水下无人系统学报

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郭银景, 鲍建康, 刘琦, 屈衍玺, 吕文红

2020, 28(4): 351-358. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.001

[摘要](973) [PDF 356KB](386)

摘要:
针对目前在研究自主水下航行器(AUV)实时避障算法过程中出现的重点难点及研究趋势, 文中从动态障碍物、多约束与多目标以及海流干扰3方面分析了水下实时避障算法的研究难点, 然后从人工势场法、模糊逻辑法和智能仿生算法3个方面重点阐述水下实时避障算法的研究进展。对比3种避障算法的研究现状得知, 通过修正势场函数、引入AUV运动约束、考虑障碍物相对速度和复杂海流影响等, 使改进的人工势场法克服了陷阱问题、局部极小值和目标不可达等问题, 成为解决AUV实时避障问题的重点研究方向。在躲避动态障碍物方面, 多种避障算法融合将成为一种趋势; 在多约束与多目标问题中, 能耗问题尤为重要却很少被作为参数引入到避障算法中, 具有很大的研究潜力; 针对海流干扰问题, 多数避障算法仅考虑了水平方向的定常流或涡流, 因此考虑三维海流干扰也是未来水下实时避障算法的研究方向之一。

水下小目标中低频声散射特性分析及试验

赵德鑫, 沈同圣, 李秀坤, 金鑫, 陈迎亮

2020, 28(4): 359-369. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.002

[摘要](398) [PDF 4371KB](306)

摘要:
自主探测与识别水下小目标(水雷、爆炸物等)是自主水下航行器(AUV)的主要应用方式, 也是近年来水下无人系统智能化发展的一个重要方向。与传统的仅利用目标高频反向散射特性的探测方法相比, 双/多基地探测具有布阵灵活、抗干扰强、可获得的目标信息丰富等优点, 但如何利用目标中低频全方位的散射特性进行探测与识别还有待进一步研究。文中首先分析了水下目标的声散射机理, 介绍了利用AUV搭载的小孔径声呐, 采用双基地模式, 基于目标散射声场探测与识别水下小目标的方法; 然后基于COMSOL多物理场平台的有限元数值计算方法, 完成了多种频率的水下悬浮目标散射声场计算, 论述了利用中低频散射场的三维特性识别水下目标的可行性; 最后通过2种类型目标的散射声场采集水池试验, 初步论证了利用小孔径声呐采集与处理中低频水下目标散射声波是可行的。文中研究可为基于中低频声散射特性的检测和识别的进一步研究提供参考。

极地科考破冰船水下辐射噪声分析

黄嵘, 吴刚

2020, 28(4): 370-375. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.003

[摘要](319) [PDF 2431KB](201)

摘要:
极地科考破冰船在开展大洋和两极科学考察时, 一方面如常规科考船一样需尽量控制自身的辐射噪声, 以确保不影响探测设备的功能; 另外一方面要求尽量减少自身辐射噪声对海洋和两极生物生存发展的影响。然而尤其是高等级破冰强度的极地科考破冰船, 其所具备的特殊船型、大功率主机、高强度螺旋桨以及可能安装于船体外的全方位推进器都会给水下辐射噪声控制带来了极大的挑战。文中介绍了某极地科考破冰船项目水下辐射噪声的前期研究。首先比较了船舶水下辐射噪声相关标准, 分析了船舶水下辐射噪声的来源, 归纳总结了抑制水下辐射噪声的方法。然后针对某极地科考破冰船的水下辐射噪声进行了实船验证, 实测中采用多水听器方法, 将测得的辐射噪声数据与国外同类船进行对比, 初步分析了目前极地科考破冰船水下噪声特性。研究结果可为开展极地科考破冰船水下辐射噪声抑制研究提供理论参考。

波浪滑翔器水下牵引机抗扰动性能研究

桑宏强, 关海鹏, 孙秀军

2020, 28(4): 376-381. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.004

[摘要](289) [PDF 1112KB](314)

