷动力舱段展开了声学超材料减振方法研究。首先, 对动力舱段在轴向激励下的振动响应特性进行分析, 设计了悬臂梁局域共振单元结构, 并对该结构的带隙特性及减振效果进行分析。其次, 针对动力舱段支承结构, 提出基于声学超材料的减振方案。仿真分析发现, 声学超材料在相应带隙范围内对振动具有显著的衰减效果, 某些测点的衰减量高达11.95 dB。最后, 通过试验验证了声学超材料减振方案的有效性, 为解决鱼雷动力舱段中低频振动问题提供思路。
鱼雷声隐身性能直接影响发射平台的安全性、鱼雷攻击的隐蔽性及线导导引的有效性。目前广泛采用的减振降噪手段在控制鱼雷中低频振动方面效果不佳, 为解决这一问题, 本研究针对鱼雷动力舱段展开了声学超材料减振方法研究。首先, 对动力舱段在轴向激励下的振动响应特性进行分析, 设计了悬臂梁局域共振单元结构, 并对该结构的带隙特性及减振效果进行分析。其次, 针对动力舱段支承结构, 提出基于声学超材料的减振方案。仿真分析发现, 声学超材料在相应带隙范围内对振动具有显著的衰减效果, 某些测点的衰减量高达11.95 dB。最后, 通过试验验证了声学超材料减振方案的有效性, 为解决鱼雷动力舱段中低频振动问题提供思路。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0167
摘要:
传统水陆两栖运动方式多为轮式或履带式与螺旋桨结合的双系统形态。与之相比, 单系统的水陆两栖运动方式因系统复杂度低、运动效率高成为近年来的研究热点。螺旋推进作为一种单系统水陆两栖运动方式, 在沼泽、滩涂等半流体环境下具有较好的适应性, 多年来对其在陆上行驶的研究设计较多, 对其在水中行驶的研究较为缺乏。本文对螺旋推进装置的水中性能展开研究, 根据螺旋推进的原理, 提出螺旋筒的设计方法, 采用水动力仿真方法对不同浸没深度下的螺旋筒进行推力计算, 发现螺旋筒在0.9倍浸没深度时产生的推力最大。基于自主设计研发的水陆两栖机器人样机开展水中推进测试, 结果表明在水中螺旋筒推进状态稳定。进一步的, 使用响应面法从螺旋叶片高度、螺距两个方面对螺旋筒开展优化设计工作, 优化结果较原设计方案可提升18.2%的推进效率。
传统水陆两栖运动方式多为轮式或履带式与螺旋桨结合的双系统形态。与之相比, 单系统的水陆两栖运动方式因系统复杂度低、运动效率高成为近年来的研究热点。螺旋推进作为一种单系统水陆两栖运动方式, 在沼泽、滩涂等半流体环境下具有较好的适应性, 多年来对其在陆上行驶的研究设计较多, 对其在水中行驶的研究较为缺乏。本文对螺旋推进装置的水中性能展开研究, 根据螺旋推进的原理, 提出螺旋筒的设计方法, 采用水动力仿真方法对不同浸没深度下的螺旋筒进行推力计算, 发现螺旋筒在0.9倍浸没深度时产生的推力最大。基于自主设计研发的水陆两栖机器人样机开展水中推进测试, 结果表明在水中螺旋筒推进状态稳定。进一步的, 使用响应面法从螺旋叶片高度、螺距两个方面对螺旋筒开展优化设计工作, 优化结果较原设计方案可提升18.2%的推进效率。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0001
摘要:
针对水下无人航行器等小尺度平台机动且阵列孔径有限条件下的稳健探测需求, 依据应用于小平台U形共形平面阵设计多种波束形成算法。分析快拍数、输入信噪比、导向向量误差等对波束形成方法稳健性的影响。虽然最小方差无畸变波束形成方法具有高阵增益的优点, 但其在存在基阵导向向量误差和协方差矩阵估计误差的条件下性能下降较为严重, 因此在此基础上提出了协方差矩阵拟合波束形成方法和双约束稳健最小方差无畸变响应波束形成方法, 并通过数值仿真分析与其他多种波束形成方法对比验证稳健波束形成方法应用于水下小平台共形阵的稳健性。最后在考虑阵元位置误差时通过消声水池实验对多种波束形成方法的实际性能进行进一步对比验证。
