水下无人系统学报

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2024, 32(5): 779-786. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0094

[摘要](153) [HTML全文](31) [PDF 1631KB](66)

摘要:
随着水声对抗作战环境日益复杂, 未来水下作战的重点主要是智能水下无人系统的对抗与反对抗, 研究智能无人水下航行器(UUV)目标识别与反对抗能力对提高智能水下无人系统的整体作战效能具有重要意义。为了评估智能UUV目标识别与反对抗效能, 文中分析了影响系统效能的主要因素, 建立了系统效能指标体系, 并给出了评估模型; 运用主客观相结合的组合赋权方法确定指标体系的权重, 采用改进的逼近理想点法对智能UUV目标识别与反对抗效能进行评估, 评估结论可为UUV目标识别与反对抗系统设计与优化提供参考。

有机气泡光散射特性研究

董敏, 张建生, 闫林波, 焦贵金, 姚远

2024, 32(5): 787-793. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0116

[摘要](106) [HTML全文](55) [PDF 1163KB](31)

摘要:
为了更好地解释真实海洋环境中尾流的光散射特性, 探究在真实海洋环境中由于有机物薄膜引起的尾流气泡光散射特性的变化。文中基于Mie散射理论, 仿真了不同波长入射光时干净气泡, 以及被蛋白质膜和脂质膜包裹的有机气泡的散射光强分布、散射系数、散射相函数及偏振度。仿真结果表明: 干净气泡和2种膜包裹的有机气泡的散射系数均在2.025上下震荡, 且有机气泡的震荡幅值明显大于干净气泡; 当散射角为180°时,有机气泡的散射光强和散射相函数的值明显增大; 有机气泡可以增大散射系数震荡的幅值并增大背向散射强度。仿真结果可为实际海洋环境尾流探测提供理论与数据支撑, 也为海洋污染监测、水质勘探等提供现实依据。

基于液态金属型摩擦纳米发电的水下仿生触须传感器

李原正, 王天润, 关堂镇, 徐鹏, 王昊, 徐敏义

2024, 32(5): 794-800. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0125

[摘要](155) [HTML全文](136) [PDF 9648KB](104)

摘要:
为了提升水下机器人的机动性和适应性, 增强其感知周围环境的能力是必要的。受动物触须的毛囊结构启发, 文中将液态金属与摩擦纳米发电机相结合, 提出了一种基于液态金属的摩擦电触须传感器(LTWS), 在浑浊度高、视距低的水下环境中作为水下机器人光学与声学感知技术的补充, 提升水下机器人的信息感知能力。LTWS主要由碳纤维材料触须、硅胶囊套、触发器、记忆合金弹簧、传感单元及基座组成, 碳纤维触须的细微偏转会驱动触发器靠近并挤压对应方向的传感单元, 进而产生电信号。LTWS的感知信号与触须横向位移呈线性关系, 灵敏度可达7.9 mV/mm, 且触碰频率对输出信号的影响较小。LTWS丰富了水下机器人的感知手段, 为实现海洋信息感知提供了新的思路。

多船尾流磁异常特性分析与仿真系统设计

闫林波, 张建生, 董敏, 王程英, 焦贵金, 姚远

2024, 32(5): 801-807. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0117

[摘要](84) [HTML全文](18) [PDF 9892KB](25)

摘要:
为研究多艘舰船同时航行时尾流磁异常特性, 基于舰船尾流基本理论知识研究了舰船尾流的波形、速度以及感应磁场的分布, 得到了多船尾流感应磁场的变化特性和分布规律。以3艘舰船编队为例, 分析了舰船在运动过程中感应磁场分布及在 x、y方向上的磁场分布情况, 求解了3艘船同时航行时形成的尾流感应磁场分布特性, 并对各种舰船组合航行时产生的感应磁场异常情况进行分析。仿真所得实验结果符合现有测量结果。利用APP Design工具对多舰船尾迹磁异常特性进行仿真系统软件的开发, 该系统不仅能够准确、直观、快速地模拟设定3艘船型尾流在任意方向的磁感应强度大小和变化规律, 而且具有操作简便、节省成本的优势, 为舰船尾流实验提供了理论参考和更为有效的仿真平台。

