水下无人系统学报

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2026, 34(3): 407-407.

[摘要](14) [HTML全文](11) [PDF 441KB](10)

摘要:

刘雄厚, 赖凯, 杨益新

2026, 34(3): 408-421. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0042

[摘要](198) [HTML全文](118) [PDF 4013KB](129)

摘要:
以蛙人、无人水下航行器为代表的水下慢速小目标, 凭借隐蔽性强、机动性高及破坏性大等特点, 已成为近岸军事和经济设施的主要威胁, 其识别是当前水下安防领域的研究热点与难点。文中聚焦水下慢速小目标声学识别中的声信号特征分析、声特征提取与声特征分类3个环节, 系统梳理了该领域的研究现状、关键挑战与发展趋势。首先, 从主动回波信号和被动辐射噪声角度, 分析了水下慢速小目标的声信号特征; 其次围绕主动特征和被动特征, 总结了当前主流特征提取方法; 然后归纳并对比统计学习与深度学习2类主流分类方法; 接着阐述了该领域面临的主要挑战及相应解决措施; 最后结合技术发展趋势对未来研究方向进行展望, 以期为水下慢速小目标识别技术发展提供参考。

水下小目标声散射特性研究综述

刘妍, 黎洁, 葛丽丽, 范军, 王斌

2026, 34(3): 422-439. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0073

[摘要](174) [HTML全文](64) [PDF 3957KB](101)

摘要:
水下小目标声散射特性研究是主动声呐目标探测、识别与水下安防应用的核心物理基础, 在近岸安防、反水雷和水下工程探测等领域应用价值显著。文章针对蛙人及其推进器、无人水下航行器(UUV)和水雷3类典型水下小目标, 系统综述其理论建模、试验测量及工程应用研究进展。首先, 结合归一化尺寸参数及目标功能属性界定研究范围, 概述不同散射区间基本特征; 随后, 梳理3类小目标在理论建模、试验及应用方面的代表性研究。研究表明: 蛙人目标具有显著的多部件耦合散射与时变调制特征, 呼吸气泡、肺部腔体和潜水装备是主要散射贡献源; UUV散射受壳体结构、舱段充水状态及附体多重散射效应影响显著; 掩埋水雷回波则受目标弹性、界面波传播与沉积层耦合作用共同控制。当前研究仍存在复杂海洋环境下目标散射与传播耦合机理认识不足、宽频带散射预报精度与效率难以兼顾、散射机理与数据驱动识别结合不深入以及复杂外场条件下试验验证有限等问题。文中研究可为水下小目标声散射机理研究及探测应用提供参考。

蛙人目标声散射特性研究综述

葛丽丽, 黎洁, 刘妍, 范军

2026, 34(3): 440-453. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0062

[摘要](83) [HTML全文](26) [PDF 9087KB](63)

摘要:
蛙人是浅水环境中典型的低可探测性水下小目标, 具有目标强度低、姿态敏感性强、多部件耦合显著和非平稳性突出等特点。人体组织、潜水服、呼吸装置、脚蹼及呼吸气泡等部件在几何尺度、材料属性和运动方式上的差异, 使得蛙人目标回波呈现多源散射与时变调制特征; 同时, 浅水多径传播、环境混响和背景噪声等干扰因素进一步增大了蛙人目标的探测与识别难度。文中面向主动声呐背景, 系统梳理了蛙人目标在声散射建模、试验测试、跟踪定位以及探测识别中的研究进展, 分析了气瓶、呼吸气泡、肺部、潜水服和脚蹼等关键部件对总体声散射特性的影响规律, 总结现有研究存在的主要问题并展望后续发展趋势, 以期为蛙人目标主动声呐探测与识别研究提供理论参考。

水下小目标主动声辐射信号截获处理技术研究综述

王志桢, 王晓燕, 安良, 曹红丽, 钱荣涞, 於诗婷, 朱传奇, 朱启轩

2026, 34(3): 454-467, 499. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0068

[摘要](75) [HTML全文](32) [PDF 1995KB](64)

