水下无人系统学报

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黄颖淞, 葛辉良, 王付印, 谢勇

2020, 28(1): 001-9. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.001

[摘要](962) [PDF 2737KB](860)

摘要:
蛙人由于目标小、破坏性大, 可担负常规力量无法完成的任务, 已成为港口与近岸水域的严重威胁之一。水下蛙人探测是非传统安全保障领域的一个重要研究方向, 对于港口、大型舰船、滨海娱乐场所、海上石油钻井平台等重点水域的安保和防御具有重要意义。文中首先论述蛙人的主要特征, 指出了蛙人探测的难点问题, 同时阐述蛙人探测声呐(DDS)的相关原理。随后以英国、以色列、加拿大等国和国内具有代表性的产品为例, 详细介绍当前国内外DDS系统的发展状况。最后总结我国在DDS方面取得的成果, 指出国内DDS技术与国外的差距, 展望DDS的技术发展趋势, 为促进我国DDS的发展提供借鉴与参考。

水下声学滑翔机研究进展及关键技术

孙芹东, 兰世泉, 王超, 王文龙

2020, 28(1): 010-17. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.002

[摘要](2218) [PDF 2142KB](180)

摘要:
水下声学滑翔机具有大航程、长航时、高隐蔽性及低成本的特点, 是用于水下移动目标探测、海洋水文环境精细化测量的优势平台, 在全球海洋安全与环境观测体系建设中发挥着重要作用。文章详细梳理了国内外水下声学滑翔机研究进展, 简述其系统组成和功能; 探讨了水下声学滑翔机设计及规模化应用涉及的平台减振降噪、自主控制、多模混合推进、声学传感器设计及应用、目标属性自主判别, 以及安全布放与回收等关键技术。文中研究可为国内同类水下无人探测装备的系统开发提供参考。

Pareto II型分布混响中距离扩展目标CFAR检测

罗海力, 徐达, 陈模江, 郝程鹏

2020, 28(1): 018-23. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.003

[摘要](348) [PDF 452KB](230)

摘要:
随着现代声呐距离分辨力的提高, 每个空间处理单元内的有效散射体数量大大减少, 混响分布模型不再服从中心极限定理, 而目标回波也呈现出占据连续多个距离单元的现象, 如果仍然采用传统声呐所具有的高斯分布混响模型以及点目标模型, 高分辨声呐系统的检测性能将大大降低。文中研究了Pareto II型分布混响下基于几何平均恒虚警率检测器的距离扩展目标检测方法, 利用Monte-Carlo方法进行仿真, 分析了二进制积累、模糊代数积及模糊代数和3种方法的检测性能。仿真结果表明, Pareto II型分布混响下3种检测方法能够有效地对距离扩展目标进行检测, 其中2种模糊逻辑检测方法的检测性能优于二进制积累方法。在多目标干扰环境下, 模糊代数和较其他方法检测性能更好。文中研究可为有效改善高分辨声呐的检测性能提供参考。

自主水下航行器机械臂系统非线性PD控制器设计

李小岗, 王红都, 黎明

2020, 28(1): 024-32. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.004

[摘要](439) [PDF 573KB](253)

摘要:
针对自主水下航行器机械臂系统(AUVMS)的非线性、高耦合性和工作环境的复杂性, 文中设计了基于线性扩张观测器(LESO)的控制方案。以带双连杆机械臂的自主水下航行器(AUV)为例, 将系统分为5个子系统, 将外部扰动(洋流、浪涌和涡流等干扰)与内部不确定性(建模不精确、耦合影响和测量误差等)视作总扰动, 并设计LESO和线性反馈控制律进行估计与补偿。对LESO的收敛性与估计误差动力学进行了分析。考虑到AUV动力装置所产生的动力和力矩是有限的, 在实际控制中需要对控制输入量针对动力装置的物理特性来设置上限, 并且少有文献对带机械臂系统的AUV饱和控制进行研究, 文中设计了具有输入饱和限制的非线性比例-微分(PD)控制器, 并对控制器的稳定性进行了分析。利用LESO的总扰动思想来处理AUV机械臂系统的非线性、高耦合性和复杂扰动的控制难点, 并以输入饱和控制器确保了控制方案的工业适用性。最后通过与传统PID与滑模控制器的对比分析及仿真验证了所提方案的有效性。