基于多域属性表征解耦的水下图像无监督可控增强

周世健, 朱鹏莅, 刘厶源, 陈瀚

2024, 32(5): 808-817. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0165

[摘要](239) [HTML全文](81) [PDF 3699KB](81)

摘要:
水下图像无监督增强技术多面向特定失真因素, 对于水下多类失真图像适应性略显不足; 图像的内容属性(结构)会随风格属性(外观)迁移变化, 导致增强效果不受控, 影响后续环境感知处理的稳定性和准确性。针对这一问题, 文中提出一种基于多域属性表征解耦(MARD)的水下图像无监督可控增强方法。首先设计多域统一的表征解耦循环一致对抗变换框架, 提高了算法对多失真因素的适应性; 其次构建双编码-条件解码网络结构; 最后设计了MARD的系列损失, 提高了质量、内容、风格等属性表征的独立表达性和可控性。实验结果表明, 所提算法不仅可以消除水下图像的色差、模糊、噪声和低光照等多类失真, 还可通过线性插值的方式量化图像风格码对水下图像进行可控增强。

KCS船舶尾流感应电磁场仿真分析

兰青, 闫林波, 任斌斌

2024, 32(5): 818-822, 832. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0101

[摘要](64) [HTML全文](18) [PDF 2828KB](22)

摘要:
为了更系统地研究船舶在航行过程中引起的尾流感应电磁场, 文中以有限元法为基础, 利用磁流体力学、麦克斯韦方程组等电磁场和流体力学理论, 对KCS船舶尾流运动产生的感应电磁场进行仿真分析。结果表明: KCS船舶尾流感应磁场量级在可探测范围内有明显的分布规律; 尾流感应磁场在传播方向上存在极值, 其大小与测量位置相关; 尾流感应磁场先随距离增大到极值, 再沿传播距离方向逐渐衰减; 尾流电流密度沿传播距离方向逐渐衰减。文中的研究可为海洋电磁探测及船舶跟踪和定位等研究提供参考。

散射光补偿结合色彩保持与对比度均衡的水下图像增强

宁泽萌, 林森, 李兴然

2024, 32(5): 823-832. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0131

[摘要](152) [HTML全文](71) [PDF 3876KB](137)

摘要:
针对水下图像存在颜色偏差、对比度低及模糊等问题, 提出散射光补偿结合色彩保持与对比度均衡的水下图像增强方法。首先, 利用相对总变分模型分离图像结构层和纹理层, 其中, 设计基于RGB空间映射的补偿系数误差矩阵校正结构层色偏, 并通过滤波分离与融合增强纹理层, 以防止图像的初始特征丢失, 增强后的纹理层与结构层叠加得到第1层输出; 然后, 在对比度均衡模块中, 基于空间变换进行保色对比度限制自适应直方图均衡化, 进一步提高对比度和亮度; 最后, 将双层增强结构的结果图融合得到输出图像。通过在不同数据集上与其他算法进行对比, 验证文中方法在平衡色差, 增强细节和去模糊等方面均具有更好效果, 对水下无人系统视觉任务具有实际应用价值。

尾流气泡幕对激光的传输特性研究

焦贵金, 张建生, 闫林波, 董敏, 姚远

2024, 32(5): 833-838. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0093

[摘要](149) [HTML全文](83) [PDF 1570KB](46)

