水下无人系统学报

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2024, 32(4): 591-591.

[摘要](103) [HTML全文] (41)

摘要:

商志刚, 张红玉, 刘凇佐, 乔钢, 于涵, 苗柏露, 马璐, 王哲

2024, 32(4): 592-610. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0115

[摘要](595) [HTML全文] (183) [PDF 2013KB](237)

摘要:
伴随着人们对空中与海洋之间实时通信和数据传输需求的日益增长, 研究稳健可靠的空海跨域通信技术非常重要。但是, 由于空气与海水2种介质的不同特性以及恶劣环境的影响, 使得空海跨域通信信道复杂多变, 平稳地穿过空-水界面面临重大困难。为了更好地了解空海跨域通信技术发展脉络, 文中对目前空海跨域通信研究进行了梳理与总结, 全面阐述了其工作环境及通信技术发展情况, 并将其分为空海跨域链路级直接通信和空海跨域中继通信两大类, 而后分别从研究现状、面临困难、拟解决方法等方面对其进行详细总结及分析。最后, 讨论了未来研究方向。文中所做研究可为带动空海跨域通信技术的发展提供助力。

基于超材料的水声通信综述

周萍, 贾晗, 杨军

2024, 32(4): 611-620. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0103

[摘要](423) [HTML全文] (143) [PDF 1991KB](146)

摘要:
近年来, 声学超材料作为一种新型人工复合材料, 凭借其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。文章综述了利用超材料实现水声通信的研究进展, 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声通信, 以及水-空跨介质声通信, 总结了其所涉及的关键技术, 并对当前基于超材料的水声通信所面临的挑战和前景进行了展望。

面向新型声波激励超低频天线的2FSK通信系统解调算法

张夏瑜, 张佳浩, 焦杰, 刘毅

2024, 32(4): 621-627. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0106

[摘要](155) [HTML全文] (49) [PDF 1615KB](44)

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二进制频移键控(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2FSK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。

波浪水槽中毫米波雷达跨介质通信实验研究

曾玉明, 张坤, 乐南燕, 宋春毅, 徐志伟

2024, 32(4): 628-636, 643. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0109

[摘要](264) [HTML全文] (113) [PDF 5836KB](50)

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。

基于PWM调制的激光致声空-水跨介质通信方法

陈英楠, 赵扬, 周志权, 曹逸飞, 张发祥

2024, 32(4): 637-643. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0019

[摘要](264) [HTML全文] (63) [PDF 2338KB](72)

摘要:
激光致声通信作为实现空-水跨介质无节点通信的关键技术, 其研究和应用日益受到关注。在高重复频率条件下, 传统的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而无法正常通信。针对此, 文中提出了一种采用基于脉宽调制(PWM)的新型激光致声通信方法, 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。

基于声学-光学体制的水-空跨介质通信算法

周志权, 赵兴康, 陈英楠, 黄金鑫, 赵扬

2024, 32(4): 644-649, 658. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0098

[摘要](311) [HTML全文] (84) [PDF 2625KB](76)

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到水平面的声信号衰减曲线, 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。

基于最优通信链路选择的跨域通信浮标系统

邢铭涵, 商志刚, 乔钢, 周锋, 聂东虎, 张通, 李天水, 谢佳轩

2024, 32(4): 650-658. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0113

[摘要](156) [HTML全文] (46) [PDF 2295KB](59)

摘要:
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, 文中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。针对该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, 以提高通信的可靠性, 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。

跨介质出水航行器水下信息获取技术发展与展望

张旭, 李万鹏

2024, 32(4): 659-667. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0044

[摘要](203) [HTML全文] (59) [PDF 5868KB](65)

摘要:
跨介质航行器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, 对航行器的稳定航行、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器试验中的目标定位、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航行器发展对水下信息获取技术提出的新需求, 展望了其体系化、多模化和数字化发展趋势, 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和技术上的参考。

基于元学习与强化学习的跨域自组织网络流量测量优化方法

宋健, 聂来森, 陶醉, 袁奇恩东

2024, 32(4): 668-677. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0094

[摘要](179) [HTML全文] (80) [PDF 1708KB](36)

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。

一种UAV-USV-UUV跨域协同时钟同步算法

于建宇, 林景胜, 闫敬, 曹文强, 张诗杭, 杨睍

2024, 32(4): 678-687. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0097

[摘要](307) [HTML全文] (60) [PDF 2551KB](75)