噪声干扰器作用下反潜鱼雷主动自导性能数值分析

张方方, 李文哲, 董晓明, 宋佳平

2020, 28(1): 033-38. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.005

[摘要](435) [PDF 434KB](191)

摘要:
为研究潜用高频噪声干扰器对反潜鱼雷主动自导性能的影响, 在考虑潜艇声特性基础上建立了反潜鱼雷主动自导计算模型和高频干扰器干扰模型, 采用分离变量法分别对不同相对方位和初始距离下的干扰器作用效果以及潜艇高速转向规避下的反潜鱼雷自导性能进行数值分析。结果表明, 高频干扰器的干扰效果随其相对方位绝对值和初始距离的减小而增强, 进而使反潜鱼雷的自导距离减小;潜艇释放干扰器后采用高速背雷机动规避将使鱼雷的自导作用距离进一步减小, 但不改变干扰器的干扰扇面。文中建立的数学模型及数值分析结果可为反潜鱼雷作战效能分析提供基础模型及数据支撑。

基于Huber M-CKF的UUV目标跟踪算法

王斌, 温泉, 范世东

2020, 28(1): 039-45. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.006

[摘要](861) [PDF 578KB](221)

摘要:
针对无人水下航行器(UUV)目标跟踪精度不高的问题, 文中将一种鲁棒性较强的M极大似然估计代价函数引入Huber-容积卡尔曼滤波(H-CKF)并应用于UUV的目标跟踪定位算法中, 通过改变归一化新息协方差的方法对CKF矩阵进行线性化求解。建立了UUV运动模型及观测模型, 在不同的非高斯噪声干扰下与转换测量卡尔曼滤波、CKF和扩展卡尔曼滤波3种滤波算法进行对比试验, 验证了HM-CKF的滤波精度和稳定性优于传统算法。

一种机动目标运动要素估计算法

程帅, 张秦南, 王立文

2020, 28(1): 046-50. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.007

[摘要](438) [PDF 388KB](144)

摘要:
对于机动目标的运动要素估计, 当前运用较多的是基于匀加速模型的卡尔曼滤波方法, 但由于卡尔曼滤波器本身的缺陷, 该方法只适用于目标做匀加速直线运动的情况, 而无法对目标做转弯运动时的运动要素进行有效估计。为了克服这个问题, 文中提出了一种机动目标运动要素的估计算法, 通过对卡尔曼滤波协方差阵的定期重置, 使得增益矩阵的绝对值始终保持在较大的状态, 对估计值的修正效果始终处于一个较好的水平, 最终解决包含转弯运动在内的机动目标运动要素的估计问题。数学仿真结果表明, 所设计的估计算法对机动目标具有较强的跟踪能力, 满足了估计误差要求, 该方法简单可行, 易于工程实现。

基于声固耦合的水下复杂目标声散射研究

周烨, 温玮, 韩建辉, 杨日杰

2020, 28(1): 051-56. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.008

[摘要](513) [PDF 1042KB](860)

摘要:
针对现有简单模型对水下实际目标的仿真逼真度较差的情况, 利用COMSOL声固耦合算法以及完全匹配层对二维潜艇简单模型受激励后的散射声场进行了数值仿真分析。利用ANSYS有限元分析软件对相同简化模型进行计算对比, 计算结果基本吻合, 验证了COMSOL在计算大型目标散射声场时的有效性。最后以某型潜艇结构为原型构建了内部舱室结构及结构材料属性, 提高了模型相对于实际目标的逼真度, 仿真了受激励后的再辐射声场。其结果可对水下主动探测装备发展提供参考。

基于三自由度动态内模解耦的PMSM弱磁控制

尤钱亮, 魏海峰, 常徐, 田会峰

2020, 28(1): 057-66. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.009

[摘要](349) [PDF 1935KB](187)

