水下无线通信装备发展研究

水下无线通信(UWC)装备提供水下环境中信息传递和数据交换的能力,是支撑海洋科学研究、水下组网监测、水下协同作业、海洋安全维护等应用的重要装备类型。本文从水声通信、水下光通信、水下电磁波通信、水下磁感应通信4类主要的UWC装备出发,深入剖析了各自面临的技术难点,全面梳理了相关装备的国内外发展现状,进而凝练了UWC装备未来发展趋势。着眼我国UWC行业发展,辨识了整体差距、底层共性问题、顶层体系等方面的发展困境,提出了攻关基础机理与共性问题、聚焦突破行业核心方向、明晰装备顶层体系架构、完善保障措施与扶持政策等发展建议。相关内容可为把握UWC装备发展态势、布局UWC装备研制与应用等提供参考和启示。

水下复杂环境高效鲁棒目标检测方法

针对水下环境复杂多变且视觉退化严重,现有的水下目标检测算法难以保证高精度实时检测水下目标且在复杂环境中的检测鲁棒性不足等问题,本文的算法架构基于YOLOv5改进,根据通用模型提出一种端到端的多尺度水下目标检测网络算法(UW-Net),完成复杂水下环境中高精度实时鲁棒检测水下目标任务。在特征提取部分,该网络通过稳定的底层特征提取模块和CSP-Net构建高精度轻量型特征提取结构,旨在保证网络实时性的同时提取更高维度的特征信息;在特征融合和检测部分,使用自适应特征融合机制和注意力增强方法在基本不影响检测速度的同时,提升算法的多尺度目标能力和检测鲁棒性,并通过K-means聚类方法自监督的实现最优锚框的标定从而实现目标区域的准确预知。实验结果表明:该方法在NVIDIA GeForce GTX1080Ti的GPU平台上对水下目标数据集的平均检测精度和检测速度分别为95.06%和139FPS,比YOLOv5s网络提升了2.87%和14FPS,实现了在实际复杂水下环境中高精度实时鲁棒地检测水下目标。

基于惯性导航/地磁的水下潜器组合导航定位方法

针对水下潜器长时间水下航行的隐蔽性且定位精度不高的问题,提出了一种基于惯性导航/地磁的组合导航系统。建立了惯性导航/地磁组合导航系统模型,并且利用卡尔曼滤波算法对系统进行滤波。最后通过仿真实验表明,该组合导航系统能够有效弥补单惯性导航系统精度发散的不足,提高了导航精度,实现了水下潜器的精确导航。

深海多功能浮标设计

为满足深海载人平台深海高精度定位及远距离通信的需求,分析目前深海多功能浮标的技术现状,通过对深海多功能浮标有缆方案和无缆方案的对比分析,确定深海多功能浮标的技术方案,阐述深海多功能浮标的工作原理及系统组成,基于深海多功能浮标的横摇特性,仿真验证其在5级海况的横摇角度符合设计指标及要求。

水下平台声学兼容性技术综述

声学兼容性是多声学设备协同工作的基础,决定着水下平台是否能够最大限度地发挥其探测作业的效能。本文针对水下平台多声学设备声学兼容性问题,阐述了声学兼容性的主要影响因素,分析了声学兼容性国内外研究现状及进展,提出了声学兼容性研究与设计的关键技术,为解决水下平台声学兼容性问题提供了参考与思路。

FTGS-放大滤波板故障的测试与研究

通过遥供音频无绝缘轨道电路(FTGS)对故障数据的提取分析,以及轨电位分布理论及对信号设备影响的理论研究,确定放大滤波板故障与轨电位异常相关。经过现场测试验证,轨电位升高是放大滤波板故障的原因之一,轨电位升高导致放大滤波板输出电压下降,放大滤波板的输出电容温度升高,最终导致放大滤波板的输出电容疲劳损坏。

水下SINS/DVL组合导航技术综述

基于捷联惯性导航系统(SINS)与多普勒计程仪(DVL)相结合的组合导航技术近年来在自主水下航行器(AUV)导航上得到了广泛应用。文中简要介绍了水下SINS/DVL组合导航的基本原理、耦合方式和系统应用研究现状;详细论述了数据融合处理技术、标定技术和DVL数据失效处理技术等3个关键技术及其研究现状;最后,探讨了水下SINS/DVL组合导航技术的发展趋势及其将要面临的技术问题。文中的研究可为水下高精度组合导航研究提供参考。