摘要:
针对波浪滑翔器因自身的弱机动性原因而导致的在受到洋流干扰时无法良好保持其原有航向的缺点, 以及单纯采用控制系统来提高其抗流干扰性能, 带来的因系统频繁操舵导致的平台功耗增加以及操纵系统磨损的不足, 文中以“海哨兵”波浪滑翔器为研究对象, 从结构层面通过计算流体力学(CFD)技术分析不同牵引机展弦比、翼间距、翼板展弦比和不同洋流方向下的水下牵引机在洋流干扰下的航行轨迹, 来进一步分析水下牵引机抗流干扰的结构特点, 得到了水下牵引机相关结构参数与抗扰动性能之间的关系。文中的研究可为水下牵引机结构优化设计提供依据及参考。

筒口气体喷射对水下航行器降载影响研究

程栋, 陈飞宇, 卢丙举, 秦丽萍

2020, 28(4): 382-388. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.005

[摘要](246) [PDF 1212KB](151)

摘要:
通过在筒口喷射燃气射流形成稳定气幕, 可降低水下航行器发射出筒载荷, 提供良好的弹道环境。文中针对筒口燃气射流流量及提前喷射对航行器出筒载荷的影响, 建立了非定常多相流场模型, 分析了筒口气体射流分布规律、航行器表面压力和弯矩载荷, 对比分析了不同喷射流量、喷嘴位置及提前喷射下的出筒降载效果。结果表明, 喷射燃气形成的气幕能够有效降低航行器出筒载荷, 增大燃气喷射流量、均衡布置喷嘴位置以及提前喷射等措施有益于提升降载效果。

壳体结构浅水湿模态数值仿真及试验

秦丽萍, 胡会朋, 李治涛, 赵世平

2020, 28(4): 389-395. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.006

[摘要](301) [PDF 1009KB](232)

摘要:
航行器壳体结构在浅水中的模态特征直接影响其出水动态响应的大小。文中基于声固耦合法建立了某水下航行器壳体结构浅水湿模态仿真模型, 采用零声压自由液面仿真方法分析了浸水深度变化对该结构湿模态特性的影响; 设计并搭建了该壳体湿模态试验系统, 用PolyMax法获取其湿模态特征信息。通过仿真与试验的对比分析, 结果表明: 仿真与试验结果吻合良好, 验证了湿模态仿真模型的有效性, 可用于浅水结构的湿模态分析; 在浅水条件下随着浸水深度的增加, 湿模态频率逐渐减小, 后趋于稳定; 湿模态阻尼比是干模态的2~8倍, 且随水深无明显规律。

水下声学滑翔机平台噪声测试与优化

王超, 韩梅, 孙芹东, 兰世泉

2020, 28(4): 396-402. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.007

[摘要](514) [PDF 835KB](231)

摘要:
为了提高水下声学滑翔机水中目标探测能力, 更好地开展矢量水听器在水下滑翔机上的应用, 文中通过在消声水池对现有“海燕-II”水下滑翔机进行的自噪声测试试验, 定量分析了4种不同工况下平台噪声对矢量水听器各通道接收信号的影响, 由试验结果可知: 水下滑翔机上集成的矢量水听器接收信号会受到严重的平台近场噪声干扰, 特别在500 Hz以下的低频段, 平台噪声对矢量水听器矢量通道的影响较大; 在40 Hz频点处, 由于航向调节机构工作对矢量水听器矢量通道具有最大58 dB的谱级升高。针对水下滑翔机平台噪声测量结果, 从5方面进行了减振降噪处理和优化, 测试结果表明, 平台优化后较之前由航向调节机构对矢量水听器产生的噪声干扰大幅降低, 但在200 Hz以下的低频段, 航向调节机构工作对矢量水听器矢量通道仍具有较大的噪声干扰。所得结论可为水下声学滑翔机在进行水中目标探测时的频率处理范围选择提供参考。

