低功耗矢量水声信号采集处理系统设计与实现

为进一步降低矢量水听器信号采集处理系统对水下滑翔机平台的续航影响,设计了一种以ARM和DSP为核心控制器的低功耗信号采集处理系统。利用ARM控制器实现系统的多种工作模式,以达到不同状态下的最佳功耗控制。此外,在控制软件中加入必要的优先级设计和流水线设计,以提高系统硬件控制效率,最后利用功率测试仪对系统不同工作模式进行测试。结果表明,低功耗模式下平均功耗约为1.27 W,实时处理模式下平均功耗约为4.29 W。在长时间连续工作情况下,可大幅度降低实时处理模式的工作时间占比,功耗控制效果显著,有效证明了该方案的有效性和优越性。

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。

基于单矢量水听器的实时性线谱提取算法

针对单矢量水听器探测条件下的水声目标线谱提取问题,提出一种可实时性迭代计算的线谱提取算法。首先利用矢量水听器声压振速通道的联合信息处理,可提高水声目标信号的信噪比。其次,利用基于极大值滤波器的线谱预处理方法对信号频谱进行峰值检测,进而通过在线谱提取过程中引入缓存器,可以在较小的计算复杂度条件下提高信号处理过程中的时间增益,再结合线谱归并方法可以较为精确的提取出目标线谱。经仿真试验分析及海上实测数据验证,该算法能够在低信噪比条件下实现对线谱的检测,并具有良好的抗线谱漂移干扰能力。

机电一体化技术专业“课岗证融通、实境化历练”人才培养模式探索与实践

随着经济的发展和时代的进步,机械制造业在社会中的作用越来越突出,社会对机械专业人才的需求也不断增加,所以机械专业毕业生的就业前景非常好。但是为了适应时代发展的需求和社会对机械制造专业人才的要求,职业大学必须具备学生实践能力。本文将针对机电一体化技术专业“课岗证融通、实境化历练”的人才培养模式进行相应的探讨与研究。

一种微型矢量水听器姿态测量系统

矢量水听器姿态校正的通常做法是将姿态测量系统捷联安装在声纳平台上,这种方案无法准确测量矢量水听器的姿态变化。针对这个问题,设计了一种微型姿态测量系统,并将其捷联封装在矢量水听器内部。系统采用MEMS陀螺测量角速度,用毕卡迭代算法解四元数姿态更新方程。用MEMS加速度计和磁力计分别测量重力方向和磁北方向,再使用扩展卡尔曼滤波对解算姿态角进行实时校正。经测试,该系统横滚角和俯仰角的静态误差小于0.2°,航向角的静态误差小于0.8°。摇摆实验中,横滚角和俯仰角的动态相对误差小于2.9%,航向角的动态相对误差小于3.6%。海上试验结果证明该姿态测量系统应用于矢量水听器可明显提高目标方位估计的精度。

矢量水听器在水下滑翔机上的应用研究

水下滑翔机通过改变自身浮力上浮和下潜,借助水动力实现前进滑翔运动,将其用于水中目标长时间、高隐蔽和大范围探测已成为当前研究的热点。通过在现有水下滑翔机平台上集成单个矢量水听器,研制出具有水中目标探测能力的水下声学滑翔机。对矢量水听器和水下滑翔机平台自噪声进行测试,分析了矢量水听器自噪声水平和平台主要噪声源,分析结果对指导滑翔机平台进行减振降噪处理和优化声学系统工作模式具有重要指导意义。利用2018年5月南海某海区水下声学滑翔机试验数据,分析水下声学滑翔机对水面航船目标的探测性能。结果表明,深海良好水文条件下,水下声学滑翔机对航速10 kn的试验船目标最远探测距离大于14 km.

