浅海动态环境下蛙人探测声呐布放深度优化技术

蛙人探测声呐的探测性能及作用距离不仅与目标海区的声速剖面和自身性能参数有关,还与其布放深度有关,其布放深度的选择对于水下目标探测具有重要意义。以射线跟踪理论为基础,建立了基于探测概率感知的声呐性能评估模型;提出了一种声呐布放深度自适应优化算法,该算法以不同准则进行两次筛选优化后可得到声呐最佳布放深度。仿真结果表明:在不同水文情况下,所提优化算法可以有效选择最优布放深度,进而提高声呐对目标的探测性能。

基于水声信道探测的相干通信自适应调整技术研究

针对水声信道的特点,研究了相干通信自适应调整技术。通过对信噪比和接收信号与本地信号相关系数的分析,提出了在一定信噪比的条件下以相关系数为参考标准,自适应调整多种相干通信调制方式,从而达到在满足较低的误比特率前提下提高传输比特速率的目的。给出了相关系数控制参数k,通过k来调节相关系数控制区域,分别在降低误比特率、提高传输速率、降低调制模式转换速率三方面提高自适应相干通信系统的性能。

回波信号限幅对声学多普勒测速偏差的影响

声学多普勒测速设备常采用复协方差算法测量多普勒频移,当回波信号出现限幅时会产生频移测量偏差,进而导致测速偏差。文章基于复协方差算法分析了回波信号限幅引起多普勒测速偏差问题的原因,得出限幅后频移测量偏差随真实频移变化而呈现正弦振荡变化的规律,分别使用窄带和宽带发射信号完成回波限幅仿真计算。基于声学多普勒测速仿真器和海上试验完成了对声学多普勒测速设备回波限幅数据的采集,仿真和试验数据结果与理论分析结果一致。

低信噪比下基于多元变分模态分解的水下蛙人特征提取

为提高低信噪比下对蛙人辐射噪声的提取能力,提出了一种矢量多通道信号的水下蛙人辐射噪声特征提取方法。首先针对矢量多通道信号使用多元变分模态分解,得到固有模态函数。然后选取能量最高的模态函数组作为研究对象,计算该模态函数组互谱后的加权排列熵。最后提取加权排列熵频谱的蛙人特征量。海试结果表明,本方法可在无需先验信息情况下,提取由矢量水听器采集的蛙人信号特征,在检测率为80%的情况下抗噪能力较传统算法提升了10 dB。

基于频率滤波张量鲁棒主成分分析的混响抑制

提出了一种混响抑制方法用于提高有源声呐对水下运动小目标的探测能力。根据固定部署的有源声呐多帧波束形成数据之间相关性强的特点,使用频率滤波张量核范数对混响的低秩性进行建模,并使用交替方向乘子法将声呐数据分解为包含稳态混响的低秩张量和包含动目标的稀疏张量。对于稀疏张量中存在的混响起伏干扰,进一步提出利用动目标回波与混响起伏在加权时空密度上的差异抑制混响。通过实测浅海混响数据验证了所提方法的有效性,结果表明该方法能够有效抑制稳态混响和混响起伏,提高有源声呐的小目标探测能力。

GPU加速下的三维快速分解后向投影SAS成像算法

后向投影(back projection,BP)算法是一种精确的时域成像算法,但BP算法的计算复杂度高,难以实现实时性成像,特别是在考虑三维成像时,BP算法的计算复杂度会进一步增加。提出一种应用在合成孔径声纳(synthetic aperture sonar,SAS)上的三维快速分解BP(fast factorized BP,FFBP)成像算法,并利用图形处理器(graphics processing unit,GPU)加速三维FFBP算法。经过对点目标的测试,计算时间从原本的263 s降低到了2.3 s,解决了SAS中的三维成像实时性问题。同时,验证了所提算法在非理想航迹下的成像效果。结果表明,在添加幅度不超过0.1 m(一个波长以内)的正弦扰动时,所提算法对点目标仍有良好的聚焦效果。