摘要:
舰船在航行过程中会产生尾流区域, 激光穿过气泡尾流区域时会发生散射现象, 通过对散射光的探测和分析, 能够实现检测与识别舰船的目的。文中研究了尾流气泡幕对激光传输特性的影响, 并利用光纤光谱仪探测了尾流气泡幕的光强变化。实验仿真了不同压强下的尾流气泡幕在距离水面5、15和20 cm, 气泡幕厚度分别为10、15 cm时的光强变化, 并探讨了前向散射和后向散射的光强随压强的变化情况。仿真实验结果表明, 随着压强的增大, 光强变化逐渐降低, 气泡浓度与半径也随之增大; 气泡浓度越大, 光强变化越小; 随着压强的增大, 前向散射光强逐渐呈线性降低, 而后向散射光强则会随之增大。

基于随机森林的水下声自导武器尺度目标识别特征寻优

邓剑晶, 石磊, 王晨宇, 刘礼文, 杨向锋, 杨云川

2024, 32(5): 839-845. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0081

[摘要](115) [HTML全文](85) [PDF 1189KB](35)

摘要:
水下声自导武器在进行水下尺度目标识别时, 通常需要从水下目标回波中提取不同维度特征, 并将其进行组合形成互补的特征集合以提高识别率。然而, 由于特征的应用场景不同, 将所有特征全部引入会导致特征集维度较高, 特征之间可能包含冗余信息, 导致识别难度增加。文中针对水下声自导武器主动识别问题中特征集维度高、需要进行选择的问题, 提出了一种基于随机森林的特征寻优算法。同时, 针对水下声自导武器主动回波数据量少且种类不平衡的问题, 在特征域采用合成少数类过采样技术。利用实航数据将文中方法选择的特征子集输入分类器进行测试, 结果表明, 该方法可获得较好的特征子集, 能够有效提高识别率。

基于GPA+CBAM的域自适应水下目标检测方法

刘麒东, 沈鑫, 刘海路, 丛璐, 付先平

2024, 32(5): 846-854. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0149

[摘要](213) [HTML全文](51) [PDF 2276KB](92)

摘要:
针对水下目标检测易出现域偏移而导致检测精度下降的现象, 文中提出了基于图诱导原型对齐(GPA)的域自适应水下目标检测方法。该方法通过区域建议之间基于图的信息传播得到图像中的实例级特征, 导出每个类别的原型表示用于类别级域对齐, 从而聚合水下目标的不同模态信息, 以此实现源域和目标域的对齐, 减少域偏移带来的影响; 同时添加了卷积块注意模块(CBAM), 使神经网络能够专注于不同水域分布下的实例级特征。实验结果证明该方法能够有效提高发生域偏移时的检测精度。

极地甚低频电磁波跨冰层传播衰减特性分析

张嘉雨, 冯士民, 窦高奇, 代晨鹏, 王臻, 王颢

2024, 32(5): 855-863. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0100

[摘要](54) [HTML全文](50) [PDF 3103KB](26)

摘要:
甚低频(VLF)电磁波由于其能够穿透海水的特性, 成为在极地海洋环境下进行跨介质通信的可靠方法。文中针对极地VLF电磁波在跨冰层传播问题, 建立了基于传输矩阵的多层介质传播模型。通过二端口网络等效电路方法, 研究了VLF电磁波在空气-冰层-海水中的衰减特性以及入射角度的影响。通过结合仿真和实地实验数据, 首次量化了在冰层中的VLF电磁波的场强衰减规律, 揭示了每米冰层厚度衰减不足1 dB的重要发现。同时评估了海冰对极地VLF通信的影响, 结果表明海冰对VLF电磁波的损耗较小, 不是影响VLF通信的主要因素。

基于移动长基线和导航误差修正的USV/UUV协同导航算法

焦慧锋, 叶琛, 王文初, 毛昭勇, 王银涛

2024, 32(5): 864-873. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0005

[摘要](98) [HTML全文](28) [PDF 4879KB](36)