摘要:
随着水下无人平台与小型化装备的快速发展, 对水下小目标的探测识别需求日益凸显。此类小目标通常具有目标强度低、个体尺度小及物理特征弱的特点, 传统主被动探测能力受限, 对导航、通信等小目标主动声辐射信号的截获处理成为其探测发现的新途径之一。文中聚焦水下小目标导航脉冲或通信信号截获检测技术研究现状, 首先分析了相关主动声信号的主要来源和信号形式; 随后从技术演进角度, 综述了非合作水声脉冲与通信信号截获检测、调制类型识别方法的国内外发展现状。现有研究整体呈现出由传统统计量与人工特征提取方法, 逐步向深度学习端到端处理方法演进的发展趋势。最后, 文中总结了该领域现有研究成果, 并从仿生隐蔽通信信号的截获识别、物理一致性的生成式信道建模以及非合作场景下的辐射源个体识别3个方面对未来发展方向进行了展望。

基于光学的水下小目标探测技术综述

陈青艳, 吴国俊, 吴亚风, 苗宇宏

2026, 34(3): 468-479. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0049

[摘要](162) [HTML全文](64) [PDF 4741KB](21)

摘要:
微型水下航行器、小型水下探测器装置等水下小目标的精准探测与识别是海洋资源开发、水下安防预警及水下工程检测等领域的重要技术支撑。受水体衰减、光学散射、声波多径效应及复杂背景噪声等因素的综合制约, 传统探测技术在作用距离、空间分辨率与实时响应性等方面存在显著局限。随着海洋开发向精细化、智能化方向迈进, 以及水下无人装备对抗的战略价值持续凸显, 水下小目标光学探测技术已成为当前海洋信息技术领域的研究热点。文中系统梳理水下小目标光学探测技术的研究背景与战略意义, 重点从基于图像和基于激光雷达(LiDAR)两大技术路径展开全面综述: 在基于图像的技术体系中, 聚焦图像增强与目标检测两大核心环节, 深入剖析各类技术的原理机制、改进策略及性能表现; 在基于LiDAR的技术体系中, 针对面扫描、点扫描和线扫描成像3种探测模式, 系统阐述其技术特性与典型应用场景。最后剖析了现有技术面临的瓶颈, 并结合海洋技术发展趋势展望未来研究方向, 为水下小目标光学探测技术的工程化落地提供理论支撑。

二十面组合仿球形散射体声散射特性分析

董艳华, 周富霖, 范军, 王斌, 王文欢, 熊健冰

2026, 34(3): 480-488. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0078

[摘要](86) [HTML全文](35) [PDF 3547KB](70)

摘要:
针对传统水下声学标准体布放难度大、声学适配性不足的问题, 文中设计了一种水下轻量化二十面浮体-杆组合结构仿球形散射体。该结构通过弧形浮力单元与杆-球骨架构建近似球形散射界面, 采用透水式设计实现浮力自平衡, 在保持球形散射特性的同时提升工程布放实用性。同时建立了声散射特性的分频段数值模型, 开展声散射计算: 低频段采用声固耦合有限元法(FEM)、中高频段采用迭代物理声学(IPA)方法, 分析了声散射强度随声波频率和入射方位的变化规律, 揭示了路径差干涉现象形成机制。通过试验验证了所提建模方法及研究结论的准确性,试验结果表明, 该仿球形散射体平均目标强度较同尺寸刚性球提高约3.87 dB, 并表现出多散射体相干干涉特征, 可作为水下声学标校载体, 为水下无人系统试验标定与目标声散射特性测试提供参考。

极浅海环境下时间分集MIMO声呐高分辨成像方法

翟清越, 刘雄厚, 杨益新

2026, 34(3): 489-499. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0072

[摘要](67) [HTML全文](19) [PDF 6393KB](47)