基于深度学习的OFDM半相干水声通信方法

针对正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)水声通信中常用的相干和非相干通信分别面临的对多普勒敏感和频谱效率低的问题,提出一种高阶幅度键控调制的半相干通信技术,将OFDM符号时频帧结构中全部频点采用高阶幅度键控调制方式,并利用信号幅度信息完成半相干信道估计。通过两种基于深度学习的算法优化半相干信道估计这一非线性过程,较非相干通信有效提高了频谱效率,较一定信噪比下的相干通信提高了鲁棒性,降低了误比特率和系统复杂度,并利用元学习算法降低深度学习算法对训练数据的依赖。最后,提取海试信道数据,完成OFDM半相干水声通信系统仿真,验证了所提方法在频谱效率和系统误比特率性能方面较非相干和相干通信的优势,当信道长度改变时,基于元学习的算法依然可以获得较好的性能。

垂直水声通信中的伪随机序列精确定时算法

针对垂直水声通信中时变多普勒引起的定时偏差问题,研究一种基于伪随机序列的迭代定时估计及补偿算法。该方法利用伪随机序列作为同步信号,分三步估计时变多普勒:采用低复杂度的模糊函数法粗补偿接收信号内的平均多普勒;通过迭代插值法实现残留时变多普勒的精确估计及补偿;利用基于信道相关函数的相位信息,纠正均衡后信号的偏转相位。为实现高阶海试数据的有效解调,采用基于伪随机序列均方误差的多通道加权合并方式,获得空间分集增益。仿真及海试数据处理结果证明所提方法具有良好的时变多普勒估计及补偿性能,同时对30个通道内的1024QAM数据进行合并处理,在500 m的通信距离下,误码率为0.04,信道容量达到7.6 bits/symbol。与传统数据帧结构相比,无需使用线性调频信号,可以提高有效数据传输率。

深水多波束测深声纳多条带探测模式研究与实现

多条带技术是当今主流多波束测深声纳(multibeam echo sounder,MBES)核心技术之一,可有效解决高航速探测作业海底覆盖不完善的问题。针对深水MBES工作特点,提出一种适用于深水MBES的多条带(条带数≥2)探测模式的实现方法。该方法通过控制发射时序与信号频率、采用多条带姿态稳定发射与接收算法,来实现深水MBES多条带探测模式。基于该方法在国产1°×1°全海深多波束测深系统上,实现了双条带(即条带数为2)探测模式并完成海试。试验结果表明,使用双条带探测模式可在12 kn航速下依旧获得较好的海底覆盖效果,并且测深精度能够满足国际海道测量组织(international hydrographic organization,IHO)特级标准和我国海道测量规范国家标准。由此表明,本文深水MBES多条带探测模式可有效提升深水MBES的探测效率和成图分辨率。

适用于水声传感器网络的混合路由协议

针对水声传感器网络中静态节点与移动节点不同路由设计需求,分析确定性路由和机会路由的特点,提出一种适用于水声传感器网络的混合路由协议(HRP-USN),将水声传感器网络区分为静态节点和移动节点开展设计。静态节点路由协议融合静态路由和动态路由优点,路由建立过程手动配置路由表,路由维护和重建过程采用联合MAC层反馈及聚焦转发控制的方式,兼顾自组织性和协议复杂性;移动节点采用机会路由,将数据以单跳方式发送到静态节点,自适应确定最优中继节点后按照已有路由传输到网关节点,利用水声信道广播特性,提升网络弱通信条件下数据包投递率。通过仿真分析,在不同节点移动速度和误码率条件下,HRP-USN数据包投递率明显优于其他传统路由协议,更加适合水声传感器网络。