摘要:
针对无人水下航行器长时间协同运动, 惯性导航误差累积增长的问题, 为减小USV/UUV之间相对导航误差, 提高UUV导航精度, 提出一种基于移动长基线和导航误差修正的无人水面艇(USV)/无人水下航行器(UUV)协同导航算法。该算法基于水声通信测距, 首先由UUV收集其与USV间相对距离信息, 计算相对导航误差修正量, 接着将修正量添加到USV当前导航位置中, 结合USV与UUV间的队形设置以及UUV自身低精度导航设备解算的位置, 最终实现对UUV累积的惯导位置误差修正。仿真结果表明, 在USV/UUV协同运动过程中, 通过对修正后UUV位置信息以及UUV惯导解算得到的位置量进行融合, 可显著提高UUV导航精度。

基于协方差矩阵拟合的小平台共形阵稳健波束形成技术

宫诗雨, 方尔正, 张家宁

2024, 32(5): 874-883. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0001

[摘要](165) [HTML全文](73) [PDF 1957KB](30)

摘要:
针对无人水下航行器等小尺度平台机动且阵列孔径有限条件下的稳健探测需求, 依据应用于小平台U形共形平面阵设计多种波束形成算法。分析快拍数、输入信噪比及导向向量误差等对波束形成方法稳健性的影响。虽然最小方差无畸变波束形成方法具有高阵增益的优点, 但其在存在基阵导向向量误差和协方差矩阵估计误差的条件下性能下降较为严重, 基于此提出了协方差矩阵拟合波束形成方法和双约束稳健最小方差无畸变响应波束形成方法, 并通过数值仿真分析与其他多种波束形成方法对比验证稳健波束形成方法应用于水下小平台共形阵的稳健性。最后在考虑阵元位置误差时通过消声水池实验对多种波束形成方法的实际性能进行进一步对比验证。

MEMS阵列数据融合及标定方法研究

阮卫, 黄海, 洪剑英, 秦斌

2024, 32(5): 884-890. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0140

[摘要](125) [HTML全文](40) [PDF 1428KB](25)

摘要:
针对微电子机械系统(MEMS)陀螺随机噪声大及零偏重复性差的特点, 对MEMS随机误差采用Allan方差分析其角度随机游走, 以Allan方差辨识值和加权最小二乘法设计阵列陀螺信息融合处理算法, 可有效降低角度随机游走, 且在静态和动态条件下均能实时响应真实角速率。对MEMS陀螺常值漂移, 结合惯性导航系统误差的可观测性设计两位置标定方案, 完成常值漂移的系统级标定。仿真结果表明, 文中所提方法可有效降低MEMS陀螺角度随机游走和陀螺常值漂移, 显著提升MEMS惯性测量精度。

基于类拉格朗日方程的UVMS动力学简化建模方法

杨青宇, 任凭, 王浩

2024, 32(5): 891-900. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0002

[摘要](106) [HTML全文](59) [PDF 1513KB](42)

摘要:
作为一种具有强非线性、强耦合、时变、冗余且高维度的复杂系统, 水下机器人-机械臂系统(UVMS)的建模、运动控制和稳定性研究都具有较大的难度。在动力学建模中, 对于自由度较高的复杂UVMS, 采用传统拉格朗日方程建模, 需要对广义坐标向量和其导数分别进行求导和求偏导操作, 会面临符号求导计算量大、建模效率低等问题。因此, 文中基于类拉格朗日方法提出一种适用于6+n自由度UVMS的动力学简化建模方法, 以减少符号化公式推导的运算量, 提高建模效率与结果的准确性。最后结合BlueROV水下机器人与Reach Alpha水下机械臂的实物参数对所建立的模型进行了数值仿真, 实验结果验证了UVMS的复杂耦合性。基于文中方法建立的动力学模型具有明确、清晰的方程形式, 能够为控制算法研究与耦合力优化提供有力支撑, 为动力学参数设计与轨迹规划研究提供参考。

基于涡旋光束传输的水下航行器尾流流场探测

周志超, 唐云晴, 许凌飞, 顾村锋, 刘平安

2024, 32(5): 901-905. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0076

[摘要](70) [HTML全文](34) [PDF 1494KB](19)

