水下无人系统通用质量特性工程技术发展与挑战

通用质量特性工程技术是保障水下无人系统在复杂海洋环境下的任务出动能力、执行能力和生存能力的重要技术之一。回顾了水下无人系统的发展现状,从复杂环境适应性、智能化特征可靠性和集群化特征可靠性3个角度分析了水下无人系统通用质量特性技术的发展方向和面临的主要挑战,为我国水下无人系统装备通用质量特性工程技术发展提供了一条参考思路。

利用前视和测高声呐的UUV地形跟踪动态路径生成方法

保持对海底地形的定高跟踪航行是无人水下航行器(UUV)执行海洋勘测和水下目标搜索任务时常采用的一种运动形式,其核心是UUV如何对未知起伏的海底地形进行实时探测,并基于探测信息在线、动态地生成跟踪路径,以实现对地形的定高跟踪航行,同时避免与地形发生碰撞。针对上述问题,提出了一种基于前视声呐探测地形信息、基于多项式拟合动态生成跟踪路径的方法。首先,UUV利用前视声呐对海底地形进行实时探测,对获得的地形探测数据进行仿射处理后,得到具有离散特性的定高仿射数据。然后,采用基于最小二乘准则的三次多项式方法对仿射数据进行拟合,生成基于多项式函数描述的UUV地形跟踪航行路径。最后,设计了一种包含声呐探测、数据仿射、路径生成和跟踪控制的动态执行框架,实现UUV的实时地形跟踪航行任务。文中所提出的跟踪路径生成和动态执行框架通过对典型的海底“上坡”地形和“山地”地形跟踪的仿真验证,证明了其有效性和可行性。

水下S-CO_(2)循环部分进气轴/径向涡轮机对比研究

将超临界二氧化碳(S-CO_(2))循环动力系统合理应用于无人水下航行器(UUV),有助于解决现有UUV蒸汽动力循环系统尤其是针对小功率等级应用效率低的问题。为合理选型水下S-CO_(2)系统涡轮机,结合损失模型的一维方法获得了设计空间内的最佳几何参数,并基于RANS方程的三维数值仿真方法验证了一维设计方法的合理性,进一步对比分析了轴/径向涡轮机的气动性能及流动特性。结果表明,设计工况下径向涡轮机内效率比轴向涡轮机高5.41%,但尺寸较大,约为轴向涡轮机的2倍;径向涡轮机的主要损失集中在喷管和转子非工作段,而轴向涡轮机则主要为转子处产生的二次流损失。通过变工况分析发现,轴向涡轮机更适用于低速比工况,但在同一转速下径向涡轮机效率更高。文中研究结果可为应用于UUV的S-CO_(2)系统动力主机的研制提供参考。

基于组合赋权TOPSIS的智能UUV目标识别与反对抗效能评估

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。

幅相误差对体积阵MVDR波束形成的影响

体积阵是一种由多个水听器组成的立体阵列,能够增大潜标接收基阵的孔径,获得较大的空间增益,工程中多将其制作成具有收合、展开功能的阵列应用于低频吊放声呐。由于各水听器通道内器件参数和幅度增益不一致,体积阵的每个阵元接收到的信号之间存在幅相误差。文中通过建立存在幅相误差时的双圆环体积阵模型,从统计学角度分析了幅相误差对其协方差矩阵、最小方差无畸变(MVDR)波束形成器的输出信噪比(SNR)、阵增益以及方位估计精度的影响。计算机仿真结果表明,阵列幅相误差的存在会导致MVDR波束形成器的输出SNR和阵增益降低;对于相位误差而言,当输入SNR在-5 dB以上时,这种影响随输入SNR的增大越来越明显;对于幅度误差而言,当输入SNR在-10 dB以上时,幅度误差对MVDR波束形成器的输出SNR和阵增益的影响会更显著;并且,相比于幅度误差,MVDR波束形成的方位估计精度对相位误差更加敏感。

