水下无人系统学报

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刊首语

2023, 31(4): 509-509.

[摘要](90) [HTML全文] (32) [PDF 224KB](29)

摘要:

热烈祝贺水下无人系统前沿科技论坛暨《水下无人系统学报》三十年刊庆大会顺利召开

2023, 31(4): 660-660.

[摘要](93) [HTML全文] (53) [PDF 580KB](29)

摘要:

基于UUV的目标非声探测技术发展及趋势分析

李阁阁, 贾世鲲, 赵海侗, 兰世泉, 孙通帅, 杨绍琼

2023, 31(4): 510-520. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0060

[摘要](535) [HTML全文] (70) [PDF 2666KB](189)

摘要:
以自主水下航行器、水下滑翔机等为代表的无人水下航行器(UUV)在水下目标探测方面, 具有成本低、隐蔽性好、机动性高、灵活组网部署易等优势。随着消声技术的发展和成熟化应用, 潜艇等大型水下航行器的自噪声已接近海洋背景噪声, 单一依靠声波信息进行水下目标探测的技术已不再具有普适化优势, 光、电、磁等非声探测技术已逐步显示出优越性。发挥UUV的航行优势, 搭载光、电、磁等非声探测传感器, 开展目标发现的尝试已逐步成为新的发展和应用方向。文章在分析总结当前UUV已搭载的非声探测传感器的种类、原理和应用情况的基础上, 指出了磁异探测、激光探测、电场探测、重力梯度探测和生物探测等主要研究方向和进展, 归纳了当前基于UUV开展非声探测的关键技术问题和技术难点, 并对发展方向进行了展望, 为非声探测技术的提升提供一定的借鉴。

潜艇非声探测技术综述

刘腾蛟, 王丹, 刘金国

2023, 31(4): 521-526. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0054

[摘要](866) [HTML全文] (346) [PDF 969KB](288)

摘要:
传统声学探潜技术由于作战环境的复杂化已逐渐受限, 与此同时, 非声探潜技术的重要性日益展现。文章分别介绍了磁异探潜技术、激光探潜技术、尾流探潜技术、电场探潜技术以及红外探潜等其他非声探潜技术, 详细描述了各种非声探潜技术的优势及其局限性, 并对非声探潜技术的发展趋势进行了展望, 旨在为研究非声探潜技术提供有益参考。

水下电场测量技术研究综述

陈凯, 罗贤虎, 苏建业, 孙珍, 田稷, 邓显明

2023, 31(4): 527-544. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0070

[摘要](415) [HTML全文] (317) [PDF 4948KB](154)

摘要:
水下电场具有场源复杂、动态范围大、频带宽的特征, 高精度观测难度大, 对观测方式、测量传感器、仪器装备和信号处理方法均提出了较高要求。水下电场测量技术广泛应用于水下目标探测、地球物理勘探、深部地质构造研究和物理海洋等多个学科领域。文中简要回顾了水下电场测量技术发展历程; 总结了国内外研究现状; 归纳了水下电场测量技术研究中的关键问题与难点; 综述了水下电场测量技术相关设备、平台和信号处理方法; 分别列举了在水下目标探测、地球物理勘探、深部地质构造研究和物理海洋观测等多个学科领域代表性的应用案例; 分析了当前水下测量技术存在的问题与不足; 在此基础上展望了技术发展前景, 提出了部分建设性建议。

舰船腐蚀相关静态电场水下电位特征研究

杨鹏程, 杨靖浩, 姜润翔

2023, 31(4): 545-551. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0056

[摘要](167) [HTML全文] (81) [PDF 4427KB](34)

摘要:
为深入分析舰船静电场信号特征, 在船模试验和海上平面电位测量阵列实测数据的基础上, 对舰船腐蚀相关静态电场水下电位特征进行研究。首先根据船模试验分析了阴极保护系统工作下的舰船静电场信号特征, 发现阴极保护系统对静电场信号的量级影响较大; 其次对海上实测数据获得的典型舰船水下电位信号进行时域和频域上的分析, 结果表明, 静电场能量主要集中在0~0.1 Hz频段内; 最后根据水下电位分布规律, 发现以12 dB作为检测门限时, 在240 m以浅深度, 相邻传感器之间的距离不大于320 m时, 传感器阵列才能准确探测水面等效源强度为10 A·m的舰船电场。