基于包络信号的轴频电场深度换算方法

靳雄, 姜润翔, 程锦房, 陈新刚

2020, 28(4): 403-409. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.008

[摘要](315) [PDF 756KB](197)

摘要:
在仅利用水平时谐电偶极子对舰船轴频电场信号进行换算时, 存在近场深度误差较大的问题。文中首先在仿真数据的基础上, 明确了船体表面不同位置电流密度与轴地电阻值波动时的变化规律; 其次, 提出了基于包络信号的轴频电场深度换算方法, 该方法在希尔伯特(Hilbert)变换计算轴频电场信号包络的基础上, 将轴频电场近场的深度换算问题转化为包络信号等效静电场的近场换算问题, 并利用点电荷模型建立了轴频电场信号包络在“空气—海水—海床”3层介质条件下的正演及反演模型。最后, 分别利用4种阴极防腐状态下的船模试验数据对所提方法的有效性进行了检验, 结果表明, 所提方法能够较好地实现对轴频电场信号包络值的准确换算, 以相对均方根误差作为评价准则, 水深为1倍船模宽度的换算误差小于15%。文中方法可为舰船近场的轴频电场反演提供新的途径。

水下地形辅助导航适宜地图分辨率的选取

徐振烊, 王鹏, 张静远

2020, 28(4): 410-419. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.009

[摘要](310) [PDF 2015KB](179)

摘要:
针对目前水下地形辅助导航用数字地图分辨率选取不明而制约导航性能发挥的问题, 根据某海域真实水深数据建立了水下地形数字高程模型; 借鉴误差传递思想, 基于递推贝叶斯理论和质点滤波理论,对小起伏和大起伏2种典型地形区分别从解析和仿真角度给出了地形辅助导航用适宜的地图分辨率; 然后,基于地形轮廓匹配(TERCOM)算法对不同地形下数字地图分辨率与匹配误差的定量关系进行了多项式回归分析, 进一步确定了适宜的地图分辨率。结果表明, 解析分析结果与数值仿真结果大致相当, 相互佐证了研究结果的合理性; 不同地形匹配区对适宜分辨率的要求不同, 小起伏区和大起伏区适宜地图分辨率参考范围大致分别在13 m和25 m左右, 大起伏区对地图分辨率的要求较小起伏区低; 数字地图分辨率与匹配误差关系近似服从多次曲线变化规律。研究成果可为水下地形辅助导航中数字地图制作、分辨率选取及水下测量工作提供相关参考。

基于逆向解算的领航AUV导航数据后处理方法

董权威, 岳才谦, 王奥博, 王亭亭

2020, 28(4): 420-427. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.010

[摘要](303) [PDF 433KB](179)

摘要:
由于多自主水下航行器(AUV)协同导航系统在水下长时间工作时, 领航AUV无法接收外界信息, 其定位误差会逐渐发散进而影响整个系统的定位性能。针对该问题, 文中提出一种基于捷联惯导系统/多普勒计程仪(SINS/DVL)和SINS/DVL/全球定位系统(GPS)组合导航相结合的领航AUV导航数据后处理方法。领航AUV在水下采用SINS/DVL组合导航方式对导航数据进行正向解算, 并保存其在水下航行过程中产生的导航信息。领航AUV出水后接收GPS信号, 同时采用SINS/DVL与SINS/DVL/GPS 2种导航方式进行独立滤波, 滤波结束后逆向解算出领航AUV在水下累计的定位误差, 通过结合正向和逆向解算出的结果, 使领航AUV在水下累计的定位误差得到有效修正, 进而提高多AUV系统的整体定位性能。最后通过仿真对该方法的可行性与有效性进行了验证。该方法可用于海底地形扫描、海图绘制与水下探测等领域, 可进一步提升多AUV系统采集的水下任务数据的位置精度, 提高数据的准确性与实用性。

一种改进的水下无线传感器网络聚合签名方案

华国新

2020, 28(4): 428-433. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.011

[摘要](287) [PDF 456KB](185)