基于模糊聚类信源数估计算法的研究、仿真与应用

为了改善在小快拍情况下盖氏圆准则信源数估计算法的估计性能,提出了一种基于模糊聚类的信源数估计算法(Fuzzy Clustering Based Estimator-FCBE)。基于模糊聚类的信源数估计算法使用了待分类对象(特征向量)隶属于信号子空间的隶属函数值作为分类的特征,实际上引入了从对象参数到分类特征的一次映射,符合阵列信号处理中信源数估计的实际情况。通过仿真实验比较了基于模糊聚类的信源数估计算法和盖氏圆准则在小快拍下的估计性能,并且在浅水高分辨率测深侧扫声纳中的实际应用验证了基于模糊聚类的信源数估计算法的有效性。

蛟龙号载人潜水器声学系统

0引言深海载人潜水器是运载科学家、工程技术人员和各种专用仪器和工具快速、精确地到达各种深海复杂环境,进行高效的勘探、科学考察和开发作业的装备。它是人类开发深海、利用海洋的一项重要技术手段,使得科学家和工程技术人员能够亲临深海现场,实地观察、分析、判别、测量、采样和作业。深海载人潜水器已经在深海矿物调查。

大规模知识图谱数据的分布式存储与检索系统

知识图谱已经广泛应用于各个领域。针对传统集中式查询的效率低和硬件压力大等问题,对大规模知识图谱的分布式检索与查询进行了研究。采用基于查询负载优化的轻量级重划分算法,通过设置不同权重实现了服务器间的查询负载均衡,从而在查询速度和系统性能上都有了显著的提高。同时,设计了基于查询代价的子图分解查询算法,以查询图的结构信息为基础,加快了系统的查询速度。在分布式微服务管理系统中,采用Spring Cloud的分布式微服务架构和Nginx的负载均衡技术,保证了系统在高并发情况下的可靠性和高可用性。实验结果表明,这些算法在查询效率和系统性能方面都优于传统算法,具有实际应用价值。

水下传感器网络移动节点时间同步算法研究

针对水下节点授时过程由于节点移动导致的传播时延时变、低能耗需求等问题,提出一种基于多普勒测速仪测速的水下移动节点时间同步算法(MNTS)。通过建立节点运动模型和分析节点移动性对时间同步参数计算的影响,推导了时钟参数计算公式,解决了授时过程中节点运动导致传播时延估计难的问题;并且待同步节点基于单程通信模式获取标准时间信号实现时钟漂移率的估计,节省了网络能耗。仿真实验结果表明,该算法提升了时间同步精度和能效,更适用于资源有限的水下传感网络。

一种基于测深仪的声学Pinger距底高度测量方法

在大洋沉积物取样作业中,实时获取取样器距底高度和准确判别取样器是否触底是整个作业的关键。提出了一种基于测深仪的声学Pinger距底高度测量方法,并成功应用到了2013年"蛟龙"号试验性应用航次的常规调查作业中。实际应用表明,该方法不仅能够实时获取声学Pinger距离海底的高度,而且能够准确判断取样器是否触底。

联合特征选择与改进集成学习模型的海底底质分类

针对侧扫声呐获取类型复杂的海底底质数据分类问题,提出联合特征选择与改进Stacking模型的数据自驱动分类方法。该方法首先在海底散射数据多域态特征的基础上采用ReliefF算法提取有效的低维度特征,然后将人工鱼群算法与Stacking模型结合形成改进集成学习分类器,完成海底底质分类。海上数据处理结果表明该方法可对多种海底底质类型进行分类,分类准确率、Kappa系数和F1-score分别达到85.55%,0.857和0.887,证明了该方法的有效性。