低温海水环境船舶典型材料电化学特性研究

周彤, 余定峰, 郑攀峰, 杨帅

2023, 31(4): 552-558. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0058

[摘要](94) [HTML全文] (42) [PDF 2262KB](29)

摘要:
船舶金属材料在海洋环境中的电化学特性是船舶电场特性产生过程中的重要影响因素, 长期以来, 国内多聚焦于常温海水环境下的金属材料电化学性能研究, 对低温海水环境下的金属材料电化学特性研究较少。文中针对3种典型的船舶主体材料, 开展了不同温度及盐度影响试验, 对比分析其在低温海水环境下的极化电位、极化曲线及极化电阻, 总体结果表明金属材料的开路电位随海水温度的降低而增大, 自腐蚀电位随着海水温度的降低而正移, 随着海水温度的降低溶解活化程度变低。文中工作可为进一步研究电场特征控制和分析评估提供基础理论参考。

极低频水下磁场特性研究与应用分析

岳瑞永, 姜楷娜, 邬远哲, 赵哲

2023, 31(4): 559-567. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0065

[摘要](369) [HTML全文] (112) [PDF 5088KB](102)

摘要:
极低频水下磁场主要源于舰船桨轴旋转等因素, 在海洋环境中具有线谱特征明显、传播距离远、与船舶运动特征关联性强的特点, 可作为非声探测的特征信源。研究极低频水下磁场模型、传播与空间分布特性, 对推动极低频磁场探测应用具有重要价值。轴频磁场是极低频水下磁场的重要组成部分, 文中重点分析了轴频磁场产生机理, 建立了腐蚀电流内调制轴频磁场时谐偶极子模型, 仿真计算了轴频磁场在海洋环境中的传播特性和空间分布特性, 初步给出了轴频磁场衰减规律, 通过可控模拟源海上试验对建立的偶极子模型进行了验证。研究结果表明: 水平时谐电偶极子产生的轴频磁场在海底平面上横向分量能量最大, 垂直分量次之, 纵向分量最小, 同时轴频磁场具有一定的指向性分布, 综合利用水平分量和垂直分量进行探测可有效弥补单一分量探测盲区; 浅水环境中水平时谐电偶极子产生的轴频磁场存在多路径传播特性, 在近区以直达波和反射波为主, 在远区则以海面直达波为主; 轴频磁场频率特性与船舶的转速、桨叶数相关联, 可作为目标辨识的有效特征。上述结论可为极低频磁场探测识别提供支撑。

基于EEMD和DWT的弱磁异常信号提取方法

宁文茜, 王艳华, 樊黎明, 张晓峻, 谢志臻

2023, 31(4): 568-574. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0069

[摘要](242) [HTML全文] (59) [PDF 1222KB](71)

摘要:
磁异常信号中蕴含着丰富的目标特征信息, 是开展目标定位与识别的基础。然而, 目标的磁异常随着探测距离快速衰减, 使得远距离目标的弱磁异常信号通常埋藏在磁噪声中。针对低信噪比下弱磁异常信号的获取问题, 提出基于集合经验模态分解(EEMD)和离散小波变化(DWT)的弱磁异常信号提取方法。首先, 采用EEMD将弱磁异常信号分解为信号域磁信号和噪声域磁信号。随后, 利用DWT的近似系数表征低频信号的特性, 获取噪声域磁信号的低频信号。最后, 将信号域磁信号与噪声域的低频信号进行叠加, 从而获得弱磁异常信号。为了验证该方法的有效性, 开展仿真实验和外场试验。结果表明: 该方法能够有效地抑制背景磁噪声, 提取目标弱磁异常信号, 可为远距离目标的定位与识别提供有效的磁异常数据。

磁探拖体的磁补偿参数地面校准方法

韩琦, 李尤, 薛奇, 乔治, 王琛, 佟晓筠

2023, 31(4): 575-581. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0059

[摘要](186) [HTML全文] (43) [PDF 4156KB](54)