摘要:
涡旋光场轨道角动量(OAM)在自由空间衍射中是保持不变的, 而在湍流层中由于流场内部存在拟序结构, 导致OAM谱分布对称性破缺, 且OAM也会发生改变。文中研究了基于OAM谱分布对称性破缺效应对流场流动结构进行探测的机理, 初步分析了将涡旋光场OAM应用于水下航行器探测的可行性并给出相关试验结果。此外, 根据光场总OAM也会发生改变的特性, 结合交叉OAM矩阵法, 阐述了基于OAM对不同流场特征进行辨识的理论依据。最后研究了涡旋光场对水介质的感知特性, 结合数值仿真结果, 提出了1个基于OAM传输特性探测水下航行器的技术构想。

螺栓隔振结构在鱼雷噪声控制中的应用

曹浩, 刘艳鹏, 文立华, 王志杰

2024, 32(5): 906-915. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0164

[摘要](47) [HTML全文](13) [PDF 2655KB](14)

摘要:
为进一步研究隔振结构在鱼雷噪声控制中的作用, 文中通过建立基于梁模型的隔振材料动力特性识别实验台, 对聚醚醚酮材料的弹性模量和阻尼进行了识别和验证。同时建立了螺栓隔振结构的有限元模型, 并验证了模型的精确性。将该模型应用于鱼雷发动机与壳体连接处, 首次结合隔振圈建模理论和螺栓隔振结构, 建立了鱼雷动力的整机隔振仿真模型。仿真结果揭示, 综合使用隔振圈结合螺栓连接的隔振措施可使鱼雷振动噪声降低3.64 dB。研究结果为鱼雷振动噪声控制提供了有力的理论支撑。

一种打击大型水下航行器中间部位的垂直命中方法

张美茹, 温志文, 刘艳波

2024, 32(5): 916-922. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0032

[摘要](66) [HTML全文](20) [PDF 921KB](24)

摘要:
受探测系统目标瞄准点在大型水下航行器上随机漂移的影响, 工程应用中经常会出现高速攻击型无人水下航行器(UUV)在大型水下航行器前后两侧垂直穿过而导致目标脱靶的情况。针对上述问题, 文中提出一种新的垂直命中导引方法, 利用探测系统多周期数据实现垂直命中大型水下航行器中间部位的目的, 并进行了统计仿真, 仿真结果表明该方法对制导参量敏感程度较低, 对UUV与目标航行器相对阵位的适应能力强, 在现有制导参量精度要求条件下能够满足垂直命中工程要求, 考虑命中部位时, 可垂直命中大型水下航行器中间部位, 垂直命中概率有明显提高。文中提出的方法具有合理性和可行性, 能够提高对大型水下航行器的毁伤效果。

DNAN基含铝炸药低应变率下J-C本构关系

康松逸, 许杰, 卢熹, 王树山, 贾曦雨

2024, 32(5): 923-930. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0130

[摘要](72) [HTML全文](30) [PDF 1384KB](9)

摘要:
炸药装药的跌落响应问题是典型的低速撞击点火问题, 表现出应变率低、脉宽长及脉冲小等特点, 与高速冲击点火明显不同。为研究典型水中兵器战斗部装药跌落条件下的动态力学特征, 利用分离式霍普金森压杆对二硝基苯甲醚(DNAN)基含铝炸药进行动态压缩试验, 通过入射波整形技术实现了常应变率加载, 得到了常温常压条件下80、180、280、360和440 s⁻¹等5种低应变率下DNAN基含铝炸药的应力应变曲线, 采用Johnson-Cook(J-C)本构模型对试验数据进行了参数拟合, 并结合数值仿真加以验证。结果表明: DNAN基含铝炸药的弹性模量、屈服强度、屈服应变、失效应力及失效应变均随应变率的提高而增大。利用拟合得到的J-C本构参数可以在数值仿真中很好地还原DNAN基含铝炸药在低应变率下的动态力学行为, 从而为相关跌落安全性数值仿真计算提供数据支撑。