摘要:
针对水下航行器推进系统中永磁同步电机(PMSM)在弱磁区电动工况下动态性能不理想的问题, 依据PMSM弱磁理论, 研究了交直轴电流调节器对弱磁控制动态性能的影响, 提出基于三自由度动态内模解耦的PMSM弱磁控制策略。考虑到传统内模解耦无法同时兼顾解耦效果、响应速度及稳态误差,引入电流调节因子, 对解耦控制器进行改进。在此基础上, 针对输出转矩发生阶跃时交轴电流调节方向与系统期望方向相反的问题, 在电流调节因子中加入交轴电流信息, 结合模糊控制器, 实时对电流调节因子进行优化。仿真和试验结果表明, 该策略综合解决了弱磁区电动工况下交轴电流调节器调节不利和电流耦合严重的问题, 改善了PMSM的动态性能, 同时具有抗饱和、电流解耦及弱磁控制的三重功能。

水下高速燃气射流及复杂波系二维数值仿真

侯子伟, 黄孝龙, 李宁, 翁春生

2020, 28(1): 067-74. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.010

[摘要](374) [PDF 878KB](152)

摘要:
文中针对水下高速燃气射流的形成与发展问题, 基于Euler双流体模型和时-空守恒元解元方法, 建立了射流管高速高压射流在自由水域中的喷射模型, 对水下射流管外流场进行了气液两相数值仿真, 研究了射流的形成和发展过程, 以及射流初期的流场特性, 分析了水下高速燃气射流喷射过程中出现的复杂波系及形态, 并初步讨论了射流内部的“回击”现象。研究结果表明: 水下燃气射流在高速喷出后, 由于水的阻滞作用, 流场呈现出轴向发展较慢、径向扩张迅速的特征; 燃气前沿高压区内形成前导激波、反射激波和拦截激波互相交叉的复杂波系; 复杂波系间的相互作用使射流不断向下游发展的同时出现轴向内凹的形态, 且射流主体界面呈现不规则形状; 射流在传播过程中会产生气体回溯现象并使射流中出现“钻石型”形态。文中对波系传播和相互作用引起射流管出口流场压力复杂变化的研究, 可为水下发动机工作性能的提高提供一定参考。

基于CEL算法全雷入水冲击建模与仿真

王升, 郭君, 赵琪, 卞敏华, 田树红

2020, 28(1): 075-80. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.011

[摘要](496) [PDF 2900KB](146)

摘要:
为解决鱼雷入水冲击计算时全雷强度的仿真分析不准确问题, 采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)算法进行了全雷入水冲击计算, 并依据试验进行模型修正。为提高计算结果的准确性, 将材料的线性强化弹塑性本构引入计算模型, 并考虑鱼雷各舱段壳体连接结构的连接特性。文中通过对全雷入水冲击计算模型和仿真方法进行研究, 得到以下结论: 对于连接结构的处理, 应充分考虑其连接特性, 合理简化连接结构; 楔环结构的2个楔环带具有缓冲减振作用。文中研究为助飞鱼雷和空投鱼雷的入水方案提供了依据, 为鱼雷和楔环连接体的入水分析提供了参考。

基于多介质ALE算法的柱体高速垂直入水仿真

汪振, 吴茂林, 孙玉松, 彭京徽

2020, 28(1): 081-88. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.012

[摘要](451) [PDF 1661KB](225)

摘要:
针对未来海上平台发射的大口径平头回转体高速入水过载问题, 为了探究柱体头部圆倒角大小对柱体垂直入水的动力学响应, 使圆倒角平头柱体外形设计满足高速入水强度要求, 文中通过入水载荷及空泡验证了任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法计算此类问题的正确性。并应用该算法对速度为300 m/s的不同倒角柱体垂直入水进行数值仿真, 得到其入水冲击作用下的动力学响应。通过对入水过程中柱体速度和加速度的分析, 得出如下结论: 入水初期, 随着柱体头部倒角的增大, 速度的衰减越来越小; 柱体入水时受到的冲击加速度会出现振荡; 一定尺寸的圆倒角能有效减小柱体入水时的冲击加速度, 球头柱体入水的冲击加速度峰值最小, 在数值上不到平头柱体的1/10; 平头柱体垂直入水的载荷峰值与其头部圆顶面积呈线性正相关。以上方法及结论可为柱状结构体入水冲击过程研究以及高速入水回转体外形设计提供一定参考。