摘要:
磁探拖体可用于水中、空中拖曳式磁场测量, 尽管拖体中没有动力系统, 但是仍然有显著的磁场干扰存在, 因此也需要进行磁干扰补偿, 但拖体自身不具有机动能力, 无法通过类似航空平台的机动校准方法进行磁补偿参数的求解。文中针对这一问题提出了一种适用于磁探拖体的磁补偿参数地面校准方法, 设计了地面磁补偿校准装置, 对实施场地的磁场环境进行了一定约束, 在与航空磁补偿参数校准方案等效性分析的基础上, 设计了适用于磁探拖体的地面校准方法, 并开展了实际环境下的地面校准试验和动态噪声试验验证。试验结果表明, 该方法针对拖曳式磁测装置的磁补偿参数校准具有良好的效果, 磁补偿参数质量可以和航空平台磁补偿参数相当, 试验中磁补偿校准改善比大于16。

磁梯度张量不变量约束条件下的两点定位方法

迟铖, 王丹, 于振涛, 余路, 秦锋, 祝尚明

2023, 31(4): 582-587. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0055

[摘要](160) [HTML全文] (50) [PDF 1034KB](36)

摘要:
文中针对单点磁梯度张量定位方法受地磁场估计误差影响较大, 同时多点磁梯度张量定位方法容易陷入局部最优解等问题, 提出一种两点磁梯度张量定位方法。该方法在单点磁梯度张量定位算法的基础上, 采用两点磁梯度张量测量数据, 叠加张量几何不变量的约束条件, 构建关于目标位置坐标的非线性目标函数, 采用基于自然选择的粒子群算法对目标位置坐标进行求解。仿真实验表明, 文中提出的方法受地磁场估计误差影响较小, 且能实现对全局最优解的搜索, 定位精度较高。仿真分析不同系统基线长度和磁力仪灵敏度条件下文中方法对磁性目标的定位效果可知, 当系统的基线长度越大, 磁力仪的灵敏度越高, 磁性目标定位误差越小。

船舶水下典型物理场低频线谱特征相关性研究

姜润翔, 王嘉睿, 朱岿, 张伽伟

2023, 31(4): 588-592. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0057

[摘要](239) [HTML全文] (130) [PDF 1617KB](67)

摘要:
为了研究水下典型物理场低频线谱的特征和相关性, 首先研制了集声场、电场、磁场和压力场测量功能于一体的水下联合测量装置; 其次在某海域完成了海上试验, 获取了30余艘不同目标的水下物理场信号; 最后基于实测数据分析了典型船舶声场、电场、磁场、压力场100 Hz以下频段低频线谱特征的相关性。分析结果表明: 低频压力信号与低频声场的线谱特征具有强相关和共源特性; 低频声场、压力场的线谱与低频电场信号的线谱在部分频点存在相关性和共源性, 这为基于水下物理场联合探测与识别目标提供了新的思路。

基于自适应傅里叶分解的船舶轴频电磁场信号提取

徐震寰, 吴永飞, 裴建新

2023, 31(4): 593-599. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0049

[摘要](217) [HTML全文] (75) [PDF 2618KB](46)

摘要:
船舶轴频电磁场是水面船舶及水下航行器非常关键的特征, 然而由于静态电磁场的存在, 大大降低了轴频电磁场的信噪比。为实现低信噪比情况下微弱轴频电磁场信号的有效检测, 文中提出一种基于自适应傅里叶分解的信号提取方法, 可以将复杂非平稳信号自低频到高频自适应地分解为一系列具有瞬时频率的单分量之和的形式。通过分别处理仿真和实测数据, 结果表明, 该算法能够克服短时傅里叶变换、小波变换及经验模态分解等方法的缺点, 可快速有效地提取到轴频电磁场信号, 进而为后续船舶及水下航行器的定位追踪提供参考。

水下实时综合电磁探测系统设计

陈家林, 徐灏, 袁奕博, 刘兰军, 连波超

2023, 31(4): 600-606. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0068

[摘要](193) [HTML全文] (42) [PDF 1661KB](63)

摘要:
针对目前水下目标电磁探测系统探测物理量单一、实时性差、综合适应能力弱等问题, 文中采用超低噪声信号检测和放大、自动增益控制等技术, 研制了一套水下实时综合电磁探测系统, 实现了高精度、宽动态范围的电磁信号采集、存储及网络实时传输。实验室环境测试验证了该系统具备电磁场信号的高精度采集和实时传输能力, 电场通道本底噪声为2 nV/$\sqrt {{\text{Hz}}} $@1 Hz, 磁场通道本底噪声为0.12 μV/$\sqrt {{\text{Hz}}} $@1 Hz, 网络实时传输速率为6.32 MB/s。

