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。

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.

单矢量水听器稀疏近似最小方差方位估计算法

针对单矢量水听器海上目标探测问题,利用稀疏近似最小方差(Sparse Asymptotic Minimum Variance,SAMV)算法进行目标方位估计,该算法利用单矢量水听器自身具有阵列流形的特点,将整个扫描空间离散化,目标方位分布于某一离散方向位置上,利用空间信号的稀疏性可提高目标方位估计性能。仿真结果表明,SAMV算法在各信噪比条件下方位估计噪声背景级明显优于常规波束形成(Conventional Beam Forming,CBF)算法和最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)算法,当信噪比大于0dB时,该算法测向结果均方根误差小于2°,且SAMV算法具有更好的空间方位分辨能力。消声水池和海上声学浮标海上试验数据处理结果表明,SAMV算法给出了噪声背景级更低的目标方位历程图,有效验证了SAMV算法对海上目标的探测性能及其有效性。

基于注意力机制的泊位占有率预测模型研究

为解决泊位占有率的预测精度随步长增加而下降的问题,提出了一种基于注意力机制的泊位占有率预测模型。通过卷积神经网络获得多变量的时间模式信息作为模型的注意力机制。通过对模型训练、学习特征信息,并对相关性高的序列分配较大的学习权重,来实现解码器输出高度相关的有用特征预测目标序列。应用多个停车场数据集对模型进行测试,测试结果及对比分析表明,所提模型在步长达到36时对泊位占有率的预测数据能较好地估计真实值,预测精度和稳定性相比LSTM均有提高。

增强开发能力的改进人工蜂群算法

为解决人工蜂群(ABC)算法收敛速度慢、精度不高和易于陷入局部最优等问题,提出一种增强开发能力的改进人工蜂群算法。一方面,将得出的最优解以两种方式直接引入雇佣蜂搜索公式中,通过最优解指导雇佣蜂的邻域搜索行为,以增强算法的开发或局部搜索能力;另一方面,在旁观蜂搜索公式中结合当前解及其随机邻域进行搜索,以改善算法的全局优化能力。对多个常用基准测试函数的仿真实验结果表明,在收敛速度、精度和全局优化能力等方面,所提算法总体上优于其他类似的ABC算法(例如ABC/best)和集成多种搜索策略的ABC算法(例如ABCVSS(ABC algorithm with Variable Search Strategy)和ABCMSSCE(ABC algorithm with Multi-Search Strategy Cooperative Evolutionary))。

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.

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。

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。

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。

单深度传感器的矢量拖曳阵阵形估计

在二维平面内,假设为抛物形阵形,利用矢量拖曳阵的姿态数据和一个深度传感器的深度数据,研究了矢量拖曳阵的阵形估计问题。通过研究姿态数据中的姿态角与水听器所在阵位置上切线方向数的关系,利用最小二乘法建立了一个等式约束的非线性优化模型,并通过参数转化方法,给出了该模型的解析算法。数值仿真结果表明,在阵形为抛物形的假设下,利用一个深度传感器的深度数据和若干水听器的姿态数据可以进行拖曳阵的阵形估计。对于同样的阵元数,随着姿态数据误差的增大,阵形估计的误差增大。对于同一姿态数据误差分布,随着阵元数的增加,阵形估计的误差减小。

同振式矢量水听器耐压球壳优化设计

针对深水矢量水听器的结构耐压问题,推导外压球壳最大应力公式,分析同振式球形矢量水听器的材料和尺寸对其声学性能和耐压性能的影响。基于此,给出一种最小平均密度薄壁耐压球壳的设计方法。从典型深海工程材料中优选7075T6铝合金材料,设计、制作一型设计耐压深度3000 m的同振式球形矢量水听器。对该水听器耐压结构进行了有限元仿真,并对其灵敏度、指向性和耐压能力进行了测试。结果表明:该矢量水听器具有良好的余弦指向性,500 Hz处灵敏度为-188 dB,能够耐受37.5 MPa外压;最小平均密度薄壁耐压球壳的设计方法及工程样机设计方案是合理和可行的。

一种新型水下声学浮标在目标探测中的应用

针对海上目标探测问题,将矢量水听器和Argo浮标相结合,可构建一种具有水中目标探测能力的新型水下声学浮标平台。该浮标平台可多次上浮和下潜,具有在位时间长、隐蔽性能高、成本低等特点,单台水下声学浮标即可实现海上目标探测,利用多台水下声学浮标可快速形成大面积区域覆盖能力。为进一步验证水下声学浮标对海上目标探测性能,2019年8月在南海海区开展了多台水下声学浮标海上试验,数据处理结果表明:南海夏季典型声速剖面下,水下声学浮标对船长42m航速8.4kn的水面航船目标最远探测距离可达13.8km,目标估计方位均方根误差最优可达5°,在水面航船距离最近的1.9km处,目标估计方位标准差可达2°。