水下平台CO_(2)基混合工质闭式循环温度适应性分析

超临界CO_(2)布雷顿循环系统是水下平台动力技术的重要发展方向,但由于深海低温较远离CO_(2)临界温度,致使循环系统存在温度适应性问题。文中提出了利用CO_(2)基混合工质改善循环温度适应性并进一步优化循环性能的方案,建立了简单回热循环热力学模型,分析了CO_(2)基混合工质临界参数随加入气体种类和质量分数的变化规律,阐明了压缩机入口状态参数对CO_(2)基混合工质闭式循环热力学性能的影响规律,探讨了混合工质拟临界点位置对回热器夹点和热惯性等的影响。结果表明:低临界参数混合工质循环可进一步扩大循环温度范围和压比,以改善循环热力学性能,但仅扩大温度范围而降低压比可能会对其造成不利影响;综合考虑循环热效率、比功、回热器内部夹点及热惯性,CO_(2)+Xe(CO_(2)/Xe:0.5/0.5)-跨临界朗肯循环、CO_(2)+SF_(6)(CO_(2)/SF_(6):0.9/0.1)-跨临界液体布雷顿循环以及CO_(2)+SF_(6)(CO_(2)/SF_(6):0.5/0.5)-跨临界朗肯循环较超临界CO_(2)布雷顿循环热效率最大可提高3.79%,比功最大可提升31.6%,回热器夹点位于冷端并未加剧其热惯性,不会减缓系统响应速度。

多船尾流磁异常特性分析与仿真系统设计

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。

尾流气泡幕对激光的传输特性研究

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。

基于协方差矩阵拟合的小平台共形阵稳健波束形成技术

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。

基于GPA+CBAM的域自适应水下目标检测方法

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。

水下声学滑翔机实时探测通信系统及其近海试验

针对水下声学滑翔机在执行水下观探测任务过程中,需等待当前剖面滑翔结束上浮至水面进行信息交互,无法实时回传数据信息的问题,文中提出一种水下声学滑翔机探测通信系统,利用水声通信技术将水下声学滑翔机探测到的数据信息发送给波浪滑翔器,其作为通信中继可将数据信息透明转发至岸基中心,从而实现近似实时的探测通信数据传输。文中介绍了水下声学滑翔机探测通信系统的结构组成和信息传输链路,着重介绍了水下声学滑翔机的探测通信青岛外海试验情况,并对试验数据进行处理分析。试验验证了水下声学滑翔机探测通信系统的正确性和可行性,为后续国内水下无人平台集群协作及编队组网应用提供参考。

基于随机森林动态集成的水下尺度目标识别

正确识别目标是水下声自导武器攻击敌方目标的关键。文中提出一种基于动态选择集成技术的水下声自导武器实时目标识别方法。利用水下声自导武器主动宽带探测波形照射下目标不同的反射特性,从目标宽带相关检测输出提取了能量分布和空间分布统计特征,并构建了基于随机森林的动态选择集成模型,利用海试数据集进行训练与测试。仿真分析表明,文中所提出的动态集成模型识别效果优于其他分类算法,可以较好地应用于水下声自导武器目标识别中。

基于通信载荷声纹特征的身份认证方法

水声通信网络安全是水下通信进行信息共享和协同作业的重要保障,现有技术主要研究认证协议和数据加密,注重提高网络的安全性,忽略了网络的效率和能耗问题。为避免上述方法带来的网络拥堵,受移动智能设备等领域研究启发,提出将声纹认证融入水下通信网络的身份认证系统,设计了一种基于通信载荷声纹特征的识别方法。利用注意力机制,融合非线性倒谱和相位谱特征,以降低复杂海洋环境噪声的影响,并通过AlexNet网络进行目标识别。为验证该方法的有效性,通过采集多种水声通信信号,检验文中声纹特征识别的差异性和有效性,论证了文中方法的可行性和可靠性。文中研究可为解决水声通信网络的身份认证问题提供新思路,对增强水声通信网络的安全、实现高质量的信息共享和高效率的协同控制提供一定参考。