摘要:
传统多输入多输出(MIMO)声呐在极浅海强混响环境下, 受同步正交波形互相关干扰影响, 其距离维高旁瓣会显著抬升混响背景, 导致自适应波束形成算法性能大幅下降。为此, 文中提出一种适用极浅海环境的时间分集MIMO声呐高分辨成像方法。该方法通过时分机制依次发射相同线性调频信号, 利用脉冲周期实现回波时域分离, 消除互相关干扰; 同时结合时域截断与数据重组, 构建孔径加倍的等效均匀虚拟线列阵, 完整保留MIMO体制的高角度分辨率。仿真结果表明, 在信混比低至−20 dB的强混响背景下, 该方法有效抑制了距离维旁瓣, 使最小方差无畸变响应算法的自适应滤波能力得以充分发挥。与传统正交MIMO声呐相比, 其−3 dB主瓣宽度、旁瓣级与积分旁瓣比得到明显改善, 可为极浅海小目标高分辨成像提供一种兼顾虚拟孔径与强抗干扰能力的可行方案。

基于距离-多普勒算法的分层介质掩埋目标成像修正方法

蒋浩崧, 李梅

2026, 34(3): 500-505. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0043

[摘要](97) [HTML全文](35) [PDF 1134KB](64)

摘要:
常规合成孔径成像算法均基于均匀介质假设设计, 在探测海底掩埋目标时, 因声波在穿越海水与海底沉积层界面时会发生折射, 导致成像散焦与定位误差。针对该问题, 文中提出了一种适用于分层介质成像的参数修正算法。首先, 构建了海水-沉积层折射传播模型, 基于斯涅尔定律推导了声波双程传播时延表达式, 设计了沉积层声速与目标掩埋深度的联合估计方法; 其次, 将该分层模型嵌入距离-多普勒(R-D)算法, 重新推导并修正了多普勒调频率与距离徙动校正量的解析式; 最后, 通过数值仿真对比了算法修正前后在不同掩埋深度下的成像效果。结果表明, 修正后的算法能有效校正因声波折射引起的距离向定位偏差, 改善航迹向聚焦性能, 验证了所提修正算法的有效性。

基于稀疏收发阵列的小尺寸低成本高分辨二维侧扫声呐成像方法

赵婉春, 刘雄厚, 杨益新

2026, 34(3): 506-515. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0060

[摘要](45) [HTML全文](25) [PDF 2646KB](51)

摘要:
为克服已有二维侧扫声呐成像方法在提高角度分辨率时面临的基阵尺寸过大、阵元成本过高等问题, 提出一种小尺寸低成本高分辨二维侧扫声呐成像方法。该方法以大间距布阵的均匀直线阵为稀疏发射阵, 以多个满采样均匀直线阵为子阵组成稀疏接收阵, 利用乘积定理形成水平向满采样大孔径虚拟阵列。该虚拟阵列的阵元数为发射阵元数、接收子阵数与子阵阵元数之积, 孔径为发射阵列和接收阵列孔径之和, 从而以更小尺寸、更少阵元获得大孔径等效阵列。以所设计的阵形为基础, 文中方法采用和传统二维侧扫声呐成像方法相同的波形和法向单波束侧扫成像模式。数值仿真结果表明: 与传统方法(240发/240收, 信号中心频率为450 kHz)相比, 文中方法阵列尺寸由0.40 m缩减至0.33 m, 总阵元数由480减至40, 水平向−3 dB波束宽度由0.41°缩小至0.25°, 角度分辨率提升约40%。证明文中方法可使用更小阵列尺寸、更少阵元数获得更高成像分辨率。

基于多传感器的圆周合成孔径声呐运动补偿方法

黄天风, 叶天明, 杜选民, 杨天霖

2026, 34(3): 516-523. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0063

[摘要](73) [HTML全文](27) [PDF 4630KB](51)