一种利用迁移学习训练卷积神经网络的声呐图像识别方法

朱兆彤, 付学志, 胡友峰

2020, 28(1): 089-96. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.013

[摘要](853) [PDF 1084KB](344)

摘要:
针对利用传统训练方法进行声呐图像识别时缺乏数据的问题, 文中提出一种利用迁移学习训练卷积神经网络(CNN)实现声呐图像识别的方法。基于迁移学习的原理, 通过对已有的预训练网络进行微调与重新训练, 以减小对训练数据量的需求。随后利用缩比模型水池试验验证了该方法的有效性。试验结果表明, 基于AlexNet预训练网络, 相比传统的学习方法, 迁移学习方法可以利用较少的训练数据, 在较短的时间内通过训练达到95.81%的识别率。试验还对比了基于6种预训练网络进行迁移学习后的网络性能, 结果表明基于VGG16的迁移网络识别率最高, 可达到99.48%。最后, 试验结果验证了CNN具有一定的噪声容忍能力, 在较强噪声背景下, 能保证较高的识别率。

低频宽带多波束声呐系统设计及试验研究

岳雷, 姜春华, 罗松, 王心怡, 纳杰斯, 马雪, 刘宝军, 何其煜, 丁明惠

2020, 28(1): 097-106. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.014

[摘要](805) [PDF 4846KB](157)

摘要:
声学方法探测沉底及掩埋小目标在沉埋雷探测、海洋油气田管线定位等军民技术应用领域有着迫切需求及重要意义。文中概述了浅地层剖面仪、合成孔径声呐及海底三维成像系统等几种主流声学探测沉底及掩埋目标技术装备的现状及特点, 分析了各自优势及存在的不足。并针对沉底及掩埋有限长管线目标探测需求, 分析了低频宽带多波束声呐探测沉底及掩埋有限长管线目标的混响抑制及空间分辨能力, 设计了系统的技术指标、使用方式、声探测基阵技术方案、硬件技术方案、信号处理流程、软件界面及软件处理流程, 归纳总结了文中设计的低频宽带多波束声呐系统特点, 在湖上完成了沉底有限长管线目标的试验验证。结果表明, 低频宽带多波束声呐能可靠并有效地探测沉底管线目标。

一种宽频带压电单晶换能器设计

刘一鸣, 田丰华, 宋哲, 王涛, 吕林夏

2020, 28(1): 107-112. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.015

[摘要](418) [PDF 473KB](381)

摘要:
为提高复合棒换能器的低频性能、工作带宽、发送电压响应和接收灵敏度, 文中以铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)压电单晶作为驱动元件, 利用匹配层技术拓展带宽, 设计了宽频带压电单晶换能器。利用有限元软件分别建立压电单晶换能器和相似规格的压电陶瓷换能器的有限元模型, 完成了对PMN-PT单晶材料性能的量化评估。水池测试表明, 利用PMN-PT单晶材料作驱动元件的宽带换能器与锆钛酸铅压电陶瓷PZT-4相比, 频率更低, 带宽更宽, 发送电压响应提高3~5 dB, 接收灵敏度提高1~12 dB, 可有效提高换能器的水声探测能力。

基于GA-KPCA的特征选择在水下目标识别中的应用

严良涛, 项晓丽

2020, 28(1): 113-117. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.016

[摘要](362) [PDF 494KB](177)

摘要:
水下辐射声场和水声信道的复杂性使得声呐接收的噪声信号相互耦合、调制畸变, 具有很强的非线性。文中利用核函数将原始特征空间的非线性数据映射至高维特征空间, 在高维特征空间进行主元分析(PCA)法提取特征, 并采用遗传算法(GA)对核参数进行优化, 形成了基于GA-核主元分析(KPCA)的水下目标特征选择方法。实际样本数据验证结果表明, 该方法在一定程度上弥补了传统线性PCA方法处理非线性数据的不足, 能够获得更高的识别正确率。

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2020年第28卷第1期

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