基于MEMS姿态传感器的声矢量传感器设计

针对声矢量传感器姿态变化难以准确测量导致目标测向精度低的现状,设计一种微型MEMS姿态传感器,并将其封装在声矢量传感器内部,实现基于MEMS姿态传感器的声矢量传感器设计。首先根据声矢量传感器姿态测量与校正原理,采用四元数姿态解算方法及扩展卡尔曼滤波器设计MEMS姿态传感器,并对其进行姿态精度测试;然后基于MEMS姿态传感器进行声矢量传感器样机设计、制作、参数测试;最后对样机进行了海上实验,结果表明,通过姿态校正后声矢量传感器目标方位估计精度与GPS推算方位精度一致,验证了利用MEMS姿态传感器设计声矢量传感器的可行性。

单矢量水听器的高分辨目标方位跟踪算法研究

根据单矢量水听器自身具有阵列流型的特点,提出了适用于对目标保持连续跟踪的空域预滤波MUSIC算法。通过调整滤波器通带中心角使其保持在目标估计方位角附近,可以消除滤波器通带中心角偏离目标真实方位角时传统预滤波MUSIC算法产生的目标方位估计误差。仿真结果表明,改进预滤波MUSIC算法可以减小甚至消除低信噪比情况下目标方位估计存在的较大误差。海试数据结果表明,阵元域MUSIC和改进预滤波MUSIC都可实现对单频脉冲信号和线性调频信号的目标方位估计,且估计结果与GPS舰位推算结果一致,但改进预滤波MUSIC算法主瓣更尖锐。对宽带航船噪声处理结果显示,改进预滤波MUSIC算法使单矢量水听器在存在目标干扰时的探测距离从2 km提升到了5 km,验证了改进预滤波MUSIC算法可实现弱目标情况下的高分辨目标方位跟踪。

单矢量水听器估计目标方位的方法与实验

为评估基于单矢量水听器的方位估计能力,在黄海海域对矢量水听器进行实验。矢量水听器吊放于接收船尾部,采用平均声强器和复声强器方位估计方法,并提出以概率密度值最大的方位角作为目标方位估计值的具体处理准则,对恒定方向、匀速行驶的目标船方位进行估计,并求出两种方法的方位估计误差。结果表明,水听器布放深度10 m时,对正横距离为0.42 km的航速10 kn的目标船,平均声强器方法的水平方位角估计误差18?,极角估计误差为5?,可以在离目标船最远1.17 km处估计其方位;复声强法的水平方位角估计误差为13?,极角估计误差为8?,可以在离目标船最远2.35 km处估计其方位。在有接收船的噪声干扰情况下,复声强器比平均声强器方法估计的方位更准确,可以对更远处的噪声源进行方位估计。

水下声学滑翔机研究进展及关键技术

水下声学滑翔机具有大航程、长航时、高隐蔽性及低成本的特点,是用于水下移动目标探测、海洋水文环境精细化测量的优势平台,在全球海洋安全与环境观测体系建设中发挥着重要作用。文章详细梳理了国内外水下声学滑翔机研究进展,简述其系统组成和功能;探讨了水下声学滑翔机设计及规模化应用涉及的平台减振降噪、自主控制、多模混合推进、声学传感器设计及应用、目标属性自主判别,以及安全布放与回收等关键技术。文中研究可为国内同类水下无人探测装备的系统开发提供参考。

同振式三轴向矢量水听器设计与实现

根据实际工程需要,设计、制作同振式三轴向矢量水听器,其外形为柱体两端带半球帽的圆柱体,声压通道和矢量通道在结构上结合为一体。矢量水听器外形尺寸为Φ54×72 mm、工作频带为20 Hz^2 000 Hz。在国防科技工业水声一级计量站驻波管对研制的矢量水听器进行了测试,测试结果表明:声压通道声压灵敏度级为-192.7 d B(0 d B=1 V/m Pa)、具有全指向性;矢量通道声压灵敏度级为-185.3 d B(测试频率500 Hz,0 d B=1 V/m Pa)、具有余弦指向性。设计、制作的矢量水听器灵敏度高、通道一致性好、使用方便,满足工程应用需求。