摘要:
圆周合成孔径声呐(CSAS)是一种搭载于移动平台、具备高分辨力的水下成像声呐系统, 其成像质量对平台位姿精度高度敏感。实际测绘过程中, 平台常受到水流、风浪等环境因素影响, 导致其运动轨迹偏离理想路径, 产生位置和姿态偏差, 严重影响成像质量。现有CSAS运动补偿方法多依赖水声定位系统获取平台位置信息, 通常需要额外布设水声基站, 对外部辅助设备存在一定依赖。针对这一问题, 文中围绕CSAS平台运动误差对成像结果的影响及其几何补偿方法开展研究, 构建了一种基于全球定位系统(GPS)与惯性导航系统(INS)多传感器组合的CSAS平台运动补偿方法。该方法通过融合GPS获取的平台位置信息与INS提供的姿态数据, 实现对声呐平台位姿的联合估计, 并据此对声呐阵列空间位置进行修正, 从而减小平台运动误差对成像结果的影响。文中仿真分析了平台运动误差对成像结果的影响, 并通过湖上试验数据验证了所提方法的有效性。试验结果表明, 该方法能有效修正平台运动引起的运动误差, 提升CSAS成像质量。该方法无需依赖外部水声定位系统, 仅利用平台自主导航传感器即可实现有效运动补偿, 为CSAS系统在复杂环境下的高分辨成像提供了一种简便实用的技术途径。

联合亮点和轨迹特征的水下慢速小目标分类方法

杨盼, 赖凯, 刘雄厚, 王斌, 杨益新

2026, 34(3): 524-533. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0054

[摘要](59) [HTML全文](21) [PDF 976KB](34)

摘要:
针对水下慢速小目标分类任务中, 传统统计学习方法仅依靠人工轨迹特征、特征表达单一、分类效果受限的问题, 文中提出融合距离维亮点特征与跟踪轨迹特征的联合分类方法。该方法从主动声呐回波中提取基于物理散射特性的距离维亮点特征, 补充目标静态属性信息; 同时提取轨迹特征以描述目标动态运动行为。实现动静特征互补, 解决单一特征信息不足的缺陷。在此基础上, 采用适用于小样本条件的统计学习方法构建分类器, 并通过蒙特卡洛实验验证方法稳定性。外场历史数据样本和场景化仿真联合验证结果表明, 所提轨迹-亮点联合特征分类方法的平均精确率从79.7%提升至85.4%, 平均召回率从84.4%提升至89.1%, 平均F₁分数从81.6%提升至87.0%, 有效改善了传统方法因特征表达不充分而导致的水下慢速小目标分类性能不足的问题。

面向水下无人平台的单波束声呐小目标识别算法

徐琳彭, 马靖雯, 曲国瑞, 杜伟东, 周天, 于晓阳

2026, 34(3): 534-541, 548. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0061

[摘要](138) [HTML全文](34) [PDF 2220KB](90)

摘要:
针对水下无人平台载荷能力有限、声呐数据样本稀缺导致小目标识别困难的问题, 提出一种适配小样本条件下的单波束声呐信号目标识别算法。该算法基于主动声呐目标单波束回波信号, 提取波形时域和频域多维特征, 通过相关性分析与主成分分析降维完成有效特征选择, 并结合随机森林分类器, 实现了小样本训练集下的目标高精度识别。水池实验数据测试结果表明, 相较多种基于多波束声呐图像联合深度学习的方法, 文中算法在更小的训练集下, 精确率达99.42%、召回率 99.39%、F₁ 值 99.39%、准确率 99.39%。文中方法具有计算量小、运行速度快、可解释性强等优势, 更适合在算力与存储资源受限的水下无人平台上部署, 为水下无人平台在资源受限条件下小目标识别提供了一种高效可行的方案。

基于非平稳信号解调的二维解卷波束形成方法

樊小萌, 刘振, 李梅, 叶天明

2026, 34(3): 542-548. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0064

[摘要](79) [HTML全文](38) [PDF 2918KB](71)