摘要:
随着海洋科学技术的发展, 水下任务更加强调跨平台系统的协作, 然而不同应用场景对时钟同步的要求不同, 由于水下通信的弱通信与高延迟, 对涉及多场景的异构系统, 需要新的同步方法。针对随机时延影响下的全网时钟同步问题, 文中提出了基于神经网络的无人机(UAV)-无人水面艇(USV)-无人水下航行器(UUV)跨域协同的时钟同步算法。首先, 考虑随机时延影响, 将USV时钟作为基准时钟; 其次, 通过递推滤波和神经网络对UAV时钟偏差进行校正; 最后, USV辅助UUV估计水下的长时延, 设计了神经网络算法估计时钟漂移和时钟偏移。通过仿真验证了上述算法的有效性。

基于云端软件定义水声的跨域通信系统

姚可星, 官权升, 谢佳轩, 赵昊, 王焱

2024, 32(4): 688-694. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0075

[摘要](234) [HTML全文] (65) [PDF 2069KB](66)

摘要:
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。针对该问题, 文中提出了一种基于云端软件定义水声(C-SDA)的跨域通信系统架构。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, C-SDA能够适用更高性能的均衡器, 使误码率得到显著改善。

一种面向任务的海空跨域网络路由协议

张皓波, 王彪, 韩兆越

2024, 32(4): 695-702. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0015

[摘要](306) [HTML全文] (84) [PDF 1552KB](71)

摘要:
海空跨域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共享相同的物理设施, 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, 但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, 该协议根据任务类型的不同, 调整转发因子的计算方式, 并以此为特定的任务类型选择最合适的下一跳节点。此外, 协议中还增加了预处理层来完成异构网络之间的通信。仿真结果表明, 与其他典型的协议相比, 文中所提协议能够根据任务的特定需求实现最优的传输策略。

基于模糊逻辑的水下光传感器网络机会式路由协议

沈睿, 郝继强, 付东民, 杨明, 韩硕, 岳鹏, 孙诚

2024, 32(4): 703-712. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0110

[摘要](115) [HTML全文] (60) [PDF 2112KB](25)

摘要:
水下无线光传感器网络相比传统声传感器网络具有高带宽、低时延等显著优势, 是实现水空跨域通信中水下数据高速实时传输的研究热点。但由于水下光节点的传输易受阻挡且节点需要指向对准等问题, 传统水下传感器网络路由协议不可避免地会出现路由空洞和冗余数据传输情况。针对上述问题, 文中提出了一种基于模糊逻辑的水下无线光传感器网络机会式路由协议。首先, 提出基于模糊逻辑系统的水下光信道链路评价算法, 结合水下复杂通信环境建模, 设计了路由度量指标的多因素融合评估; 然后, 基于实时链路评估数据设计节点, 数据转发概率和数据包保持时间的动态设定机制; 最后, 提出基于概率性的冗余抑制转发算法。仿真结果表明, 在典型海洋通信环境下, 所提路由协议可有效提高传输效率及减少端到端时延, 具有良好的网络动态适应性。

基于跨域信息同步的多基地主动定位方法

王永丰, 林晋美, 董雷, 邱赛

2024, 32(4): 713-717. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0085

[摘要](184) [HTML全文] (34) [PDF 1380KB](34)

摘要:
信息同步问题是多基地主动声呐系统应用的难点之一。现有研究和应用中通常假设接收站已知发射站脉冲发射时刻、声源空间位置信息以及发射波形参数, 能够据此计算回波声程并对目标进行定位, 同时获得回波信号时间处理增益, 但这些条件在实际中并不一定能满足。文中讨论了不同应用场景中信息同步面临的障碍和可能采取的方案; 然后针对收发站之间存在外部通信链路, 但链路不可靠或时延不确定的情况, 提出了一种利用跨域信息同步实现多基地主动定位的方法; 该方法利用直达波先于目标回波到达接收站这一基本物理规律, 接收站先通过外部链路获得发射站位置和波形参数信息, 并利用直达波到达时刻和站间距离估计发射时刻, 具有较高的工程可行性; 最后, 对影响时间和位置同步精度的因素以及由时空信息误差所引起的目标定位误差进行讨论和仿真分析。

基于短波天波传播的远海跨域浮标通信技术

肖龙忠, 张松, 刘振吉, 赵毅

2024, 32(4): 718-723. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0033

[摘要](220) [HTML全文] (71) [PDF 1046KB](44)

摘要:
由于短波天波传播受限于工作频率, 且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, 文中提出一种融合短波通信、水声通信与无人浮标特性的远海跨域浮标通信技术, 介绍了远海跨域传输浮标装置构成与工作原理，并设计了具体工作流程。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, 为远海跨域通信的发展提供一定的技术支撑。