面向星座概率成形的向量近似消息传递软频域均衡算法

在发送端通过能量扩展变换来改善向量近似消息传递软频域均衡算法收敛特性,均衡器迭代输出可近似认为无符号间干扰,均衡器输出符号与发送符号之间可用加性高斯白噪声信道来建模。在带宽受限的加性高斯白噪声信道下,均匀分布的调制方式距离香农容量限有一定差距。为缩小这个差距,发送端可通过星座概率成形设计,获得成形增益。接收端可利用非等概符号的先验信息改进均衡器结构,提升接收性能。理论分析和仿真结果表明,在经典的Proakis B和Proakis C多径信道下,所提算法能够大幅度提升收敛速度以及均衡性能。相比均匀分布的信号,约有0.5 dB的性能增益。

一种新的水下宽带信号解模糊定位方法

提出了一种新的水下宽带信号的超短基线SUBL解模糊定位方法,分析了近体多径对解模糊的影响,在此基础上建立一种新的相关峰模型,从相关结果中选取匹配数据段与本地新的局部相关峰模型进行匹配。根据匹配结果估计初时延。相位改用第一个过门限点处相位,并用初始时延迟消解相位模糊,得到高精度的时延估计,从而进行稳定定位。相比于传统算法,本文算法能大大提高存在近体多径时解模糊的正确率。通过仿真分析,本文仿真结果表明算法在0.7倍近体多径情况下,本文算法解模糊的正确率达到了100%。在湖试中本文算法的解模糊正确率达到了95.2%。

水声高速图像传输信号处理方法

研究了水声图像高速传输信号处理方法,它包括两个方面,一方面是水声相干通信信号处理方法,其中:(1)多普勒频移补偿,在数据包的前后两端插入已知线性调频(Chirp)信号,拷贝相关后求互相关,估计相对多普勒平均频移。在自适应判决反馈均衡器中加上自适应相位补偿器,采用快速自优化最小均方(LMS)算法,与其对应的速度容限优于常用的二阶锁相环相位补偿器的。两种补偿方法联合工作时,性能优良。(2)带有分集合并器的自适应判决反馈均衡器的算法是快速自优化的LMS算法,计算量小,性能优良。(3)自适应判决反馈均衡器与Turbo-网格编码调制(TCM)译码器级连、迭代算法。研究了基于软输出维特比(SOVA)方法的新型的比特-符号转换器,用它时误比特率(BER)比常规编码、映射方法的近似小2个数量级。另一方面是抗误码的图像压缩方法。本文基于数字小波变换和定长编码方法,研究了声图像的压缩。它包括:(1)选用CDF9/7小波进行小波变换。(2)对小波系数子带能量进行统计分析,三层小波分解是合适的。(3)对不同能量的子带采用不同的量化步长。(4)采用定长编码算法。结果表明声图像压缩比特率为0.85。当BER小于10^(-3)时,图像质量完好。当BER小于10^(-2)时,图像中出现少量小黑白点。在上述基础上研制了水声通信机,频带为(7.5～12.5)kHz,接收声呐阵为8基元等距线阵,信号为QPSK和8PSK。在中国千岛湖进行了湖试,采用SOVA硬迭代算法,达到了低BER。传输一幅256×256×8的声图需时约7s。传输距离与传输速率之积为55 km kbps。

载人潜水器'蛟龙'号的水声通信信号处理

蛟龙号的水声通信机实现了世界上首次7000 m深度的潜器与母船间的图像、语音、数据和文字的水声通信传输。研究了适用于载人潜水器的水声通信信号处理。(1)它有4种通信功能:1)相干水声通信,传输速率为5～15 kbps,用于传输图像;2)非相干水声通信,传输速率300 bps,传输文字、指令和数据;3)扩频水声通信,传输速率16 bps,传输指令;4)水声语音通信,采用单边带调制技术传输语音。(2)相干水声通信信号处理方法主要是自适应多普勒补偿的多通道自优化判决反馈自适应均衡器,它与Turbo码级联工作,同时采用定长编码的小波图像压缩方法。(3)声呐线阵吊放至水中一定深度,实现空间分集合并技术。(4)太平洋水域试验表明,水声通信机的作用距离几乎覆盖了所有地球海洋的深度,7s或14s传输一幅光图或声图。