摘要:
水下小目标探测是水声学信号处理领域的核心内容, 目前仍面临环境复杂、干扰目标多、回波弱及图像质量差等诸多问题。针对蛙人这类典型水下入侵小目标探测难度大的问题, 文中提出一种基于非平稳信号解调的二维解卷波束形成(DCBF)方法, 该方法利用二维DCBF获得高分辨率的目标方位-距离图像; 结合高分辨图像的峰值检测精确定位疑似目标回波时域波形; 对疑似目标回波时域波形解调后计算谱峭度指标(PSK), 利用真实目标回波与杂波间在PSK上的差异性为二维DCBF图像赋值权重, 从而实现小目标回波的增强与杂波抑制, 最终获得高分辨目标图像。试验结果表明, 该方法能有效抑制杂波, 显著提升目标检测跟踪能力, 轨迹跟踪距离稳定提升60 m。

结合概率下限约束的AIMM-UKF水下小目标双站跟踪算法

高旭文, 于歌, 李晴, 于晓阳

2026, 34(3): 549-555, 562. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0058

[摘要](89) [HTML全文](38) [PDF 2323KB](76)

摘要:
复杂水下环境存在界面散射、多途效应及强噪声, 导致小型水下航行器、蛙人等水下小目标的机动轨迹难以被实时精细跟踪。针对双观测站主动声呐协同跟踪系统, 文中提出一种结合概率下限约束的自适应多交互多模型(AIMM)-无迹卡尔曼滤波(UKF)算法。传统AIMM算法在目标长时稳态时, 向机动模型转移的先验概率衰减较大, 导致目标突发机动时易出现切换迟滞、误差增大的问题。为此, 文中所提算法在似然比修正基础上, 引入概率下限约束与判定窗二次修正机制。在长航时稳态段, 判定窗机制保障高稳态精度; 突发机动瞬间, 概率下限机制配合似然比放缩实现模型快速准确切换。蒙特卡洛仿真表明, 所提算法有效克服了概率过度吸收退化问题, 降低了机动初期误差峰值, 全局位置与速度误差均达最低, 实现了瞬态切换与稳态精度的最佳平衡, 为水下小目标连续跟踪与安防预警提供了有力技术支撑。

小型水下航行器典型低频物理场特征试验研究

周广源, 文无敌, 张光华, 涂羿帆

2026, 34(3): 556-562. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0056

[摘要](109) [HTML全文](39) [PDF 2494KB](81)

摘要:
当前水下多物理场探测研究多聚焦舰船、潜艇等大尺度目标, 针对小型水下航行器的多物理场联合探测相关研究较少。为探究该类平台在100 Hz内低频多物理场特征与场间关联规律, 文中在浅海避风港开展水下实测试验, 同步采集声场、电场、磁场、水压场、地震波场及交流磁场信号。经数据预处理与工频干扰抑制后, 分析各物理场时域通过特性与频谱特征, 以及多物理场耦合关联特性。试验结果表明: 电场与磁场呈现强相关共源特性, 交流磁场包含更丰富的目标特征信息; 声场与地震波场频域特征高度契合; 地震波场抗海洋环境干扰能力显著优于水压场。文中明晰了小型水下航行器典型低频多物理场特征与耦合规律, 可为水下小目标多物理场联合探测与识别提供试验支撑。

面向浅海海底铁磁小目标的1D ViT-ResNet磁源定位方法

惠然, 梁晓锋, 高浩然, 颜澍

2026, 34(3): 563-573. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0057

[摘要](63) [HTML全文](28) [PDF 3517KB](58)

摘要:
为解决复杂浅海环境下磁信号采集难题, 文中设计并搭建了一套分体式拖曳系统, 搭载磁通门阵列, 高效采集运动状态下的海洋磁环境噪声和4类典型铁磁小目标的磁异常信号, 成功构建实测数据集。为弥补实测数据的局限性并扩充数据多样性, 结合实测数据特性, 利用COMSOL多物理场仿真软件构建了包含4类目标磁源通过特征曲线的仿真数据集, 为模型训练提供数据支撑。针对磁源实时检测和定位需求, 文中研究提出了基于一维视觉注意力机制(1D-ViT)检测模型与一维残差网络(1D-ResNet)定位模型协同的磁源定位方法1D ViT-ResNet。经实测目标信号验证结果表明, 该算法实现了约7%的定位估计误差均值; 与单模型相比, 双模型方法可使误检率平均降低11个百分点, 显著提升了水下磁探测的精确性和可靠性。