视频流传输中的网络编码综述

网络视频应用增长迅猛,利用网络编码(NC)来提高网络吞吐量和传输可靠性进而改善视频流传输质量成为研究热点。针对如何优化网络编码进行视频流传输这一问题,必须要结合视频流自身特性作出改进并综合考虑所处的网络环境,才能充分发挥网络编码的优势。首先回顾了网络编码的基本概念和方法;然后对网络编码应用于视频流传输时需要考虑的视频业务特性,包括进行不等差错保护以优先保障重要等级视频数据包、降低数据包传输延迟以满足视频流实时性需求、增强网络差错恢复策略以提升传输可靠性等作了分析和归纳;接着阐述了基于网络编码的视频流传输策略在包括P2P、多源协作及内容中心网络等典型场景中的应用;最后对网络编码应用于视频流传输的研究趋势进行展望。

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。

重力式桥墩与船舶斜向碰撞过程数值仿真

运用结构动力学理论,以材料非线性、几何非线性、接触非线性为基础,同时考虑动水压作用的影响,对跨内河航线某铁路桥梁重力式桥墩结构与900 t级散货船的斜向碰撞过程进行数值仿真。讨论了不同碰撞速度和碰撞角度对碰撞力及应力分布的影响规律,对碰撞过程中墩身、承台与桩基础性的损伤情况进行了评估。分析结果表明:碰撞速度对碰撞力峰值有明显影响且碰撞力随碰撞速度增大而增大;碰撞角度对碰撞力峰值影响较小;碰撞过程中除碰撞区域外,墩顶垫石与上部结构连接区域、墩柱与承台连接区域、桩基础与承台连接区域出现高应力分布情况,易发变形或开裂使桥梁结构出现安全隐患。

二维矢量水听器及其在Argo浮标平台上的应用技术

传统同振式矢量水听器在水下缓动声纳平台应用时,自身姿态变化难以准确测量,导致目标测向精度低,为此开展了二维复合同振式矢量水听器研究。分析二维矢量水听器姿态实时测量与校正原理,选取微机电系统姿态传感器作为姿态感知器件,设计具备姿态测量功能的二维复合同振式矢量水听器,并实现其在Argo浮标平台的集成应用。海上试验结果表明:同振式矢量水听器可在10~3000Hz范围内采集声场信息,矢量通道具有余弦指向性,在1 kHz频点处灵敏度为-179.5 dB(0 dB参考值为1 V/μPa),声压通道灵敏度级为-191.5 dB±0.5 dB(0 dB参数值为1 V/μPa),具备姿态测量功能;同振式矢量水听器应用于浮标平台进行海洋环境噪声与水中目标同步监测技术可行,为其在水下缓动声纳平台工程化应用奠定了基础。

基于矢量水听器的水下声学浮标系统设计

针对海洋安全技术发展对无人自主探测平台的迫切需求,设计了一种具有海洋目标探测功能的水下声学浮标系统,该系统声学探测单元基于姿态感知复合同振式矢量水听器,水声数据采集与实时分析单元采用FPGA+DSP的设计方案,可控制声学探测单元工作时序,并完成水声和姿态信息联合信号处理。为验证水下声学浮标系统目标探测能力,在南海某海域开展目标探测能力试验验证。结果表明,深海良好水文环境条件、浮标采用定深漂流工作模式,对600 t级、10节航速航行科考船探测距离≥10.3 km。

STM32H743系列水声数据采集存储系统设计与实现

为了实现小型水下工作平台对水声换能器长时间采集存储,设计了一种以STM32H743系列为核心控制器的小型化、低功耗、大容量采集存储系统。程序设计主要采用STM32CubeMX完成整体框架搭建和外设控制器配置,并在HAL库基础上完成应用控制逻辑设计。特别在存储类型外设控制上添加了必要的异常处理和信息反馈,不仅提高系统可靠性,还为应用平台提供了多种应急处理方案。经测试,系统工作性能稳定,整体功耗可控制在1.5 W以内。经数据上传和分析,以太网上传速度可达到3 MB/s,上传功能稳定,数据存储正常。目前该系统已小批量生产,并应用于小型水下工作平台。

拼镶圆盘换能器参数仿真研究

拼镶弯曲圆盘换能器的建模仿真是对换能器声场物理过程的认知,通过仿真研究原理,优化设计参数可以有效提高换能器的工作效率。为了获得拼镶弯曲圆盘换能器的最优参数,利用有限元软件Ansys建立其有限元模型,在其金属结构不变的情况下对拼镶压电陶瓷环的不同参数进行了仿真,进而分析了参数对谐振频率、谐波响应、发送电压响应的影响,确定各参数对换能器性能的影响,寻找换能器设计的最优参数。