基于改进变分贝叶斯滤波的SINS/DVL/LBL组合导航技术

为解决水下航行器捷联惯性导航系统(SINS)与多普勒计程仪(DVL)、长基线(LBL)定位设备组合导航问题,提出使用集中式滤波方案,并建立了SINS/DVL/LBL组合导航模型。在组合导航过程中,考虑到使用经典的卡尔曼滤波方法会存在由量测噪声方差时变和野值干扰而导致滤波精度下降的问题,通过将变分贝叶斯滤波与IGGⅢ权函数相结合,提出了一种改进变分贝叶斯滤波方法。组合导航仿真结果表明:文中滤波方法具有较强的自适应能力和抗野值能力,其滤波精度优于经典的卡尔曼滤波方法和变分贝叶斯滤波方法。

基于带约束最小二乘的超短基线安装偏差校准

超短基线定位系统近年来在海洋开发、河道及港口建设等领域得到了广泛应用。为实现其高精度的定位功能,需要在使用前对其进行精确校准。针对超短基线安装偏差校准问题,提出应用带约束最小二乘法来求解,并且在该校准方法的基础上,针对存在声速测量误差的情况,提出相应的处理方法。仿真结果表明,带约束最小二乘法适用于超短基线校准,并且具有一定的抗误差能力;当系统存在声速测量误差时,本文的处理方法仍有效。本文的研究结果可为超短基线安装偏差的精确校准提供参考。

无人艇直线航迹跟踪算法优化设计

为解决无人艇(USV)直线航迹跟踪工程应用中的航迹转向阶段航向角波动大、航向角曲线不平缓的问题,考虑到航迹切换点圆半径参数R对航向角曲线平缓度的影响,本文以参数R为优化对象,并以横向偏差累积结果为目标函数,提出一种基于二分法查找的参数寻优方法,并且以经典的基于LOS制导律与PID控制律的航迹跟踪算法为设计基础,给出了航迹跟踪算法优化设计方案。最后,通过Matlab仿真验证了本文设计方法的有效性。仿真结果表明,本文的优化算法适用于USV直线航迹跟踪问题,并且能使USV在航迹转向阶段快速且平稳地跟踪下一段期望航迹。

UUV集群协同探测与数据融合技术研究

简述无人水下航行器(UUV)集群协同探测的原理和特点,介绍国外UUV集群协同探测技术的发展和应用现状。设计1种基于主从网络结构的UUV协同探测方案,分析3种编队队形的探测性能,讨论了探测、导航、通信一体化数据融合的方法。

基于位置指纹优化算法的多传感器室内定位方法

针对无线信号可信度差、定位效率低的问题,提出一种基于位置指纹优化算法的多传感器室内定位方法。通过对指纹数据库中参考节点进行筛选,保留有效参考节点,利用无线信号强度在有效参考节点处的后验概率解算位置信息,从而减小噪声对定位精度的影响,降低算法复杂度;采用加速计、陀螺仪、磁力计、高度计多种传感器组合的方式提高航向与高度精度,在保留自主性的同时抑制惯导误差过快发散,并进一步利用位置指纹优化算法得到的定位信息作为观测量校正多传感器组合系统。仿真结果表明,位置指纹优化算法的平均定位精度达到0. 64 m,经过滤波融合后的室内定位系统位置误差在1 m内波动。该方法能够提高定位精度及实时性,满足室内定位需要。

敷设声学覆盖层的标准潜艇低频目标强度分析

敷设声学覆盖层可以吸收入射声波并降低辐射噪声,是声隐身的常用手段。采用耦合有限元方法分析敷设声学覆盖层的标准潜艇收发合置低频目标强度,包括单壳体模型和双壳体模型。首先,建立声-壳-结构耦合有限元模型,并验证了模型的准确性。其次,分析了单壳体标准潜艇的目标强度,结果表明敷设声学覆盖层可以改变目标强度曲线的起伏特性,在某些频率点或入射角度,敷设声学覆盖层时的目标强度甚至比未敷设时更大。此外统计表明,敷设声学覆盖层可以略微降低平均目标强度。最后,分析了双壳体标准潜艇的目标强度,结果表明外壳敷设声学覆盖层可以改变目标强度曲线的起伏特性并且略微降低平均目标强度,而在此基础上再增加内壳声学覆盖层则几乎没有效果。

