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, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0169
摘要:
自主水下航行器(AUV)在海洋工程、海洋科考和军事应用中发挥着重要作用。能源动力系统是AUV的核心系统之一, 其性能直接影响AUV续航时间、作业范围和作业效率。文中从不同维度对国内外AUV进行了分类, 分析了AUV能源动力系统的主要特征和应用情况, 重点探讨了AUV高能量密度电池技术、水下充电技术、高密度储氢/储氧技术、电池管理技术等能源动力关键技术, 对AUV能源动力技术发展方向进行了展望, 以期为AUV能源动力系统的发展提供有益参考。
自主水下航行器(AUV)在海洋工程、海洋科考和军事应用中发挥着重要作用。能源动力系统是AUV的核心系统之一, 其性能直接影响AUV续航时间、作业范围和作业效率。文中从不同维度对国内外AUV进行了分类, 分析了AUV能源动力系统的主要特征和应用情况, 重点探讨了AUV高能量密度电池技术、水下充电技术、高密度储氢/储氧技术、电池管理技术等能源动力关键技术, 对AUV能源动力技术发展方向进行了展望, 以期为AUV能源动力系统的发展提供有益参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0083
摘要:
运用等效电路仿真计算方法对锂贮备电池组共用电解液状态下的漏电流分布情况进行了研究。分析了串联单体数量、电解液电导率、注液管结构特征对漏电流的影响。组建了电池模组漏电流实验装置, 通过实测结果与仿真结果的对比, 确认了仿真计算方法的有效性。
运用等效电路仿真计算方法对锂贮备电池组共用电解液状态下的漏电流分布情况进行了研究。分析了串联单体数量、电解液电导率、注液管结构特征对漏电流的影响。组建了电池模组漏电流实验装置, 通过实测结果与仿真结果的对比, 确认了仿真计算方法的有效性。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0090
摘要:
随着水下UUV集群化作战的发展, 水下复杂多目标的探测与识别问题受到重视。针对此, 我们建立了基于板块元算法的快速计算模型, 以提高计算准确度与效率。首先利用改进的板块元算法对双目标模型的目标特性进行了计算, 通过物理场仿真和消声水池试验实测结果与计算结果比较验证了该计算方法的正确性。为了提高计算效率引入OpenMP并行算法, 根据不同角度和频率入射下复杂多目标散射声场特性计算难度各异的问题, 优化循环迭代调度机制, 实现了线程负载的高均衡, 获得5.3倍加速比。用此快速算法研究更复杂的多目标模型, 通过分析目标特性角度-频率云图可以得到多目标高频散射声场特性随频率增加规律性变化, 在某些角度目标强度存在极值。同时存在高频干涉条纹, 分析了散射特性与几何位置的关联规律。研究结果可为水下目标声学探测与特性研究提供理论参考。
随着水下UUV集群化作战的发展, 水下复杂多目标的探测与识别问题受到重视。针对此, 我们建立了基于板块元算法的快速计算模型, 以提高计算准确度与效率。首先利用改进的板块元算法对双目标模型的目标特性进行了计算, 通过物理场仿真和消声水池试验实测结果与计算结果比较验证了该计算方法的正确性。为了提高计算效率引入OpenMP并行算法, 根据不同角度和频率入射下复杂多目标散射声场特性计算难度各异的问题, 优化循环迭代调度机制, 实现了线程负载的高均衡, 获得5.3倍加速比。用此快速算法研究更复杂的多目标模型, 通过分析目标特性角度-频率云图可以得到多目标高频散射声场特性随频率增加规律性变化, 在某些角度目标强度存在极值。同时存在高频干涉条纹, 分析了散射特性与几何位置的关联规律。研究结果可为水下目标声学探测与特性研究提供理论参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0072
摘要:
传统多输入多输出(MIMO)声呐在极浅海强混响环境下, 受同步正交波形互相关干扰影响, 其距离维高旁瓣会显著抬升混响背景, 导致自适应波束形成算法性能大幅下降。为此, 文中提出一种适用极浅海环境的时间分集MIMO声呐高清晰成像方法, 通过时分机制依次发射相同线性调频信号, 利用脉冲周期实现时域回波分离, 消除互相关干扰; 结合时域截断与数据重组, 构建孔径加倍的等效均匀虚拟线列阵, 完整保留MIMO体制的高角度分辨率。仿真结果表明, 在信混比低至-20dB的强混响背景下, 该方法有效抑制了距离维旁瓣, 使最小方差无畸变响应算法的自适应滤波能力得以充分发挥。与传统正交MIMO声呐相比, 其−3 dB主瓣宽度、旁瓣级与积分旁瓣比显著优化, 为极浅海小目标高分辨成像提供了一种兼顾虚拟孔径与强抗干扰能力的可行方案。
传统多输入多输出(MIMO)声呐在极浅海强混响环境下, 受同步正交波形互相关干扰影响, 其距离维高旁瓣会显著抬升混响背景, 导致自适应波束形成算法性能大幅下降。为此, 文中提出一种适用极浅海环境的时间分集MIMO声呐高清晰成像方法, 通过时分机制依次发射相同线性调频信号, 利用脉冲周期实现时域回波分离, 消除互相关干扰; 结合时域截断与数据重组, 构建孔径加倍的等效均匀虚拟线列阵, 完整保留MIMO体制的高角度分辨率。仿真结果表明, 在信混比低至-20dB的强混响背景下, 该方法有效抑制了距离维旁瓣, 使最小方差无畸变响应算法的自适应滤波能力得以充分发挥。与传统正交MIMO声呐相比, 其−3 dB主瓣宽度、旁瓣级与积分旁瓣比显著优化, 为极浅海小目标高分辨成像提供了一种兼顾虚拟孔径与强抗干扰能力的可行方案。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0062