摘要:
水下无线传感器网络(UWSN) 是由动态连接节点组成的网络, 其特点为构建战场信息网提供了有利保证。但UWSN数据中心需要对收到的节点消息进行快速验证, 并保证消息不被篡改, 同时保护节点身份和位置的私密性。现有的UWSN采用聚合签名方案实现了消息的快速签名并保证了消息的完整性, 但需要较复杂的模幂运算, 导致了计算复杂度增加, 计算开销提高。针对此问题, 文中提出了一种不使用模幂运算的聚合签名方案, 该方案中信任机构和私钥生成中心根据节点提交的身份标识字符串生成节点临时密钥, 节点利用其临时密钥生成节点假名集、私钥和公钥, 并通过节点假名集和私钥对发送的消息进行签名, 数据中心将收到所有的签名消息进行聚合, 并利用节点公钥对签名进行验证。在计算椭圆曲线离散对数难题(ECDLP)和随机预言机模型假设下, 该方案被证明能够抵抗适应性选择消息攻击和ID攻击下的存在性伪造。与其他传统签名方案相比, 在完成消息快速签名及认证的同时, 该方案具有更高的计算效率, 并且能够保护节点的身份和位置的私密性。

吊放声呐扩展螺旋阵搜潜效能评估改进方法

鞠建波, 郁红波, 范赵鹏, 杨少伟

2020, 28(4): 434-439. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.012

[摘要](309) [PDF 1129KB](194)

摘要:
针对反潜直升机吊放声呐搜潜效能评估过程中把探测范围等效成半径为定值圆的问题, 为了提高效能评估的逼真度, 文中以吊放声呐扩展螺旋阵数学模型为基础, 建立了吊放声呐探测距离模型。依靠射线声学理论模型, 以深海负梯度声速为例, 通过BELLHOP仿真得出了吊放声呐探测距离随温深曲线变化的关系, 发现吊放声呐的探测距离在真实情况下是随着声速梯度的变化而改变的。同时, 针对潜艇在逃逸过程中沿直线航行的问题, 建立了潜艇规避模型, 得出了潜艇规避仿真图。将探测范围等效成半径为定值圆的模型称为第1模型; 在第1模型的基础上引入吊放声呐探测距离随温深曲线变化模型, 称为第2模型; 在第2模型的基础上加入潜艇规避模型, 称为第3模型。使用蒙特卡洛方法对3种模型分别仿真5 000次, 结果表明, 加入射线声学理论探测距离模型和潜艇规避模型后, 搜潜效率大大降低。文中方法对提高吊放声呐阵型搜索效能评估逼真度具有一定的军事意义和参考价值。

水下滑翔机半实物仿真系统设计与实现

潘昊东, 王志光, 刘纯虎, 连琏

2020, 28(4): 440-445. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.013

[摘要](371) [PDF 1070KB](177)

摘要:
为提高水下滑翔机的研究开发效率, 降低研发成本, 文中设计了一种水下滑翔机的半实物仿真系统。该系统首先仿真水下滑翔机水下运动时的运动状态及水下环境等信息, 然后将其送入水下滑翔机的主控系统, 主控系统输出对应的控制信息, 再经由仿真系统采集处理后送入系统管理软件保存, 方便用户对控制过程进行分析处理。最后, 主控系统通过RS232串口将数据上传到数据接收处理软件, 以仿真水下滑翔机与岸站的通信过程。通过相关测试可知, 文中设计的半实物仿真系统可高效完成水下滑翔机控制系统、通信系统等的工作任务, 满足设计要求, 显著降低了研发成本, 具有理想的应用前景。

电动力水下航行器电池组温度场仿真

杨威, 胡欲立, 刘鸿瑨

2020, 28(4): 446-451. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.014

[摘要](309) [PDF 3335KB](150)