针对水下无人航行器等小尺度平台机动且阵列孔径有限条件下的稳健探测需求, 依据应用于小平台U形共形平面阵设计多种波束形成算法。分析快拍数、输入信噪比、导向向量误差等对波束形成方法稳健性的影响。虽然最小方差无畸变波束形成方法具有高阵增益的优点, 但其在存在基阵导向向量误差和协方差矩阵估计误差的条件下性能下降较为严重, 因此在此基础上提出了协方差矩阵拟合波束形成方法和双约束稳健最小方差无畸变响应波束形成方法, 并通过数值仿真分析与其他多种波束形成方法对比验证稳健波束形成方法应用于水下小平台共形阵的稳健性。最后在考虑阵元位置误差时通过消声水池实验对多种波束形成方法的实际性能进行进一步对比验证。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0116
摘要:
为了更好地解释真实海洋环境中尾流的光散射特性, 探究在真实海洋环境中由于有机物薄膜引起的尾流气泡光散射特性的变化。基于Mie散射理论, 仿真了不同波长光入射时干净气泡、被蛋白质膜和脂质膜包裹的有机气泡的散射光强分布、散射系数、散射相函数及偏振度。仿真结果表明: 干净气泡和２种膜包裹的有机气泡的散射系数均在2.025上下震荡, 且有机气泡的振荡幅值明显大于干净气泡; 当散射角为180°时, 被油脂和蛋白质包裹的有机气泡的散射光强和散射相函数的值明显增大; 有机气泡可以增大散射系数震荡的幅值并增大背向散射强度。仿真结果可为实际海洋环境尾流探测提供理论与数据支撑, 也为海洋污染、水质勘探提供现实依据。
为了更好地解释真实海洋环境中尾流的光散射特性, 探究在真实海洋环境中由于有机物薄膜引起的尾流气泡光散射特性的变化。基于Mie散射理论, 仿真了不同波长光入射时干净气泡、被蛋白质膜和脂质膜包裹的有机气泡的散射光强分布、散射系数、散射相函数及偏振度。仿真结果表明: 干净气泡和２种膜包裹的有机气泡的散射系数均在2.025上下震荡, 且有机气泡的振荡幅值明显大于干净气泡; 当散射角为180°时, 被油脂和蛋白质包裹的有机气泡的散射光强和散射相函数的值明显增大; 有机气泡可以增大散射系数震荡的幅值并增大背向散射强度。仿真结果可为实际海洋环境尾流探测提供理论与数据支撑, 也为海洋污染、水质勘探提供现实依据。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0165
摘要:
水下图像无监督增强技术多面向特定失真因素, 对于水下多类失真图像适应性略显不足; 图像的内容属性(结构)会随风格属性(外观)迁移变化, 导致增强效果不受控, 影响后续环境感知处理的稳定性和准确性。针对这一问题, 文中提出一种基于多域表征解耦的水下图像无监督可控增强方法。首先设计了多域统一的表征解耦循环一致对抗变换框架, 提高了算法对多失真因素的适应性; 其次构建了双编码-条件解码网络结构; 最后设计了多域属性表征解耦的系列损失, 提高了质量、内容、风格等属性表征的独立表达性和可控性。实验结果表明, 所提算法不仅可以消除水下图像的色差、模糊、噪声和低光照等多类失真, 还可通过线性插值的方式量化图像风格码对水下图像进行可控增强。