一种低功耗跨域通信浮标系统设计

张睿

2024, 32(4): 724-729. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0035

[摘要](257) [HTML全文] (124) [PDF 1210KB](72)

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、长时隐蔽且载荷灵活等特点, 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, 通过该方式可避免潜艇等水下平台上浮通信的暴露性风险, 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和低功耗等特点, 并具有一定扩展性和良好的应用前景。

基于逃逸角的多ASV微分博弈协同围捕方法

杨惠珍, 李建国, 吴天宇, 王子江, 杨钧

2024, 32(4): 730-738. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0142

[摘要](184) [HTML全文] (95) [PDF 7890KB](59)

摘要:
针对多个自主水面航行器(ASV)围捕单个主动逃逸的对抗性目标问题, 利用微分博弈理论建立了多ASV协同围捕问题博弈模型, 在含有距离项的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(PSO)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PSO的微分博弈围捕算法的有效性。

基于深度学习的水下爆炸关键信号识别方法

周稹先, 洪峰, 许伟杰, 张涛, 陈峰

2024, 32(4): 739-748. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0146

[摘要](168) [HTML全文] (41) [PDF 1507KB](58)

摘要:
水下爆炸试验采集的数据量庞大并掺杂大量无用数据, 为保护数据不受爆炸的影响, 试验时需要优先将关键数据识别并存储。针对此, 文中提出一种将特征提取方法和深度学习模型相结合的关键信号识别模型, 以提升对关键信号识别的准确率。首先, 研究了不同预处理方法对水下爆炸加速度信号趋势项的去除效果, 并用实验证明小波包分解法、经验模态分解法和高通滤波法可较好地提升模型的识别性能; 其次, 为使提取的特征更有利于区分爆炸段与非爆炸段, 提出一种针对水下爆炸加速度信号的基于类间方差比的特征提取方法, 基于水下爆炸加速度信号数据可知, 相比于Log Mel特征, 文中提出的特征用K-means方法分类准确率提升约4.92%; 最后, 引入添加SE-Res2Block模块的ECAPA-TDNN模型, 该模型具有更好的识别准确率, 以文中提出的特征作为输入, 识别准确率达99.31%。

桥丝式电火工品感应电流及电磁安全性分析

朱晓楠, 潘进, 杨进候, 王凯国, 林小川

2024, 32(4): 749-756. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0134

[摘要](128) [HTML全文] (65) [PDF 2013KB](32)

摘要:
基于电磁场基本理论对桥丝式电引爆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。文中研究可为武器装备火工品安全防护提供参考。

基于无位置变载波频率的深海矢量推进电机控制方法

黄小燕, 刘亚兵, 谷宇杰, 张强, 王元奎

2024, 32(4): 757-764. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0129

[摘要](152) [HTML全文] (47) [PDF 2987KB](24)

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, 验证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。

解析法与模拟法相结合的鱼雷发现概率计算方法

代振, 闫勇, 沈湘钟

2024, 32(4): 765-769. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0128

[摘要](138) [HTML全文] (54) [PDF 934KB](28)

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。解析法计算速度较快, 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, 文中提出一种解析法与模拟法相结合的鱼雷发现概率计算方法, 首先基于模拟法求解参数遮盖区间, 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, 最后通过仿真验证了所提算法的有效性。

目标运动要素解算质量评价体系构建与评估

张洪瑞, 李斌, 程帅, 寇小明

2024, 32(4): 770-778. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0109

[摘要](103) [HTML全文] (36) [PDF 920KB](35)

摘要:
水面舰艇反潜作战过程中, 目标跟踪是其重要组成部分。目标跟踪过程中通过目标运动要素解算得到目标四要素信息, 并通过解算结果计算命中概率。目标运动要素的解算结果受战场情况、探测方式以及解算模型等多方面因素影响, 为将各个分离的单一因素关联起来, 文中从解算数据完整性、可用性、及时性以及准确性4个方面构建了一种目标运动要素解算质量评价体系, 以总偏差最小为目的将层次分析法和熵权法有效结合以确定指标权重, 经加权求和得到目标运动要素解算质量评估值, 并与命中概率仿真结果进行对比分析。仿真结果表明, 使用解算质量计算出的近似命中概率与实际命中概率误差小于9.2%, 文中构建的评价体系能有效将各个信息结合起来, 合理充分地表达命中概率, 有利于交战决策。

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