摘要:
蛙人是浅水环境中典型的低可探测性水下小目标, 具有目标强度(TS)低、姿态敏感性强、多部件耦合显著和非平稳性突出等特点。人体、潜水服、呼吸装置、脚蹼及呼吸气泡等部件在几何尺度、材料属性和运动方式上的差异, 使其回波呈现多源散射与时变调制特征; 而浅水多径、混响和环境噪声等因素, 进一步增大了其探测与识别难度。针对主动声呐背景, 围绕目标在声散射建模、试验及其在跟踪定位、探测识别中的研究, 梳理气瓶、呼吸气泡、肺部、潜水服和脚蹼等关键部件对总体声散射特性的影响规律, 分析现有研究存在的主要问题, 并对后续发展方向进行讨论, 以期为蛙人目标主动声呐探测与识别研究提供参考。
蛙人是浅水环境中典型的低可探测性水下小目标, 具有目标强度(TS)低、姿态敏感性强、多部件耦合显著和非平稳性突出等特点。人体、潜水服、呼吸装置、脚蹼及呼吸气泡等部件在几何尺度、材料属性和运动方式上的差异, 使其回波呈现多源散射与时变调制特征; 而浅水多径、混响和环境噪声等因素, 进一步增大了其探测与识别难度。针对主动声呐背景, 围绕目标在声散射建模、试验及其在跟踪定位、探测识别中的研究, 梳理气瓶、呼吸气泡、肺部、潜水服和脚蹼等关键部件对总体声散射特性的影响规律, 分析现有研究存在的主要问题, 并对后续发展方向进行讨论, 以期为蛙人目标主动声呐探测与识别研究提供参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0068
摘要:
随着水下无人平台与小型化装备的快速发展与应用, 对水下小目标的探测识别需求日益凸显。此类小目标通常具有目标强度低、个体尺度小及物理特征弱的特点, 传统主被动探测能力受限, 对导航、通信等小目标主动声辐射信号的截获处理成为其探测发现的新途径之一。文中聚焦水下小目标导航脉冲或通信信号截获检测技术研究现状, 首先分析了相关主动声信号的主要来源、信号形式; 随后从技术演进角度, 综述了非合作水声脉冲与通信信号截获检测、调制类型识别方法的国内外发展现状。现有研究整体呈现了由传统统计量与人工特征提取方法, 向深度学习端到端处理方法不断演进的过程。最后, 文中总结了该领域现有研究成果, 并从仿生隐蔽通信信号的截获识别、物理一致性的生成式信道建模以及非合作场景下的辐射源个体识别3个方面对未来发展方向进行了展望。
随着水下无人平台与小型化装备的快速发展与应用, 对水下小目标的探测识别需求日益凸显。此类小目标通常具有目标强度低、个体尺度小及物理特征弱的特点, 传统主被动探测能力受限, 对导航、通信等小目标主动声辐射信号的截获处理成为其探测发现的新途径之一。文中聚焦水下小目标导航脉冲或通信信号截获检测技术研究现状, 首先分析了相关主动声信号的主要来源、信号形式; 随后从技术演进角度, 综述了非合作水声脉冲与通信信号截获检测、调制类型识别方法的国内外发展现状。现有研究整体呈现了由传统统计量与人工特征提取方法, 向深度学习端到端处理方法不断演进的过程。最后, 文中总结了该领域现有研究成果, 并从仿生隐蔽通信信号的截获识别、物理一致性的生成式信道建模以及非合作场景下的辐射源个体识别3个方面对未来发展方向进行了展望。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0063
摘要:
圆周合成孔径声呐(CSAS)是一种搭载于移动平台、具备高分力水下成像的声呐系统, 其成像质量对平台位姿精度高度敏感。实际测绘的过程中, 无人平台常受到水流、风浪等环境因素影响, 导致其运动轨迹偏离理想路径, 产生位置和姿态偏差, 严重影响成像质量。现有CSAS运动补偿方法多依赖水声定位系统获取平台位置信息, 但该方法通常需要布设额外的水声基站, 对外部辅助设备存在一定依赖。针对这一问题, 文中围绕CSAS平台运动误差对成像结果的影响及其几何补偿方法开展研究, 构建了一种基于全球定位系统(GPS)与惯性导航系统(INS)多传感器组合的CSAS平台运动补偿方法。通过融合GPS获取的平台位置信息与INS提供的姿态数据, 实现对声呐平台位姿的联合估计, 并据此对声呐阵列空间位置进行修正, 从而减小平台运动误差对成像结果的影响。文中仿真分析了平台运动误差对成像结果的影响, 并通过湖上试验数据验证了所提方法的有效性。试验结果表明, 该方法能有效修正平台运动引起的运动误差, 提升CSAS成像质量。该方法无需依赖外部水声定位系统, 仅利用平台自主导航传感器即可实现有效运动补偿, 为CSAS系统在复杂环境下的高分辨成像提供了一种简便实用的技术途径。