视觉任务友好的水下图像增强方法

程淼, 魏延辉, 孙文斌, 侯童童

2026, 34(3): 574-583. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0023

[摘要](161) [HTML全文](72) [PDF 4906KB](18)

摘要:
水下图像因发生严重的色彩和结构失真, 影响各种水下视觉任务的性能。现有水下图像增强方法侧重于改善视觉外观, 普遍忽视对下游视觉任务的优化。为此, 文中提出了一种视觉任务友好的水下图像增强方法——VTF-Net。首先设计了全新的空域频域融合(SFF)模块, 该模块能大幅提高模型对纹理细节的感知度和图像的保真度; 其次为了实现编码器和解码器之间信息的高效传递, 引入多尺度交叉注意力(MSCA)模块和瓶颈注意力(BNA)模块, 在保证高效特征提取的同时增加全局梯度感知, 有效改善图像的色偏和模糊问题; 最后针对视觉任务友好的理念, 提出一种检测损失函数, 通过引入水下目标检测结果引导模型优化方向。实验结果表明, 文中所提方法在定性和定量实验中均取得了最优性能, 同时在水下目标检测应用实验中达到最优结果。

基于MFLM-FPN 与 GAFF 的水下目标检测算法及类别平衡策略

赵岩, 李金鑫, 贾如建

2026, 34(3): 584-594. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0007

[摘要](85) [HTML全文](33) [PDF 4515KB](70)

摘要:
针对水下目标特征信息匮乏的问题, 文中提出融合多特征层映射特征金字塔网络(MFLM-FPN)与全局注意力特征融合(GAFF)机制的水下目标检测算法。首先构建MFLM-FPN, 将每个建议框分别映射至不同特征层, 经感兴趣区域池化后得到4个尺寸一致、信息互补的特征层, 再通过GAFF实现特征融合, 可充分利用各层特征信息, 有效缓解水下目标特征稀缺的问题。针对水下数据集类别不平衡问题, 设计复制粘贴类别平衡策略, 提升神经网络对海参、海星、扇贝等稀缺类别的关注程度。针对损失函数惩罚力度不足导致检测精度下降的问题, 在平滑L1损失函数中引入预测框与目标框的归一化距离作为惩罚项, 显著提高水下多尺度目标的定位精度。基于全国水下机器人大赛数据集开展实验验证, 所提算法的识别准确率达81.93%, 相较于基线模型Faster R-CNN提升5.71%, 有效改善了水下复杂环境下目标的漏检与误检现象。

水下小目标探测效能动态评估方法

于志民, 陈祥光, 王仁忠

2026, 34(3): 595-604. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0026

[摘要](139) [HTML全文](41) [PDF 1850KB](97)

摘要:
水下小目标探测效能评估是保障海洋安全与资源开发的核心难题。传统静态评估方法依赖固定环境参数与单一指标, 难以反映算法在复杂时变海洋环境中的动态适应能力。针对这一瓶颈, 文中提出一种基于Python的多指标融合动态效能评估方法, 建立了环境耦合的动态检测概率模型, 将经典检测理论扩展至时变海洋环境; 将加权几何平均引入综合效能指数(CEI)建模; 设计并开发了水下探测动态评估系统(UDDES), 支持动态环境仿真、多算法并行测试与多维效能可视化分析。仿真实验结果表明, AI-Det的检测概率较传统波束形成(CBF)提升约99.8%; 在包含海况突变、SNR骤降的动态环境应激测试中, AI-Det的CEI均值较CBF提升36.5%, 鲁棒性系数提高44.8%, 跟踪稳定度误差降低55.3%。研究表明, 所提框架与系统有效解决了传统静态评估无法量化动态性能演化的问题, 为水下探测算法的闭环测试、优化选型及效能预测提供了系统的理论方法与工程工具。

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