基于波束计算的水下声学探测设备声兼容传播过程分析

对于搭载多种声学探测设备的水下平台,不同设备的信号可能会产生相互干扰。因此,根据探测设备的波束特性,针对水下平台对海底的探测情形,来分析探测设备声兼容传播过程的特性。结合射线声学和海底散射模型,建立了声兼容分析中声传播的计算方法,并且分析了传播过程中各种因素对声兼容设计的影响。结果表明,在算例的波束条件下,声速剖面对声兼容性的影响较小,而特定类型的海底底质的影响较大。此外,水下平台距海底越高,或者波束偏转越大,声学设备间的相互干扰就越大。为了尽可能减小干扰信号的影响,应尽量避免干扰信号的发射波束和接收波束交叠,此外还给出了波束覆盖角阈值和干扰信号衰减的关系。

用于矢量水听器的弯曲圆盘型声压水听器

针对在同振型矢量水听器中有效地复合声压通道的问题,提出一种采用压电双迭片结构的弯曲圆盘型声压水听器。压电双迭片由中心开孔的压电圆片和金属背衬组成,采用弯曲振动工作模式。为提高声压水听器的灵敏度,分别通过理论计算和有限元仿真的方法对双迭片结构进行了分析与优化设计,并制作了一只声压水听器样机用于实验验证。测试结果表明,声压水听器的灵敏度为-157 dB(0 dB re 1 V/μPa),在25 Hz^1000 Hz频带内分布平坦,并具有全指向性的特点。综合理论研究与实验室测试结果,这种弯曲圆盘型声压水听器成功满足了低频宽带声信号接收的需要,达到了复合同振型矢量水听器对声压通道的设计要求。

基于图像识别的深海探测目标跟踪系统开发

通过对比现有的图像处理算法,在基于上下文STC算法的基础上设计了软件的跟踪器功能,并设计了底层云台电机的速度控制方法,实现了云台电机在跟踪过程中的平稳控制,结合跟踪器完成了深海光学观察任务中云台观察组件的跟踪功能的开发。后期对已知运动信息的运动目标物进行跟踪效果检验,验证了跟踪功能的有效性。

基于分FrFT的LFM浅剖包迹信号求解算法研究

LFM信号在分数阶Fourier域具有能量聚集的特性,在分数阶Fourier域对LFM信号进行滤波处理能够有效去除信号与噪声间的时频耦合,提高信号信噪比。基于分数阶Fourier变换(FrFT)对LFM浅地层冲激响应包络信号(浅剖包迹)处理技术开展理论与仿真研究。通过FrFT有效去除浅剖包迹信号与干扰噪声间的时频耦合,并提出一种基于FrFT方法的浅剖包迹信号求解方法,直接获取高信噪比的浅剖包迹图像。经过仿真研究,通过求解方法可以省略通常的FrFT步骤,直接获取信噪比较高的浅剖包迹图像。

基于磁罗盘、DVL及GPS的组合导航系统设计

针对水下潜器导航定位系统成本昂贵且水下定位精度不高的问题,设计了一种基于磁罗盘、多普勒测速仪(DVL)及全球卫星定位系统(GPS)的低成本组合导航系统。采用分段线性插值拟合补偿法及声速补偿法,对磁罗盘和多普勒测速仪进行校准及补偿,提高了单个导航设备的精度。最后通过卡尔曼滤波进行数据融合,提高了整个导航系统的精度,实现了水下潜器的精确导航。

基于SIMATIC S7-300 PLC的选煤厂原煤准备集中控制系统设计

首先着重分析了选煤厂原煤准备系统的工艺流程,又结合选煤厂的实际情况提出了原系统存在的缺陷和不足。通过对现有原煤准备系统的分析,确定了系统的控制方式,并提出了系统的整体设计方案,设计了系统下位机硬件电路和上位机监控软件,实现选煤厂原煤准备系统的自动化要求。

深海载人平台观察系统研究与设计

介绍水下摄像与照明装备以及观察窗的技术现状,围绕深海载人平台观察系统开展设计,阐述深海载人平台高清摄像与水下照明系统的布置及体系架构,给出深海载人平台观察窗的类型和材质,分析深海载人平台观察窗的照明条件和厚度,为深海载人平台观察系统的设计提供参考。