基于航空瞬变电磁法的水下高导体探测方法

李丁山, 屈文璋, 许诚, 栾晓东, 孙溥, 姚斌, 冉启顺, 潘笑, 卓贤军, 郭锐, 闫建峰

2023, 31(4): 607-613. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0063

[摘要](234) [HTML全文] (52) [PDF 2008KB](44)

摘要:
随着声、磁隐身技术的快速发展, 主流的声探测和被动磁探测效能大幅降低。经典的航空瞬变电磁法凭借主动探测、对高导体敏感及探测速度快等优势, 在水下高导体目标探测领域极具潜力。文中从航空瞬变电磁法原理出发, 基于圆形中心回线装置形式求得时间域垂直磁场响应公式, 通过构建海水—高导电层—海水—海底岩石层状模型, 研究了不同目标层深度及不同收发高度下一维模型中垂直磁场响应特征; 并基于三维时域有限体积法对水下高导长方体进行正演计算, 获得接收线圈中心处dBz/dt的衰减曲线。一、三维仿真结果均表明: 当海水中存在高导电率目标体时, 其垂直磁场响应特征与无目标存在时有明显差异。反演成像中, 利用高斯白噪声合成不同信噪比的仿真数据, 结合OCCAM反演算法对水下目标体进行一维计算, 对比不同信噪比下水中目标检测效果。结果显示: 当信噪比大于等于10 dB时, 水中存在的高导电层可以被有效检测; 当达到40 dB时, 高导电层的深度及厚度信息也有较好地判断。最后, 在40 dB的信噪比下, 将高导电层电阻率值按比例减小, 发现该方法仍对目标层的深度信息有明显的反应。综合以上正演及反演计算过程, 有效验证了该方法在水下高导体探测领域的可行性。

海洋生物水下原位监测技术及其在偏振维度的信息拓展

柯剑寒, 岳钧百, 程雪岷, 毕洪生

2023, 31(4): 614-623. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0067

[摘要](229) [HTML全文] (30) [PDF 1903KB](41)

摘要:
监测监管海洋环境并合理开发利用海洋自然资源需要先进的观测手段。海洋光学技术作为一种具有高时空分辨、高通量数据采集能力的成熟化信息感知方式, 在海洋科学研究中具有重要的作用。面向偏振光学的研究扩充了传统光学成像及测量技术的信息模态, 目前已在海洋观测及其以生态学为代表主题的衍生领域展开了大量的研究应用。文中基于海洋环境观测和海洋生物观测2个方面重点回顾了偏振光学技术在其中的研究进展, 一方面, 偏振光学辅助了复杂物理过程和环境理化性质的深入解析; 另一方面, 偏振光学在生物观测领域实现了成像维度拓展、特异性目标检测和生物理化特性感知等增量功能。同时对偏振光学成像及测量方法的模型进行了系统介绍, 并结合研究团队在水下原位生物监测领域开展的系列工作, 展望了引入偏振光学实现新一代实时在线监测系统的应用前景。

基于Mueller矩阵的水下偏振成像方法

韩平丽, 范颖颖, 杨波, 刘飞, 邵晓鹏

2023, 31(4): 624-632. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0080

[摘要](220) [HTML全文] (34) [PDF 5845KB](38)

摘要:
水下偏振成像技术利用目标信息光与背景散射光的偏振特性差异实现清晰成像, 在水下目标探测和识别等领域有重要价值。但多材质目标表面反射情况和退偏效应存在差异, 无法有效提取上述偏振特性差异。针对这一问题, 文中提出一种基于Mueller矩阵的水下偏振成像方法。利用Mueller矩阵探测水下场景中的光强信息以及目标物与水体的偏振信息, 精确求解浑浊场景中目标物与背景散射光的偏振度信息, 结合传统水下成像技术构建基于Mueller矩阵的水下偏振成像方法, 有效分离目标信息光与背景散射光, 提升成像质量, 实现水下多材质目标物的清晰重建。