水下图像无监督增强技术多面向特定失真因素, 对于水下多类失真图像适应性略显不足; 图像的内容属性(结构)会随风格属性(外观)迁移变化, 导致增强效果不受控, 影响后续环境感知处理的稳定性和准确性。针对这一问题, 文中提出一种基于多域表征解耦的水下图像无监督可控增强方法。首先设计了多域统一的表征解耦循环一致对抗变换框架, 提高了算法对多失真因素的适应性; 其次构建了双编码-条件解码网络结构; 最后设计了多域属性表征解耦的系列损失, 提高了质量、内容、风格等属性表征的独立表达性和可控性。实验结果表明, 所提算法不仅可以消除水下图像的色差、模糊、噪声和低光照等多类失真, 还可通过线性插值的方式量化图像风格码对水下图像进行可控增强。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0142
摘要:
针对单个对抗性目标主动逃逸问题, 利用微分博弈理论建立了多智能体协同围捕问题博弈模型, 在含有距离项支付函数中引入由逃逸角构成的合围项, 从而降低目标中途逃逸的概率; 然后将围捕问题转换为求解可实现策略的优化问题, 利用粒子群优化算法求解满足纳什均衡的最优策略, 仿真和湖上试验结果均证明了基于粒子群的微分博弈围捕算法的有效性。
针对单个对抗性目标主动逃逸问题, 利用微分博弈理论建立了多智能体协同围捕问题博弈模型, 在含有距离项支付函数中引入由逃逸角构成的合围项, 从而降低目标中途逃逸的概率; 然后将围捕问题转换为求解可实现策略的优化问题, 利用粒子群优化算法求解满足纳什均衡的最优策略, 仿真和湖上试验结果均证明了基于粒子群的微分博弈围捕算法的有效性。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0129
摘要:
为了提高矢量推进电机在深海探索中的稳定性与隐身性, 文中以表贴式永磁同步电机为基础, 结合周期扩频调制技术和改进型滑模观测器无位置控制技术, 提出了基于无位置变载波频率的深海矢量推进电机控制方法。通过电机变载波频率、电机起动变速和负载突变仿真实验, 文中分析了所提控制方法的控制效果, 结果表明所研究控制方法转速估算准确, 对转速有良好的动态跟踪性能, 额定转速工况下转速估算误差率仅为0.32%, 0.5倍额定转速工况下转速估算误差率仅为0.09%, 且具有明显的高频谐波扩频抑制效果和良好的动态抗干扰性能。结合减少位置传感器带来的电机结构简化效果, 文中提出的控制方法可有效地降低深海矢量推进电机作业时的故障率, 减少易被探测的高次固定频率谐波, 提高了深海矢量推进电机的可靠性与隐身性, 为深海UUV提供高效可靠的动力保障。
为了提高矢量推进电机在深海探索中的稳定性与隐身性, 文中以表贴式永磁同步电机为基础, 结合周期扩频调制技术和改进型滑模观测器无位置控制技术, 提出了基于无位置变载波频率的深海矢量推进电机控制方法。通过电机变载波频率、电机起动变速和负载突变仿真实验, 文中分析了所提控制方法的控制效果, 结果表明所研究控制方法转速估算准确, 对转速有良好的动态跟踪性能, 额定转速工况下转速估算误差率仅为0.32%, 0.5倍额定转速工况下转速估算误差率仅为0.09%, 且具有明显的高频谐波扩频抑制效果和良好的动态抗干扰性能。结合减少位置传感器带来的电机结构简化效果, 文中提出的控制方法可有效地降低深海矢量推进电机作业时的故障率, 减少易被探测的高次固定频率谐波, 提高了深海矢量推进电机的可靠性与隐身性, 为深海UUV提供高效可靠的动力保障。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0093
摘要:
舰船在航行过程中会产生尾流区域, 激光穿过气泡尾流区域时会发生散射现象, 通过对散射光的探测和分析, 能达到对舰船的探测与识别的目的。文中探究尾流气泡幕对激光传输特性的影响, 基于光纤光谱仪探测尾流气泡幕的光强变化。实验模拟了不同压强下的尾流气泡幕在距离水面5 cm以及距离水面15 cm和20 cm气泡幕的厚度分别为10 cm和15 cm时的尾流气泡幕光强变化, 同时也探究了前向散射和后向散射的光强随压强的变化情况。实验结果表明, 随着压强的增大, 光强变化逐渐降低, 气泡浓度与气泡半径也随之增大; 气泡浓度越大, 光强变化越小; 随着压强的增大, 前向散射光强逐渐呈线性降低, 而后向散射光强则会随之增大。
舰船在航行过程中会产生尾流区域, 激光穿过气泡尾流区域时会发生散射现象, 通过对散射光的探测和分析, 能达到对舰船的探测与识别的目的。文中探究尾流气泡幕对激光传输特性的影响, 基于光纤光谱仪探测尾流气泡幕的光强变化。实验模拟了不同压强下的尾流气泡幕在距离水面5 cm以及距离水面15 cm和20 cm气泡幕的厚度分别为10 cm和15 cm时的尾流气泡幕光强变化, 同时也探究了前向散射和后向散射的光强随压强的变化情况。实验结果表明, 随着压强的增大, 光强变化逐渐降低, 气泡浓度与气泡半径也随之增大; 气泡浓度越大, 光强变化越小; 随着压强的增大, 前向散射光强逐渐呈线性降低, 而后向散射光强则会随之增大。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0126
摘要:
文中提出了神经模糊系统(NFS)建立航保系统的易损性模型, 将模糊规则引入神经网络的框架中, 建立系统任务可用能力评估模型。该方法结合了模糊逻辑的推理能力和神经网络的无限逼近函数能力, 建立真实系统的替代模型, 更具普适性。采用智能优化算法使得替代模型最大限度接近真实模型, 摆脱了系统中未知权重系数依赖于专家或经验的影响, 赋予模糊神经网络(FNN)学习能力。实验结果和分析表明评估的全面性和合理性模型, 可应用于航保系统能力评估研究。
文中提出了神经模糊系统(NFS)建立航保系统的易损性模型, 将模糊规则引入神经网络的框架中, 建立系统任务可用能力评估模型。该方法结合了模糊逻辑的推理能力和神经网络的无限逼近函数能力, 建立真实系统的替代模型, 更具普适性。采用智能优化算法使得替代模型最大限度接近真实模型, 摆脱了系统中未知权重系数依赖于专家或经验的影响, 赋予模糊神经网络(FNN)学习能力。实验结果和分析表明评估的全面性和合理性模型, 可应用于航保系统能力评估研究。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0125
摘要:
为了提升水下机器人的机动性和适应性, 增强其感知周围环境的能力是必要的。受动物触须的毛囊结构启发, 本文将液态金属与摩擦纳米发电机相结合, 提出了一种基于液态金属的摩擦电触须传感器(LTWS), 在浑浊度高、视距低的水环境中作为水下机器人光学与声学感知技术的补充, 提升水下机器人的信息感知能力。LTWS主要由碳纤维材料触须、硅胶囊套、触发器、记忆合金弹簧、传感单元、基座等组成, 碳纤维触须的细微偏转会驱动触发器靠近并挤压对应方向的传感单元, 进而产生电信号。LTWS的感知信号与触须横向位移呈线性关系, 灵敏度可达7.9 mV/mm。值得一提的是, 触碰频率对输出信号的影响较小。LTWS丰富了水下机器人的感知手段, 为实现海洋信息感知提供了新的思路。