大深度复合同振式矢量水听器设计

针对目前深海无人移动平台缺乏与其工作深度相匹配的复合同振式矢量水听器的问题,采用薄壁铝合金球壳作为矢量通道,压电陶瓷圆环作为声压通道,设计制作了一型大深度复合同振式矢量水听器,并用理论计算、有限元仿真和实验测试的方法对其声学性能和耐压性能进行了验证。该水听器的外径为85 mm,质量为398 g,平均密度为1240 kg/m^(3),工作频段为20~3000 Hz,矢量通道呈余弦指向性,灵敏度为-187 dB@500 Hz,声压通道无指向性,灵敏度为-191 dB@500 Hz,耐压深度为2000 m。海上试验表明,该水听器能够搭载在水下滑翔机等深海无人平台上执行声学探测任务,在大深度声学探测领域具有重大的应用价值。

水下声学滑翔机平台噪声测试与优化

为了提高水下声学滑翔机水中目标探测能力,更好地开展矢量水听器在水下滑翔机上的应用,文中通过在消声水池对现有"海燕-II"水下滑翔机进行的自噪声测试试验,定量分析了4种不同工况下平台噪声对矢量水听器各通道接收信号的影响,由试验结果可知:水下滑翔机上集成的矢量水听器接收信号会受到严重的平台近场噪声干扰,特别在500Hz以下的低频段,平台噪声对矢量水听器矢量通道的影响较大;在40 Hz频点处,由于航向调节机构工作对矢量水听器矢量通道具有最大58 dB的谱级升高。针对水下滑翔机平台噪声测量结果,从5方面进行了减振降噪处理和优化,测试结果表明,平台优化后较之前由航向调节机构对矢量水听器产生的噪声干扰大幅降低,但在200 Hz以下的低频段,航向调节机构工作对矢量水听器矢量通道仍具有较大的噪声干扰。所得结论可为水下声学滑翔机在进行水中目标探测时的频率处理范围选择提供参考。

水下声学浮标南中国海海洋环境噪声实测分析

海洋环境噪声是多种自然噪声和人为噪声的复杂组合,其谱级大小和频率组成是影响声呐系统探测性能的重要参数,鉴于海洋环境噪声时空域特性非常复杂,需要对海洋环境噪声进行长时间和大范围的观测才足以分析其特性.该文通过在多剖面水下浮标平台基础上集成声学测量系统,研制了一种具有海洋环境噪声监测能力的水下声学浮标平台,该浮标平台可多次上浮、下潜,具备原位坐底和定深漂流两种工作模式,能连续观测海洋环境噪声时长多达数月.利用2019年8月在南中国海海区组织的多台水下声学浮标试验某一天的数据,给出了20 Hz、63 Hz、100 Hz、200 Hz、400 Hz、800 Hz、1.6 kHz和3.15 kHz 8个频点中心处海洋环境噪声谱级随时间变化,讨论了附近航船噪声对其的干扰影响.试验表明,水下声学浮标可作为一种潜在的优势水下漂流移动平台,用于监测关注海域海洋环境噪声特性.

基于多类别特征融合的水声目标噪声识别分类技术

目标噪声信号作为当前水声目标识别的主要信号源之一,由于目标信号来源单一,难以像多传感器探测不同角度表征目标特性,导致目标识别分类正确率低、虚警率高,严重制约水声探测系统功能的发挥。针对这一问题,采用长短时记忆网络,建立多层LSTM水声目标噪声特征提取模型,学习提取目标噪声时域包络、DEMON线谱、梅尔倒谱系数等信息特征,构建多类别特征子集;在此基础之上,建立了基于多类别特征子集的特征级融合识别分类模型和基于D-S证据理论的决策级融合识别分类模型;利用样本库数据对上述模型进行了测试,对比多类别特征融合判别与单一类别特征识别分类的差异,并使用港池相关试验数据对上述模型进行了测试验证。测试结果表明,提出的基于多类别特征融合的水声目标噪声智能识别分类方法判别效果更好,对水声目标噪声信号识别分类的正确率和虚警率等相关指标均优于单一类别特征判别方法。