基于荧光动力学的海洋初级生产力快速原位传感技术

殷高方, 赵南京, 董鸣, 马明俊, 甘婷婷, 覃志松, 王翔, 黄朋, 胡翔

2023, 31(4): 633-639. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0072

[摘要](123) [HTML全文] (38) [PDF 3523KB](20)

摘要:
海洋初级生产力(GPP)是海洋生态系统物质循环和能量流动的基础环节, 是评价海洋生态环境状况的重要指标之一。传统GPP测量方法操作过程繁琐、测量周期长且时效性差。文中围绕海洋GPP快速监测需求, 以叶绿素荧光作为浮游植物光合作用过程探针, 研究了多波段可变光脉冲诱导荧光动力学技术, 研发了海洋GPP快速原位传感器, 并在北极、黄渤海和南海等海域开展了海试应用, 获取了我国黄海近海、渤海湾、南海岛礁周边, 以及太平洋及北冰洋部分海域表层海水的GPP空间分布情况, 为海洋生态环境监测和科学研究提供了大量实时观测数据。海试结果表明, 基于多波段可变光脉冲诱导荧光动力学技术能够快速准确地获取GPP, 可作为海洋生态环境调查和海洋碳汇评估的先进技术手段。

基于单目相机的深海微地形地貌高精度三维重建

曹又文, 刘庆省, 魏自浩, 张喜林, 孙治雷, 卢泽宇, 郭金家

2023, 31(4): 640-647. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0081

[摘要](214) [HTML全文] (41) [PDF 6547KB](70)

摘要:
在深海矿产资源勘查和极端环境探测中, 利用光学相机搭载水下移动平台获取海底的光学影像资料成为当前深海精细探测的重要方式。文中针对深海微地形地貌的高精度探测需求, 开展了基于单目相机的深海微地形地貌高精度三维重建方法研究。通过水下遥控航行器搭载的单目相机, 获取了我国海域水合物赋存区的大量图像, 基于此, 利用运动恢复结构方法建立了典型海域内沙波区、碳酸盐岩区和冷泉区的海底三维模型, 精细刻画出区域内的地形地貌特征和生物生态信息。研究结果表明, 文中方法可为深海表生矿产资源勘查和极端环境探测提供重要支撑。

不同颜色照明下的水下成像差异研究

孙杰, 王红萍, 张丹, 余义德

2023, 31(4): 648-653. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0046

[摘要](146) [HTML全文] (23) [PDF 1641KB](41)

摘要:
针对低照度、浑浊水质环境中水下成像系统观测能力受限的问题, 从辅助照明光源的角度, 设计了水池实验方案, 分析不同浑浊程度的水质条件下光源光谱特性对水介质散射特性的影响。实测数据分析表明, 不同颜色的辅助光照明下, 水体的散射系数存在差异, 低浓度的水体对蓝光的散射系数较大, 蓝光照明的成像效果并不理想, 而随着浓度增加, 红光的散射系数逐渐接近甚至大于蓝光。研究结果不仅有助于优化水下成像系统中照明光源的参数设置, 而且能够为去散射方法的应用, 以及获取高质量的水下观测视频提供强有力的技术理论支撑。

蓝绿光通信在无人水下航行器组网中的应用

聂文超, 李怀亮, 魏佳广, 张西伟, 李鹏, 冯晓伟, 廖佩璇, 李广英

2023, 31(4): 654-659. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0038

[摘要](271) [HTML全文] (110) [PDF 2420KB](93)

摘要:
未来无人水下航行器(UUV)的集群化发展, 对水下高速可靠的通信网络提出了迫切需求。水信道在可见光中存在低损耗窗口(波长为450~570 nm蓝绿光), 水下光通信在中近距离上可实现大容量数据的高速、隐蔽传输, 已成为水下通信研究热点之一。文中介绍了基于水声通信和无线光通信的UUV组网通信技术现状, 着重介绍了水下蓝绿光通信的研究进展和工程应用水平, 提出了基于激光二极管窄束长距离激光通信和发光二极管准全向光通信的水下移动式局域组网方案, 能够提高UUV的信息共享能力, 可为水下察打一体观测网和水下末端突防系统的研制提供技术支撑。

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2023年第31卷第4期

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