圆周合成孔径声呐(CSAS)是一种搭载于移动平台、具备高分力水下成像的声呐系统, 其成像质量对平台位姿精度高度敏感。实际测绘的过程中, 无人平台常受到水流、风浪等环境因素影响, 导致其运动轨迹偏离理想路径, 产生位置和姿态偏差, 严重影响成像质量。现有CSAS运动补偿方法多依赖水声定位系统获取平台位置信息, 但该方法通常需要布设额外的水声基站, 对外部辅助设备存在一定依赖。针对这一问题, 文中围绕CSAS平台运动误差对成像结果的影响及其几何补偿方法开展研究, 构建了一种基于全球定位系统(GPS)与惯性导航系统(INS)多传感器组合的CSAS平台运动补偿方法。通过融合GPS获取的平台位置信息与INS提供的姿态数据, 实现对声呐平台位姿的联合估计, 并据此对声呐阵列空间位置进行修正, 从而减小平台运动误差对成像结果的影响。文中仿真分析了平台运动误差对成像结果的影响, 并通过湖上试验数据验证了所提方法的有效性。试验结果表明, 该方法能有效修正平台运动引起的运动误差, 提升CSAS成像质量。该方法无需依赖外部水声定位系统, 仅利用平台自主导航传感器即可实现有效运动补偿, 为CSAS系统在复杂环境下的高分辨成像提供了一种简便实用的技术途径。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0060
摘要:
为克服已有二维侧扫声呐成像方法在提高角度分辨率时面临的基阵尺寸过大、阵元成本过高等问题, 提出一种小尺寸低成本高分辨二维侧扫声呐成像方法。该方法以大间距布阵的均匀直线阵为稀疏发射阵, 以多个满采样均匀直线阵为子阵组成稀疏接收阵, 利用乘积定理形成水平向满采样大孔径虚拟阵列。该虚拟阵列的阵元数为发射阵元数、接收子阵数与子阵阵元数之积, 孔径为发射阵列和接收阵列孔径之和, 从而以更小尺寸、更少阵元获得大孔径等效阵列。以所设计的阵形为基础, 文中方法采用和传统二维侧扫声呐成像方法相同的波形和法向单波束侧扫成像模式。数值仿真结果表明: 与传统方法(240发/240收, 信号中心频率为450 kHz)相比, 文中方法阵列尺寸由0.40 m缩减至0.33 m, 总阵元数由480减至40, 水平向-3 dB波束宽度由0.41°缩小至0.25°, 角度分辨率提升约40%。证明文中方法可使用更小阵列尺寸、更少阵元数获得更高成像分辨率。
为克服已有二维侧扫声呐成像方法在提高角度分辨率时面临的基阵尺寸过大、阵元成本过高等问题, 提出一种小尺寸低成本高分辨二维侧扫声呐成像方法。该方法以大间距布阵的均匀直线阵为稀疏发射阵, 以多个满采样均匀直线阵为子阵组成稀疏接收阵, 利用乘积定理形成水平向满采样大孔径虚拟阵列。该虚拟阵列的阵元数为发射阵元数、接收子阵数与子阵阵元数之积, 孔径为发射阵列和接收阵列孔径之和, 从而以更小尺寸、更少阵元获得大孔径等效阵列。以所设计的阵形为基础, 文中方法采用和传统二维侧扫声呐成像方法相同的波形和法向单波束侧扫成像模式。数值仿真结果表明: 与传统方法(240发/240收, 信号中心频率为450 kHz)相比, 文中方法阵列尺寸由0.40 m缩减至0.33 m, 总阵元数由480减至40, 水平向-3 dB波束宽度由0.41°缩小至0.25°, 角度分辨率提升约40%。证明文中方法可使用更小阵列尺寸、更少阵元数获得更高成像分辨率。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0057
摘要:
为克服复杂水下环境下的磁信号采集挑战, 文中研究设计并搭建了一套分体式拖体系统, 搭载磁通门阵列, 以高效采集运动状态下的磁环境噪声和4类典型铁磁小目标的磁异常信号, 并成功构建了相应的实测数据集。为弥补实测数据的局限性并扩充数据多样性, 文中研究基于实测数据特性, 利用COMSOL多物理场仿真软件, 构建了包含4类目标物磁源通过特征曲线的仿真数据集, 为模型的训练提供了数据支撑。最终, 为解决磁源实时检测和定位问题, 文中研究提出了一种创新的1D-ViT检测模型与1D-ResNet定位模型协同的磁源定位方法(简称1D ViT-ResNet磁源定位方法)。通过实测目标信号验证, 该算法实现了约7.0%的定位估计误差均值。与单一模型相比, 双模型方法显著降低了误检率, 在实测目标信号中, 误检率平均降低了11.0个百分点, 有效提升了探测的准确性和可靠性。
为克服复杂水下环境下的磁信号采集挑战, 文中研究设计并搭建了一套分体式拖体系统, 搭载磁通门阵列, 以高效采集运动状态下的磁环境噪声和4类典型铁磁小目标的磁异常信号, 并成功构建了相应的实测数据集。为弥补实测数据的局限性并扩充数据多样性, 文中研究基于实测数据特性, 利用COMSOL多物理场仿真软件, 构建了包含4类目标物磁源通过特征曲线的仿真数据集, 为模型的训练提供了数据支撑。最终, 为解决磁源实时检测和定位问题, 文中研究提出了一种创新的1D-ViT检测模型与1D-ResNet定位模型协同的磁源定位方法(简称1D ViT-ResNet磁源定位方法)。通过实测目标信号验证, 该算法实现了约7.0%的定位估计误差均值。与单一模型相比, 双模型方法显著降低了误检率, 在实测目标信号中, 误检率平均降低了11.0个百分点, 有效提升了探测的准确性和可靠性。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0073
摘要:
水下小目标声散射特性研究是主动声呐目标探测、识别与水下安防应用的核心物理基础, 在近岸安防、反水雷和水下工程探测等领域应用价值显著。文章针对蛙人及其推进器、无人水下航行器(UUV)和水雷3类典型水下小目标, 系统综述其理论建模、试验测量及工程应用研究进展。首先, 结合归一化尺寸参数及目标功能属性界定研究范围, 概述不同散射区间基本特征; 随后, 梳理3类小目标在理论建模、试验及应用方面的代表性研究。研究表明: 蛙人目标具有显著的多部件耦合散射与时变调制特征, 呼吸气泡、肺部腔体和潜水装备是主要散射贡献源; UUV散射受壳体结构、舱段充水状态及附体多重散射效应影响显著; 掩埋水雷回波则受目标弹性、界面波传播与沉积层耦合作用共同控制。当前研究仍存在复杂海洋环境下目标散射与传播耦合机理认识不足、宽频带散射预报精度与效率难以兼顾、散射机理与数据驱动识别结合不深入以及复杂外场条件下试验验证有限等问题。文中研究可为水下小目标声散射机理研究及探测应用提供参考。