基于ADC模型的水下异构平台效能评估

张鑫, 潘进, 张静, 陈博恒, 任明, 郭栋

2024, 32(5): 931-939. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0143

[摘要](80) [HTML全文](22) [PDF 1295KB](25)

摘要:
装备集群作业逐步成为提高水下任务效能的关键途径, 传统可用性、可信性和固有能力(ADC)模型对多型装备构成的水下异构平台任务进行协同能力评估存在一定困难。选取以时间为变量的可靠性指标、续航能力指标和通信性能指标, 建立树结构的指标综合模型, 能够对协同因素进行数值量化, 客观反映平台任务过程中的协同能力变化。以此为依据将能力矩阵进行连续化处理, 并以装备个体为分系统, 引入环境影响因子反映周边环境对装备性能的影响, 建立改进型ADC模型用于系统效能评估。以自主水下航行器和通信节点构成的水下异构平台为例, 对任务周期内的装备能力及平台效能进行评估。研究结果表明, 该方法能够很好地结合多个协同因素进行效能评估, 具有可行性和有效性, 可以为多类型装备协同作业任务效能评估提供参考。

基于特征参数的任务可用能力评估

梁晓玲, 邓建辉, 陈思均, 庄德宇

2024, 32(5): 940-947. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0126

[摘要](89) [HTML全文](53) [PDF 2353KB](71)

摘要:
针对实时故障特征参数输入情况下评估系统任务能力的问题, 文中提出了一种基于特征参数的任务可用能力评估方法。通过引入神经模糊系统(NFS)建立航保系统易损性模型, 将模糊规则融入神经网络框架中, 建立了系统任务可用能力评估模型。该方法结合了模糊逻辑的推理能力和神经网络的无限逼近函数能力, 创建了真实系统的替代模型, 具有更高的普适性。利用智能优化算法使替代模型尽可能接近真实模型, 摆脱了系统中未知权重系数依赖于专家或经验的限制, 为模糊神经网络(FNN)赋予了学习能力。实验结果和分析表明该评估模型全面而合理, 该方法可以扩展应用于水下领域, 评估航保系统和舰船系统的任务能力。

战斗部跌落安全性研究及对水雷战斗部的启示

卢熹, 康松逸, 贾曦雨, 马峰

2024, 32(5): 948-961. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0092

[摘要](92) [HTML全文](57) [PDF 1508KB](14)

摘要:
战斗部的跌落安全性涉及炸药配方、装药工艺、战斗部设计和服役环境等多方面。文中全面、充分地梳理了常规武器弹药战斗部跌落安全相关的文献资料, 从典型炸药撞击感度研究、典型炸药动态力学性能研究、战斗部装药跌落撞击非冲击点火理论研究、战斗部跌落试验与仿真研究以及战斗部跌落安全性评估方法与标准等5个方面对战斗部跌落安全性现状进行系统性剖析，并提出了对水雷战斗部跌落安全性研究的若干建议。文中的分析结果可为水雷武器战斗部跌落安全性研究提供借鉴和参考。

美军水下特种作战装备的发展现状及趋势分析

张志伟, 方泽江, 何润民, 赵琪, 朱兆彤

2024, 32(5): 962-970. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0166

[摘要](295) [HTML全文](90) [PDF 1465KB](116)

摘要:
近年来, 随着以美国为首的西方国家将战略重点由远洋转向近海, 近海的浅水水域成为各国的攻防重点, 配合着有人与无人协同的分布式作战背景, 水下特种作战平台开始扮演愈发重要的角色。文中以美国2024财年最新国防科研和采购预算为基础, 重点论述了水下系统项目中湿式蛙人输送艇、干式蛙人输送艇、干式甲板换乘仓、作战潜水装备、水下舟艇任务装备及小型无人水下航行器等水下特战装备的发展现状和研究趋势, 旨在为今后的水下特种装备研究提供有益参考。

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