南中国海“G-Argo”声学浮标目标探测能力分析

该文通过在现有民用海洋环境观测浮标平台基础上集成声学探测系统,研制出具有目标探测能力的“G-Argo”水下声学浮标平台。为验证声学浮标平台目标探测性能,于2018年5月,在南中国海海区组织了多台水下声学浮标探测性能验证试验,利用配合试验船和海上过往航船作为探测目标。试验结果表明,深海良好水文条件下,“G-Argo”水下声学浮标对航速10 kn的配合试验船目标的最远探测距离大于10 km;对航速6.4 kn的工程船目标的最远探测距离大于42.8 km;对航速12 kn的集装箱船目标的最远探测距离大于15.8 km;对航速14.5 kn的集装箱船目标的最远探测距离大于24 km,验证了“G-Argo”水下声学浮标对海上目标具有良好的探测性能。

水下声学滑翔机海上目标探测试验与性能评估

针对传统海上目标探测效费比低且受恶劣海况影响严重的问题,亟需构建安全有效、多维立体的海上目标探测体系。水下声学滑翔机凭借其隐蔽性能好、环境适应强、成本低等优点,可广泛应用于海上目标探测。海上目标探测受海洋环境影响很大,需要进行系统、长期、深入研究。开展水下声学滑翔机海上目标探测试验并获取对不同海上目标的探测能力,是有效推进该研究的重要手段。该文重点围绕水下声学滑翔机对不同水面航船目标探测试验情况,从目标探测距离、目标估计方位精度和-3 dB波束宽度三个方面进行了性能评估和总结。最后,对前期试验存在问题进行了梳理,并对下一步试验关注方向做了展望。

大深度同振式矢量水听器耐压结构设计

针对当前矢量水听器工作深度小,无法在水下滑翔机、剖面浮标等大深度水下无人平台上应用的问题,设计了一种大深度同振式矢量水听器的耐压结构。通过分析同振式矢量水听器的拾振原理可知,在设计大深度矢量水听器时,要在满足耐压要求的前提下,使其平均密度与水相当,并使其体积尽量小。采用胶囊形铝合金薄壳方案设计耐压结构,并对该结构的强度失效和稳定性失效临界压力进行了理论计算和有限元仿真,计算和仿真结果显示该耐压结构能够承受20 MPa的压力。最后对矢量水听器样品进行了声学性能测试和耐压测试,该矢量水听器声学性能良好,耐压能力为20 MPa。海上试验表明,该同振式矢量水听器可以在“海燕-Ⅱ”水下滑翔机等大深度水下无人平台上应用。

面向水下滑翔机平台的耐压复合同振式矢量水听器

针对水下声学滑翔机样机研制对小尺寸、耐压复合同振式矢量水听器的迫切需求,设计面向水下滑翔机平台的耐压复合同振式矢量水听器。根据矢量水听器工作原理,对其声压通道和矢量通道进行声学设计;仿真分析压电陶瓷元件和薄壁铝合金壳体耐压特性,完成矢量水听器整体结构设计与制作;进行矢量水听器耐压能力及电声参数测试,将该水听器集成应用于水下声学滑翔机。在南海某海域开展海上试验,采集100~3000 Hz范围内水下声场信息,给出不同频点噪声级随时间的变化曲线,且得到了水面航船经过时不同频点的噪声级变化。结果表明,矢量水听器在1200 m深处可靠工作,设计的矢量水听器满足水下声学滑翔机样机研制应用需求。

基于单矢量水听器的水声目标探测系统

针对水下滑翔机、剖面浮标等小型水下无人平台尺寸小、速度低、负载能力弱的特点,研发了一种小体积、低功耗的水声目标探测系统。采用单个大深度复合同振式矢量水听器作为声学传感器;采用DSP+FPGA+EMMC架构搭建水声信号处理系统的硬件平台;使用航姿测量传感器得到系统的实时姿态欧拉角,实现了一种单矢量水听器动平台加窗直方图统计算法来求得目标相对真北的估计方位。将该系统搭载在水下滑翔机上进行海上试验,试验结果证明该系统能够在1 000 m深度稳定工作,对航速14 kn(1 kn≈0.514 4 m/s)的水面航船的探测距离可达14.4 km,表明其适合应用在小型水下无人平台上执行水声目标探测任务。