Bellhop模型在水声网络仿真中的实现和应用

随着水声技术的发展,水声网络(UANs)因其在海洋监视、灾害预警和海洋安全等领域的表现而备受关注。水声信道是影响UANs性能的重要因素之一,其复杂特性直接影响着UANs相关协议的前期设计和评估,对于协议走向实际应用至关重要。有别于传统理论模型,Bellhop水声信道模型通过跟踪射线计算海洋声场,提供了一种更准确的获得不同海洋环境下信道特性的方法,但该方法不能直接用于网络仿真。针对此,文中在目前主流的网络仿真平台NS3上构建了基于Bellhop的水声信道模型,将高斯射线模型用于水声网络仿真。对比结果表明,该模型能够有效仿真声信号在水下的传播特性,可为实际UANs协议开发提供参考。

基于改进混合运动麻雀搜索算法的水电站ROV路径规划

水下遥控机器人(ROV)路径规划是水电站水下巡检作业的关键。针对电站水库下复杂环境及现有路径规划算法存在规划时间长、算法稳定性差、易陷入局部最优及生成路径不平滑等问题,提出一种基于改进混合运动麻雀搜索算法的水电站ROV路径规划方法。首先,引入佳点集改进麻雀种群初始化方法,提高了种群多样性;其次,提出混合运动策略优化麻雀群体位置更新方式,提高了算法收敛精度及稳定性;然后,结合工程实际问题,考虑水库下水流速度大、强磁场、障碍物以及投入成本等因素,建立了包含时间成本、路径威胁、水流扰动和偏置函数的多元目标函数;最后,采用三次B样条插值得到最优光滑路径。仿真结果表明,相较于其他路径规划算法,所提方法在计算精度、收敛速度和稳定性方面表现更好,适用于水电站水下巡检任务。

水面舰船对声自导鱼雷防御机动方法研究

根据水面舰船机动对其辐射噪声和反射强度的影响,首先建立了水面舰船与声自导鱼雷规避机动对抗的数学模型,然后采用Monte-Carlo法,计算水面舰船不同规避机动方法的生存概率,并分析了水面舰船转向、加速对其生存概率的影响,最后,得出水面舰船对声自导鱼雷防御的最优规避机动方法。提出的规避机动方法对水面舰船水下防御系统研究,具有十分重要的指导意义。

水下热动力推进系统的变结构控制

对于某水下热动力推进系统实施闭环控制是提高武器效能的需要。通过分析系统的物理特性,给出了适用于控制律综合的系统模型,进行了非线性变结构控制系统的设计。该控制系统跟踪指令准确、快速,抗干扰能力强,且燃烧室压强不超调、安全性好。基于该控制算法而研制的功率控制单元已通过了试验验证。

水下自导武器导引律研究

水下声自导武器的传统导引方式存在着种种缺点,已经不适合现代鱼雷的战术要求。对水下声自导武器的导引方式作了研究,并利用滑模变结构控制理论,推导出一种以航向角为控制律的导引方式。该控制律有别于基于角速率的导引方式,保证了鱼雷在数据率较低且不固定以及存在自导盲区的情况下,仍能够以较高精度命中目标,因而能更好地适应水中导引的特点。仿真表明,该导引律实现简单可靠,鲁棒性强,攻击弹道平滑,对水中目标有较好的制导性能。

水声对抗试验航路优化模型研究

根据水声对抗试验航路优化参数,利用运筹学中的优化方法确定试验航路优化策略,将鱼雷试验中的对抗问题归结为有约束的非线性规划的目标函数优化问题,并利用 MATLAB 的优化工具箱函数进行仿真计算,结果表明,利用该方法得出的结论与潜艇实际水声对抗作战的优化策略基本相符。

鱼雷声自导作用距离影响因素仿真分析

依据对鱼雷主被动声自导探测模型的研究,分析了影响声自导作用距离的主要因素,并对可影响鱼雷主被动声自导作用距离的相关参量进行仿真研究,探讨了一种通过合理选择鱼雷参量以提高声自导作用距离的方法。文中的研究对声自导鱼雷研制中提高战技指标以及鱼雷的作战使用研究均有一定的参考价值。