摘要:
电动力水下航行器航行中, 电池组存在因散热不利而导致升温迅速, 电池性能下降甚至发生爆炸等热安全问题。文中基于电化学-热耦合模型对水下航行器在多航速下的电池温度场进行热分析研究, 应用有限元分析软件建立了18650型三元锂离子电池的电化学-热耦合模型, 通过实验验证了模型的精确性, 并对某型50 kg级水下航行器电池组的温度场进行仿真计算, 获取电池组在不同工况下的温度分布。结果表明, 该电池模型能精确预测电池在放电过程中的温度变化; 水下航行器电池组在工作时温度随航速增大而升高; 并确定了在3种工况下的温度变化范围及最高温度位置。文中研究可为水下航行器电池组的热分析提供参考。

热动力水下航行器润滑系统建模与仿真

曹浩, 屈明宝, 王祎, 李育英, 赵丽刚, 汤田

2020, 28(4): 452-455. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.015

[摘要](259) [PDF 315KB](137)

摘要:
随着水下航行器航速不断提高, 航程不断增加, 其润滑系统的重要性日益凸显。文中介绍了一种热动力水下航行器润滑系统流动与传热的仿真方法, 对其润滑系统进行了一维建模, 对发动机在高、低转速工作时的润滑系统进行了仿真。流量分配的计算结果与试验数据的对比显示, 流量误差在30%以内, 可满足工程应用需求。换热仿真结果说明, 发动机无论是高转速启动还是低转速启动, 滑油温度都需要200 s左右时间才能达到平衡状态, 其平衡温度在润滑油正常使用温度范围内。

鱼雷供电系统电磁兼容性研究与设计

潘进, 王凯国, 亢凯, 吴斌

2020, 28(4): 456-460. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.016

[摘要](296) [PDF 423KB](189)

摘要:
针对鱼雷研制初期供电系统电磁兼容性超标问题, 通过分析鱼雷供电系统的组成及其电磁特性, 研究供电系统对雷内电子系统产生电磁干扰的原因和传输途径, 采取抑制电磁干扰的设计措施, 并进行试验对比验证, 试验结果表明, 传导和辐射干扰均被抑制在国军标所规定的极限线以下, 满足总体性能要求。

基于交汇摄影的海上打靶偏差测量方法及应用

侯宝娥, 唐恒, 杨绪升

2020, 28(4): 461-466. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.017

[摘要](259) [PDF 465KB](178)

摘要:
落点偏差是评价枪炮类武器打击效果的重要参数之一。海上试验武器落点偏差测量一般采用高空摄影定位法, 需直升机或无人机搭载测量设备, 并由测量船在武器预定落区布放若干辅助浮标, 才能完成参数测量, 该方法组织实施难度大、测量风险高、费用高。综合考虑各种因素, 针对某些目视范围内的海上打靶落点偏差测量, 文中提出一种依据交汇摄影原理的测量方法, 推导出同平台双位置摄影测距算式, 并经实验测试数据验证了方法的正确性。通过海上试验, 证明了该方法的可行性和实施便捷性, 且该测量方法不需要额外的测量平台辅助, 动用兵力少, 节约了试验经费, 可为同类型海上试验或海上射击打靶训练考核提供参考。

基于FEKO软件的鱼雷壳体屏蔽效能仿真

王凯国, 张静, 拓勇, 吴斌

2020, 28(4): 467-470. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.018

[摘要](287) [PDF 932KB](171)

摘要:
鱼雷产品暴露在舰船甲板上时, 处于高强电磁辐射场中, 为保证雷内火工品的安全性, 防止其不被意外点火, 雷壳的电磁屏蔽效能非常重要。文中采用FEKO软件内置的矩量法(MOM)建立鱼雷壳体模型, 对鱼雷壳体的电磁屏蔽效能进行了数值仿真, 分析了壳体屏蔽效能随频率和结构的变化趋势, 得出在谐振频率点附近, 屏蔽效能表现恶劣; 随着缝隙数目的增加, 屏蔽效能越差。文中所做研究工作为鱼雷产品壳体屏蔽效能的测试和改善提供理论依据。

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2020年第28卷第4期

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