水下小目标声散射特性研究是主动声呐目标探测、识别与水下安防应用的核心物理基础, 在近岸安防、反水雷和水下工程探测等领域应用价值显著。文章针对蛙人及其推进器、无人水下航行器(UUV)和水雷3类典型水下小目标, 系统综述其理论建模、试验测量及工程应用研究进展。首先, 结合归一化尺寸参数及目标功能属性界定研究范围, 概述不同散射区间基本特征; 随后, 梳理3类小目标在理论建模、试验及应用方面的代表性研究。研究表明: 蛙人目标具有显著的多部件耦合散射与时变调制特征, 呼吸气泡、肺部腔体和潜水装备是主要散射贡献源; UUV散射受壳体结构、舱段充水状态及附体多重散射效应影响显著; 掩埋水雷回波则受目标弹性、界面波传播与沉积层耦合作用共同控制。当前研究仍存在复杂海洋环境下目标散射与传播耦合机理认识不足、宽频带散射预报精度与效率难以兼顾、散射机理与数据驱动识别结合不深入以及复杂外场条件下试验验证有限等问题。文中研究可为水下小目标声散射机理研究及探测应用提供参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0052
摘要:
被动声学监测中的叫声识别与分类是海洋动物保护与种群调查的重要手段。针对叫声识别与分类中存在的数据稀缺与类间不平衡问题, 数据增强方法具有重要的实用价值与研究意义。然而海洋动物叫声拥有丰富的声学信息, 仅依赖于频域特征提取缺乏对音频结构与语义的建模能力, 难以有效捕捉叫声的深层特征。为此, 文中提出了一种基于多模态掩码自编码器(MAE-MF)的数据增强网络, 突破单模态信息局限, 以梅尔频谱图为主模态, 融合时序特征与帧级统计指标构成多模态输入, 并引入语义标签作为条件引导重建。为科学验证该数据增强网络的有效性与实用价值, 文中基于MAE-MF数据增强网络, 构建鲸豚叫声识别分类模型。模型在Watkins数据集上表现优异, 相较主流算法, 频谱图重建效果更佳。实验测得6类鲸豚物种平均识别准确率达97.6%, 较基础MAE方法提升6.72个百分点。该方案可有效改善样本类别失衡问题, 也为鲸豚保护相关研究提供了可靠的技术支撑。
被动声学监测中的叫声识别与分类是海洋动物保护与种群调查的重要手段。针对叫声识别与分类中存在的数据稀缺与类间不平衡问题, 数据增强方法具有重要的实用价值与研究意义。然而海洋动物叫声拥有丰富的声学信息, 仅依赖于频域特征提取缺乏对音频结构与语义的建模能力, 难以有效捕捉叫声的深层特征。为此, 文中提出了一种基于多模态掩码自编码器(MAE-MF)的数据增强网络, 突破单模态信息局限, 以梅尔频谱图为主模态, 融合时序特征与帧级统计指标构成多模态输入, 并引入语义标签作为条件引导重建。为科学验证该数据增强网络的有效性与实用价值, 文中基于MAE-MF数据增强网络, 构建鲸豚叫声识别分类模型。模型在Watkins数据集上表现优异, 相较主流算法, 频谱图重建效果更佳。实验测得6类鲸豚物种平均识别准确率达97.6%, 较基础MAE方法提升6.72个百分点。该方案可有效改善样本类别失衡问题, 也为鲸豚保护相关研究提供了可靠的技术支撑。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0078
摘要:
针对传统水下声学标准体布放实操困难及声学适配性不足的问题, 文中提出一种水下轻量化二十面浮体-杆组合结构仿球形散射体, 通过弧形浮力单元与杆–球骨架构建近似球形散射界面, 采用透水式设计实现浮力自平衡, 在保持球形散射特性的同时提升工程可布放性。建立了声散射特性的分频段数值模型, 数值分析了声散射强度随声波频率、入射方位的变化规律, 揭示了路径差干涉现象形成机制。试验验证了所提建模方法及研究结论的准确性, 为声散射标准体的设计与优化提供了重要的理论支撑和试验依据。结果表明, 该仿球形散射体平均目标强度较同半径刚性球提高约3.87 dB, 同时表现出多散射体相干干涉特征, 可作为水下声学标校载体, 为水下无人系统试验标定、声散射特性分析与测试提供参考。
针对传统水下声学标准体布放实操困难及声学适配性不足的问题, 文中提出一种水下轻量化二十面浮体-杆组合结构仿球形散射体, 通过弧形浮力单元与杆–球骨架构建近似球形散射界面, 采用透水式设计实现浮力自平衡, 在保持球形散射特性的同时提升工程可布放性。建立了声散射特性的分频段数值模型, 数值分析了声散射强度随声波频率、入射方位的变化规律, 揭示了路径差干涉现象形成机制。试验验证了所提建模方法及研究结论的准确性, 为声散射标准体的设计与优化提供了重要的理论支撑和试验依据。结果表明, 该仿球形散射体平均目标强度较同半径刚性球提高约3.87 dB, 同时表现出多散射体相干干涉特征, 可作为水下声学标校载体, 为水下无人系统试验标定、声散射特性分析与测试提供参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0043
摘要:
合成孔径成像算法一般都是基于均匀介质假设, 在探测海底掩埋目标时, 因声波穿过介质界面时发生折射, 导致成像散焦与定位误差。针对该问题, 文中提出了一种适用于分层介质成像的参数修正算法。首先, 构建了海水-沉积层折射传播模型, 基于斯涅尔定律推导了双程传播时延表达式, 设计了沉积层声速与掩埋深度的联合估计方法; 其次, 将该分层模型嵌入距离-多普勒(R-D)算法, 重新推导并修正了多普勒调频率与距离徙动校正量的解析式; 最后, 通过数值仿真对比了算法修正前后在不同掩埋深度下的成像效果。结果表明, 修正后的算法能有效矫正因折射引起的距离向定位偏差, 改善航迹向聚焦性能, 验证了所提修正算法的有效性。
合成孔径成像算法一般都是基于均匀介质假设, 在探测海底掩埋目标时, 因声波穿过介质界面时发生折射, 导致成像散焦与定位误差。针对该问题, 文中提出了一种适用于分层介质成像的参数修正算法。首先, 构建了海水-沉积层折射传播模型, 基于斯涅尔定律推导了双程传播时延表达式, 设计了沉积层声速与掩埋深度的联合估计方法; 其次, 将该分层模型嵌入距离-多普勒(R-D)算法, 重新推导并修正了多普勒调频率与距离徙动校正量的解析式; 最后, 通过数值仿真对比了算法修正前后在不同掩埋深度下的成像效果。结果表明, 修正后的算法能有效矫正因折射引起的距离向定位偏差, 改善航迹向聚焦性能, 验证了所提修正算法的有效性。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0049
摘要:
水下小目标(如微型水下航行器、水下探测器装置)的精准探测与识别是海洋资源开发、水下安防预警及水下工程检测等领域的重要内容。受水体衰减、光学散射、声波多径效应及复杂背景噪声等因素的综合制约, 传统探测技术在作用距离、空间分辨率与实时响应性等方面存在显著局限。随着海洋开发向精细化、智能化方向迈进, 以及水下无人装备对抗的战略价值持续凸显, 水下小目标光学探测技术已成为当前海洋信息技术领域的研究热点。文中系统梳理水下小目标光学探测技术的研究背景与战略意义, 重点从基于图像和基于激光雷达(LiDAR)两大技术路径展开全面综述: 在基于图像的技术体系中, 聚焦图像增强与目标检测两大核心环节, 深入剖析各类技术的原理机制、改进策略及性能表现; 在基于LiDAR的技术体系中, 针对面扫描成像、点扫描成像及线扫描成像等探测模式, 系统阐述其技术特性与典型应用场景。文中进一步剖析现有技术面临的瓶颈问题, 并结合海洋技术发展趋势展望未来研究方向, 为水下小目标光学探测技术的工程化落地提供理论支撑。
水下小目标(如微型水下航行器、水下探测器装置)的精准探测与识别是海洋资源开发、水下安防预警及水下工程检测等领域的重要内容。受水体衰减、光学散射、声波多径效应及复杂背景噪声等因素的综合制约, 传统探测技术在作用距离、空间分辨率与实时响应性等方面存在显著局限。随着海洋开发向精细化、智能化方向迈进, 以及水下无人装备对抗的战略价值持续凸显, 水下小目标光学探测技术已成为当前海洋信息技术领域的研究热点。文中系统梳理水下小目标光学探测技术的研究背景与战略意义, 重点从基于图像和基于激光雷达(LiDAR)两大技术路径展开全面综述: 在基于图像的技术体系中, 聚焦图像增强与目标检测两大核心环节, 深入剖析各类技术的原理机制、改进策略及性能表现; 在基于LiDAR的技术体系中, 针对面扫描成像、点扫描成像及线扫描成像等探测模式, 系统阐述其技术特性与典型应用场景。文中进一步剖析现有技术面临的瓶颈问题, 并结合海洋技术发展趋势展望未来研究方向, 为水下小目标光学探测技术的工程化落地提供理论支撑。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0064
摘要:
水下弱目标探测是水声学信号处理领域的核心内容, 目前仍存在环境复杂、干扰目标多、回波弱及图像质量差等诸多问题。蛙人作为典型水下入侵弱目标, 针对其探测难度大的问题, 文中提出一种基于非平稳信号解调的二维解卷波束形成方法, 利用二维解卷波束形成获得高分辨率的目标方位-距离图像; 结合高分辨图像的峰值检测精确定位疑似目标回波时域波形; 对疑似目标回波时域波形解调后计算谱峭度指标, 利用真实目标回波与杂波间谱峭度指标的差异性为二维解卷波束形成图像赋值权重, 从而实现微弱目标回波的增强, 杂波抑制, 并获得高分辨目标图像。实验结果表明, 文中方法能有效抑制杂波, 提升目标检测跟踪能力(轨迹跟踪距离稳定提升60 m)。
水下弱目标探测是水声学信号处理领域的核心内容, 目前仍存在环境复杂、干扰目标多、回波弱及图像质量差等诸多问题。蛙人作为典型水下入侵弱目标, 针对其探测难度大的问题, 文中提出一种基于非平稳信号解调的二维解卷波束形成方法, 利用二维解卷波束形成获得高分辨率的目标方位-距离图像; 结合高分辨图像的峰值检测精确定位疑似目标回波时域波形; 对疑似目标回波时域波形解调后计算谱峭度指标, 利用真实目标回波与杂波间谱峭度指标的差异性为二维解卷波束形成图像赋值权重, 从而实现微弱目标回波的增强, 杂波抑制, 并获得高分辨目标图像。实验结果表明, 文中方法能有效抑制杂波, 提升目标检测跟踪能力(轨迹跟踪距离稳定提升60 m)。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0061
摘要:
针对水下无人平台载荷能力有限、声呐数据样本稀缺导致小目标识别困难的问题, 提出一种适配水下无人平台小样本条件下的单波束声呐信号目标识别算法。该算法基于主动声呐目标单波束回波信号, 提取波形的时域和频域多维特征, 通过相关性分析与主成分分析降维完成有效特征选择, 并结合随机森林分类器, 实现了小样本训练集下的目标高精度识别。水池实验数据测试结果表明, 相较多种基于多波束声呐图像联合深度学习的方法, 文中算法在更小的训练集下, 精确率达99.42%、召回率 99.39%、F1 值 99.39%、准确率 99.39%。文中方法具有计算量小、运行速度快、可解释性强等优势, 更适合在算力与存储资源受限的水下无人平台上部署, 为水下无人平台在资源受限条件下小目标识别提供了一种高效可行的方案。
针对水下无人平台载荷能力有限、声呐数据样本稀缺导致小目标识别困难的问题, 提出一种适配水下无人平台小样本条件下的单波束声呐信号目标识别算法。该算法基于主动声呐目标单波束回波信号, 提取波形的时域和频域多维特征, 通过相关性分析与主成分分析降维完成有效特征选择, 并结合随机森林分类器, 实现了小样本训练集下的目标高精度识别。水池实验数据测试结果表明, 相较多种基于多波束声呐图像联合深度学习的方法, 文中算法在更小的训练集下, 精确率达99.42%、召回率 99.39%、F1 值 99.39%、准确率 99.39%。文中方法具有计算量小、运行速度快、可解释性强等优势, 更适合在算力与存储资源受限的水下无人平台上部署, 为水下无人平台在资源受限条件下小目标识别提供了一种高效可行的方案。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0056
摘要:
当前水下多物理场探测研究多聚焦舰船、潜艇等大尺度目标, 针对小型水下航行器的多物理场联合探测相关研究较少,为探究其在100 Hz内低频多物理场特征与场间关联规律, 在浅海避风港开展水下实测试验, 同步采集声场、电场、磁场、压力场、地震波场及交流磁场信号。经数据预处理与工频干扰抑制后, 分析各物理场时域通过特性与频谱特征, 分析多物理场耦合关联特性。试验结果表明, 电场与磁场呈现强相关共源特性, 交流磁场包含更丰富的目标特征信息; 声场与地震波场频域特征高度契合, 地震波场抗海洋环境干扰能力显著优于水压场。文中分析了小型水下航行器典型低频多物理场特征与耦合规律, 可为水下小目标多物理场联合探测与识别提供试验支撑。
当前水下多物理场探测研究多聚焦舰船、潜艇等大尺度目标, 针对小型水下航行器的多物理场联合探测相关研究较少,为探究其在100 Hz内低频多物理场特征与场间关联规律, 在浅海避风港开展水下实测试验, 同步采集声场、电场、磁场、压力场、地震波场及交流磁场信号。经数据预处理与工频干扰抑制后, 分析各物理场时域通过特性与频谱特征, 分析多物理场耦合关联特性。试验结果表明, 电场与磁场呈现强相关共源特性, 交流磁场包含更丰富的目标特征信息; 声场与地震波场频域特征高度契合, 地震波场抗海洋环境干扰能力显著优于水压场。文中分析了小型水下航行器典型低频多物理场特征与耦合规律, 可为水下小目标多物理场联合探测与识别提供试验支撑。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0026
摘要:
水下小目标探测效能评估是保障海洋安全与资源开发的核心难题。传统静态评估方法依赖固定环境参数与单一指标, 难以反映算法在复杂时变海洋环境中的动态适应能力。针对这一瓶颈, 本文提出一种基于python的多指标融合的动态效能评估新方法。建立了环境耦合的动态检测概率模型, 将经典检测理论扩展至时变海洋环境; 将加权几何平均引入综合效能指数(CEI)建模; 设计并开发了水下探测动态评估系统(UDDES), 支持动态环境仿真、多算法并行测试与多维效能可视化分析。模拟实验结果表明, AI-Det的检测概率较传统波束形成(CBF)提升约99.8%; 在包含海况突变、SNR骤降的动态环境应激测试中, AI-Det的综合效能指数(CEI)均值较CBF提升36.5%, 鲁棒性系数提高44.8%, 跟踪稳定度误差降低55.3%。研究表明, 所提框架与系统有效解决了传统静态评估无法量化动态性能演化的问题, 为水下探测算法的闭环测试、优化选型及效能预测提供了系统的理论方法与工程工具。
水下小目标探测效能评估是保障海洋安全与资源开发的核心难题。传统静态评估方法依赖固定环境参数与单一指标, 难以反映算法在复杂时变海洋环境中的动态适应能力。针对这一瓶颈, 本文提出一种基于python的多指标融合的动态效能评估新方法。建立了环境耦合的动态检测概率模型, 将经典检测理论扩展至时变海洋环境; 将加权几何平均引入综合效能指数(CEI)建模; 设计并开发了水下探测动态评估系统(UDDES), 支持动态环境仿真、多算法并行测试与多维效能可视化分析。模拟实验结果表明, AI-Det的检测概率较传统波束形成(CBF)提升约99.8%; 在包含海况突变、SNR骤降的动态环境应激测试中, AI-Det的综合效能指数(CEI)均值较CBF提升36.5%, 鲁棒性系数提高44.8%, 跟踪稳定度误差降低55.3%。研究表明, 所提框架与系统有效解决了传统静态评估无法量化动态性能演化的问题, 为水下探测算法的闭环测试、优化选型及效能预测提供了系统的理论方法与工程工具。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0007
摘要:
针对水下目标特征信息匮乏的问题, 文中提出多特征层映射特征金字塔与全局注意力特征融合机制。该机制将每个建议框分别映射至不同特征层, 经感兴趣区域池化后得到4个尺寸一致、信息互补的特征层, 再通过全局注意力实现特征融合, 可充分利用各层特征信息, 有效缓解水下目标特征稀缺的问题。针对水下数据集类别不平衡问题, 设计复制粘贴类别平衡策略, 提升神经网络对海参、海星、扇贝等稀缺类别的关注程度。针对损失函数惩罚力度不足导致检测精度下降的问题, 在平滑L1损失函数中引入预测框与目标框的归一化距离作为惩罚项, 显著提高水下多尺度目标的定位精度。实验结果表明, 在全国水下机器人大赛数据集上, 所提方法的识别准确率达81.93%, 相较于基线模型Faster R-CNN提升5.71%, 有效改善了水下复杂环境下目标的漏检与误检现象。
针对水下目标特征信息匮乏的问题, 文中提出多特征层映射特征金字塔与全局注意力特征融合机制。该机制将每个建议框分别映射至不同特征层, 经感兴趣区域池化后得到4个尺寸一致、信息互补的特征层, 再通过全局注意力实现特征融合, 可充分利用各层特征信息, 有效缓解水下目标特征稀缺的问题。针对水下数据集类别不平衡问题, 设计复制粘贴类别平衡策略, 提升神经网络对海参、海星、扇贝等稀缺类别的关注程度。针对损失函数惩罚力度不足导致检测精度下降的问题, 在平滑L1损失函数中引入预测框与目标框的归一化距离作为惩罚项, 显著提高水下多尺度目标的定位精度。实验结果表明, 在全国水下机器人大赛数据集上, 所提方法的识别准确率达81.93%, 相较于基线模型Faster R-CNN提升5.71%, 有效改善了水下复杂环境下目标的漏检与误检现象。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0058
摘要:
复杂水下环境(界面散射、多途效应及强噪声)导致水下小目标(如水下航行器、蛙人)的机动轨迹难以被实时精细跟踪。针对双观测站主动声呐协同跟踪系统, 本文提出一种结合概率下限约束的AIMM-UKF算法。鉴于传统AIMM算法在目标长时稳态时, 向机动模型转移的先验概率衰减较大, 导致突发机动时切换迟滞、误差增大的问题, 本文在似然比修正基础上, 引入概率下限约束与判定窗二次修正机制。在长航时稳态段, 判定窗机制保障高稳态精度; 突发机动瞬间, 概率下限机制配合似然比放缩实现模型快速准确切换。蒙特卡洛仿真表明, 所提算法有效克服了概率过度吸收退化问题, 降低了机动初期误差峰值, 全局位置与速度误差均达最低, 实现了瞬态切换与稳态精度的最佳平衡, 为水下小目标连续跟踪与安防预警提供了有力技术支撑。
复杂水下环境(界面散射、多途效应及强噪声)导致水下小目标(如水下航行器、蛙人)的机动轨迹难以被实时精细跟踪。针对双观测站主动声呐协同跟踪系统, 本文提出一种结合概率下限约束的AIMM-UKF算法。鉴于传统AIMM算法在目标长时稳态时, 向机动模型转移的先验概率衰减较大, 导致突发机动时切换迟滞、误差增大的问题, 本文在似然比修正基础上, 引入概率下限约束与判定窗二次修正机制。在长航时稳态段, 判定窗机制保障高稳态精度; 突发机动瞬间, 概率下限机制配合似然比放缩实现模型快速准确切换。蒙特卡洛仿真表明, 所提算法有效克服了概率过度吸收退化问题, 降低了机动初期误差峰值, 全局位置与速度误差均达最低, 实现了瞬态切换与稳态精度的最佳平衡, 为水下小目标连续跟踪与安防预警提供了有力技术支撑。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0042
摘要:
以蛙人、无人水下航行器为代表的水下慢速小目标, 凭借隐蔽性强、机动性高及破坏性大等特点, 成为近岸军事和经济设施的主要威胁, 其识别已成为当水下安防领域的热点与难点。文中聚焦水下慢速小目标声学识别中的声信号特征分析、声特征提取与声特征分类3个环节, 系统梳理了该领域的研究现状、核心挑战与发展趋势。首先, 从主动回波信号和被动辐射噪声出发, 分析了水下慢速小目标声信号特征; 然后, 围绕主动特征和被动特征, 总结了当前主流特征提取方法; 接着, 归纳对比统计学习与深度学习两类主流分类方法; 之后, 阐述了该领域面临的主要挑战及相应解决措施; 最后, 结合技术发展趋势, 对未来研究方向进行展望, 以期为水下慢速小目标识别技术的发展提供参考。
以蛙人、无人水下航行器为代表的水下慢速小目标, 凭借隐蔽性强、机动性高及破坏性大等特点, 成为近岸军事和经济设施的主要威胁, 其识别已成为当水下安防领域的热点与难点。文中聚焦水下慢速小目标声学识别中的声信号特征分析、声特征提取与声特征分类3个环节, 系统梳理了该领域的研究现状、核心挑战与发展趋势。首先, 从主动回波信号和被动辐射噪声出发, 分析了水下慢速小目标声信号特征; 然后, 围绕主动特征和被动特征, 总结了当前主流特征提取方法; 接着, 归纳对比统计学习与深度学习两类主流分类方法; 之后, 阐述了该领域面临的主要挑战及相应解决措施; 最后, 结合技术发展趋势, 对未来研究方向进行展望, 以期为水下慢速小目标识别技术的发展提供参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0144
摘要:
无人水下航行器推进系统的低速控制性能是其有效执行深海勘探、军事侦察等关键任务的前提条件。针对低速工况控制能力提升的需求, 本文系统分析了永磁同步电机驱动系统中有位置传感器方案与无位置传感器方案的局限性。旋转变压器在恶劣环境下易引入位置检测误差, 而在主流无感控制方案中, 基于反电动势的观测器存在零低速域观测盲区, 高频信号注入法虽可提升低速观测性能, 但其辨识精度易受电机参数变化影响, 且所有无感控制方案的精度均高度依赖电流采样的准确性, 使得该类方案在干扰严重的复杂工况下, 面临严峻的工程挑战。为此, 本文提出一种旋转变压器与高频方波注入相结合的混合观测低速抗扰控制策略, 通过硬件冗余与信息融合技术, 将旋变提供的绝对位置基准与高频方波注入的动态观测结果进行深度融合, 构建优势互补的观测架构, 提升系统在低速、变载及信号受扰等复杂工况下的鲁棒性。仿真结果表明所提出的方法能够有效抑制位置传感器和电流传感器的检测误差干扰, 实现转子位置的稳定精确观测, 为水下装备动力系统提供了高可靠性的控制解决方案。
无人水下航行器推进系统的低速控制性能是其有效执行深海勘探、军事侦察等关键任务的前提条件。针对低速工况控制能力提升的需求, 本文系统分析了永磁同步电机驱动系统中有位置传感器方案与无位置传感器方案的局限性。旋转变压器在恶劣环境下易引入位置检测误差, 而在主流无感控制方案中, 基于反电动势的观测器存在零低速域观测盲区, 高频信号注入法虽可提升低速观测性能, 但其辨识精度易受电机参数变化影响, 且所有无感控制方案的精度均高度依赖电流采样的准确性, 使得该类方案在干扰严重的复杂工况下, 面临严峻的工程挑战。为此, 本文提出一种旋转变压器与高频方波注入相结合的混合观测低速抗扰控制策略, 通过硬件冗余与信息融合技术, 将旋变提供的绝对位置基准与高频方波注入的动态观测结果进行深度融合, 构建优势互补的观测架构, 提升系统在低速、变载及信号受扰等复杂工况下的鲁棒性。仿真结果表明所提出的方法能够有效抑制位置传感器和电流传感器的检测误差干扰, 实现转子位置的稳定精确观测, 为水下装备动力系统提供了高可靠性的控制解决方案。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0023
摘要:
水下图像因遭受严重的色彩和结构失真, 影响各种水下视觉任务的表现。现有的水下图像增强方法侧重于改善视觉外观, 忽略优化下游视觉任务的必要性。为此, 文中提出了一种视觉任务友好的水下图像增强方法(VTF-Net)。首先设计了全新的空域频域融合增强模块(SFF), 该模块能大幅提高模型对纹理细节的感知度和图像的保真度; 其次为了实现编码器和解码器之间信息的高效传递, 文中引入多尺度交叉注意力模块(MSCA)和瓶颈注意力模块(BNA), 在保证高效特征提取的基础上增加对全局梯度的感知, 有效改善图像的色偏和模糊问题。最后针对视觉任务友好的理念, 提出一种检测损失函数, 通过引入水下目标检测结果引导模型优化方向。实验结果表明: 文中所提方法在定性和定量实验中均取得了更好的结果, 同时在水下目标检测应用实验中取得了最优的结果。
水下图像因遭受严重的色彩和结构失真, 影响各种水下视觉任务的表现。现有的水下图像增强方法侧重于改善视觉外观, 忽略优化下游视觉任务的必要性。为此, 文中提出了一种视觉任务友好的水下图像增强方法(VTF-Net)。首先设计了全新的空域频域融合增强模块(SFF), 该模块能大幅提高模型对纹理细节的感知度和图像的保真度; 其次为了实现编码器和解码器之间信息的高效传递, 文中引入多尺度交叉注意力模块(MSCA)和瓶颈注意力模块(BNA), 在保证高效特征提取的基础上增加对全局梯度的感知, 有效改善图像的色偏和模糊问题。最后针对视觉任务友好的理念, 提出一种检测损失函数, 通过引入水下目标检测结果引导模型优化方向。实验结果表明: 文中所提方法在定性和定量实验中均取得了更好的结果, 同时在水下目标检测应用实验中取得了最优的结果。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0164
摘要:
在海洋保护与探索事业不断推进的背景下, 传统水下驱动装置存在结构复杂、运动效率偏低等固有缺陷, 而柔性材料凭借适配性强、安全性高及灵活性足的优势, 逐渐成为水下驱动领域的研究热点。文中依托电活性聚合物(EAP)能量密度高、机电耦合效率高的核心特性, 结合弹簧的挠曲变形与弹性恢复作用, 模拟鱼体-尾鳍(BCF)推进模式的收缩与放松动态变形过程, 提出一种新型仿生尾鳍的驱动装置, 并实现尾鳍肌肉的连续的顺应性变化。基于流体力学理论, 系统分析尾鳍运动学与推进力之间的耦合作用机制, 构建鱼类鳍条摆动的瞬时力学模型, 并融入实验数据进行求解。利用Fluent软件建立三维数值仿真模型, 通过动网格计算结果与力学模型预测结果的对比分析, 完成模型的有效性验证, 为新型仿生驱动机械鱼的设计开发提供了可靠的理论支撑与实验依据。
在海洋保护与探索事业不断推进的背景下, 传统水下驱动装置存在结构复杂、运动效率偏低等固有缺陷, 而柔性材料凭借适配性强、安全性高及灵活性足的优势, 逐渐成为水下驱动领域的研究热点。文中依托电活性聚合物(EAP)能量密度高、机电耦合效率高的核心特性, 结合弹簧的挠曲变形与弹性恢复作用, 模拟鱼体-尾鳍(BCF)推进模式的收缩与放松动态变形过程, 提出一种新型仿生尾鳍的驱动装置, 并实现尾鳍肌肉的连续的顺应性变化。基于流体力学理论, 系统分析尾鳍运动学与推进力之间的耦合作用机制, 构建鱼类鳍条摆动的瞬时力学模型, 并融入实验数据进行求解。利用Fluent软件建立三维数值仿真模型, 通过动网格计算结果与力学模型预测结果的对比分析, 完成模型的有效性验证, 为新型仿生驱动机械鱼的设计开发提供了可靠的理论支撑与实验依据。