为了提升水下机器人的机动性和适应性, 增强其感知周围环境的能力是必要的。受动物触须的毛囊结构启发, 本文将液态金属与摩擦纳米发电机相结合, 提出了一种基于液态金属的摩擦电触须传感器(LTWS), 在浑浊度高、视距低的水环境中作为水下机器人光学与声学感知技术的补充, 提升水下机器人的信息感知能力。LTWS主要由碳纤维材料触须、硅胶囊套、触发器、记忆合金弹簧、传感单元、基座等组成, 碳纤维触须的细微偏转会驱动触发器靠近并挤压对应方向的传感单元, 进而产生电信号。LTWS的感知信号与触须横向位移呈线性关系, 灵敏度可达7.9 mV/mm。值得一提的是, 触碰频率对输出信号的影响较小。LTWS丰富了水下机器人的感知手段, 为实现海洋信息感知提供了新的思路。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0131
摘要:
针对水下图像存在颜色偏差、对比度低及模糊等问题, 提出散射光补偿结合色彩保持与对比度均衡的水下图像增强方法。首先, 利用相对总变分模型分离图像结构层和纹理层。其中, 设计基于RGB空间映射的补偿系数矩阵校正结构层色偏, 并通过滤波分离与融合增强纹理层, 以防止图像的初始特征丢失, 增强后的纹理层与结构层叠加得到第一层输出; 然后, 在对比度均衡模块中, 基于空间变换进行保色对比度限制自适应直方图均衡化, 进一步提高对比度和亮度。最后, 将双层增强结构的结果图融合得到输出图像。通过在不同数据集上与各种经典及新颖的算法对比, 验证本文方法在平衡色差, 增强细节及去模糊等方面均具有更好效果, 对于水下无人系统视觉任务具有实际应用价值。
针对水下图像存在颜色偏差、对比度低及模糊等问题, 提出散射光补偿结合色彩保持与对比度均衡的水下图像增强方法。首先, 利用相对总变分模型分离图像结构层和纹理层。其中, 设计基于RGB空间映射的补偿系数矩阵校正结构层色偏, 并通过滤波分离与融合增强纹理层, 以防止图像的初始特征丢失, 增强后的纹理层与结构层叠加得到第一层输出; 然后, 在对比度均衡模块中, 基于空间变换进行保色对比度限制自适应直方图均衡化, 进一步提高对比度和亮度。最后, 将双层增强结构的结果图融合得到输出图像。通过在不同数据集上与各种经典及新颖的算法对比, 验证本文方法在平衡色差, 增强细节及去模糊等方面均具有更好效果, 对于水下无人系统视觉任务具有实际应用价值。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0149
摘要:
水下环境因受到光照、泥沙等影响, 在水下进行目标检测时通常更容易出现域偏移而导致检测精度下降。针对此现象, 文中提出了基于图诱导对齐的域自适应水下目标检测方法, 图诱导原型对齐(GPA)是通过区域建议之间基于图的信息传播得到图像中的实例级特征, 再导出每个类别的原型表示用于类别级域的对齐。通过上述操作可以很好地聚合水下目标不同的模态信息, 以此实现源域和目标域的对齐从而减少域偏移带来的影响。此外, 为了使神经网络专注于不同水域分布下的实例级特征, 还在其中添加了卷积块注意(CBAM)模块。实验结果证明, 水下环境中GPA能有效对齐源域和目标域中的实例特征, CBAM可以使网络更加注意图像中的实例特征, 提高检测精度。
水下环境因受到光照、泥沙等影响, 在水下进行目标检测时通常更容易出现域偏移而导致检测精度下降。针对此现象, 文中提出了基于图诱导对齐的域自适应水下目标检测方法, 图诱导原型对齐(GPA)是通过区域建议之间基于图的信息传播得到图像中的实例级特征, 再导出每个类别的原型表示用于类别级域的对齐。通过上述操作可以很好地聚合水下目标不同的模态信息, 以此实现源域和目标域的对齐从而减少域偏移带来的影响。此外, 为了使神经网络专注于不同水域分布下的实例级特征, 还在其中添加了卷积块注意(CBAM)模块。实验结果证明, 水下环境中GPA能有效对齐源域和目标域中的实例特征, CBAM可以使网络更加注意图像中的实例特征, 提高检测精度。
