基于测深侧扫声呐的DOA估计算法研究

针对测深侧扫声呐进行波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计时会受到阵元幅度、相位误差及低信噪比影响的问题,提出一种改进的波束域加权子空间拟合算法。首先,采用总体最小二乘-旋转不变子空间算法进行回波方向预估计;其次,将连续线阵划分为多个子阵,并将各个子阵在预估计方向做加权波束形成;再次,采用加权子空间拟合(Weighted Subspace Fitting,WSF)算法构造代价函数;最后,采用阻尼牛顿法求解得到高精度的DOA估计结果。仿真结果表明,文中所提算法在阵元出现幅度相位误差条件下的角度估计均方误差相对于WSF算法减少了约0.03°。海试数据分析结果表明,文中所提算法的测深点均方误差整体优于WSF算法,其相对测深精度提高了约9.8个百分点。以上分析结果表明,文中所提算法整体优于WSF算法,可以实现在阵元幅度相位误差及低信噪比情况下的高精度DOA估计。

海洋磁性源瞬变电磁探测系统姿态变化影响研究

近年来,随着海洋油气资源开发和利用的逐步深入,海洋磁性源瞬变电磁法得到广泛应用。在实际数据采集中,由于海底环境、洋流、航速不均等因素的影响,发射与接收回线装置在海水中的姿态难以保持稳定。探测系统姿态变化会导致收、发回线装置与海底电性异常体的耦合关系发生变化,观测数据出现较大误差,影响解释结果的可靠性。为此,首先基于电磁场基本理论推导了有限水深条件下海底各向同性水平层状介质模型中任意磁偶极源频率域三分量电磁场表达式,基于电磁场叠加原理分析了海洋磁性回线源电磁响应特征;其次,针对姿态变化前、后分别定义两类坐标系及相关的发射、接收双旋转矩阵,建立了水下拖曳式磁性源姿态变化的数学模型;最后,以浅海拖曳式中心回线瞬变电磁探测系统为例,通过模型算例分析收、发系统姿态变化引起的观测数据误差分布特征,及瞬变电磁响应结果与姿态变化角度、衰减时间、海水深度、海底沉积层电性等参数之间的关系。研究成果有助于量化海洋磁性源瞬变电磁探测系统的参数设计,为该方法的推广及数据的处理、解释提供理论基础。

压缩感知在宽带声学多普勒测速技术中的应用

为降低宽带声学多普勒测速技术中宽带回波信号处理系统的采样和数据存储压力,研究了压缩感知的回波信号重构算法,并将其应用于宽带声学多普勒测速的回波信号分析中。在点回波模型下进行宽带回波信号的仿真实验,利用复协方差法计算频移。仿真实验结果表明,在无噪声的理想条件下,利用压缩感知理论处理宽带多普勒测速的回波信号,能够达到理想的测频效果;在相同的噪声条件下,应用压缩感知方法处理后的回波信号能够获得与带通采样方法相当的测频效果。

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。

波束开角对多普勒测频结果的影响

具有不同波束开角的声学多普勒测速设备未标定的测速结果存在偏差。基于水底椭圆散射模型研究了波束开角对声学多普勒测速结果的影响,对提高声学测速性能具有实际意义。水底椭圆散射模型下,足印上不同方位传播损失和散射强度存在差异,导致频谱不对称,测频结果偏小。利用不对称系数量化频谱不对称程度,若波束开角增大,方位不对称系数随之增大,测频偏差增大,推导了波束开角导致的测频偏差解析式。分析仿真和外场试验数据测频结果可知,不同多普勒频移下测频偏差和理论计算值相符,不同波束开角下实际测频偏差与理论公式计算的测频偏差均随波束开角增大而增大。

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。

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。

基于重传的协作多跳水声网络能耗优化研究

针对水声网络的低能耗远距离传输问题,建立了具有反馈重传机制的协作多跳网络能耗模型,基于水声传播衰减和噪声特性通过曲线拟合的方式获得了最优衰减噪声因子的近似函数关系式,以简化能耗模型。仿真分析给出端到端总误包率要求下协作多跳水声网络每比特传输能耗与协作节点数、跳距、最大传输次数之间的关系。结果表明,多跳可以节省大量能耗。允许一次重传就足以对网络全局最小能耗带来较大节能增益,并有效减少最优协作节点数及提高最优跳距,从而能降低网络能耗对网络节点密度的要求,特别适合水声传感器网络应用。

宽带多普勒测速技术中的发射信号

声波信号作为系统测速的载体,直接影响测速性能,是多普勒测速技术的关键。研究了不同发射信号的频谱特性及基于复协方差法的多普勒频移测量误差。一般假设二相编码信号频谱关于载频对称,但实际上其频谱为不关于载频对称的双边谱,不对称程度由不对称系数量化。不对称系数越小,测频偏差、标准差均越小,即测频性能更佳。仿真实验表明,在不考虑波束开角的点回波模型下,差分重复伪随机Blackman码元幅度调制编码信号与常用的非差分重复伪随机二相编码信号相比:不对称系数低3个数量级;信号频带同带宽内信噪比在0^-10 dB范围内测频标准差约下降2%~20%;信噪比高于10 dB时相对测频偏差约小5‰~6‰。

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。

减小声呐发射机余振时长的方法研究

为了解决目前声呐发射机中余振衰减时间较长的问题,首先分析了余振产生的原因及可能有效减小余振衰减时间的方法,并采用实验的方式验证了减少变压器匝数、采用引线电感小的连接线及减小换能器内阻这三种方法的有效性。实验证明这三种方法均可在不同程度上减小声呐发射机的余振时长;采用减少变压器匝数和减小换能器内阻这两种方法,发射机的余振时长可明显减小。余振时长直接影响余振盲区,余振时长的减小为进一步提高多普勒测速仪的性能提供了可能。

基于虚拟移动长基线的载人潜水器声学定位算法

为保障潜水器水下安全作业,设计了一种基于虚拟移动长基线(VMLBL)的声学定位算法,并对影响定位误差的因素进行了分析。该算法无需事先布放海底基阵,仅利用存储的距离信息实现潜水器定位。首先基于卡尔曼滤波算法的新息特性对测距信息进行野值剔除及信息修正,克服异常值对定位结果的影响;然后融合潜水器移动矢径和测距信息构建虚拟移动长基线定位系统,用最小二乘法对其进行解算;最后级联卡尔曼滤波进行信号处理并给出最终定位结果。仿真和试验结果表明,算法定位误差在10%以内的数据有效率可以达到95.1%,定位结果能较好拟合超短基线定位系统,可以为载人潜水器提供有效的辅助定位。

水下单边带语音多通道增强技术

船舶噪声是影响水下语音通信质量的主要因素。为了提高单边带语音信号的信噪比和语音质量,采用多通道自适应增强算法对语音信号进行研究。该算法运用自适应信号增强技术,具有运算量小、易实时实现、消噪效果显著等优点,并且能够有效利用不同换能器接收到的信息。从理论上对该算法进行了分析,并结合海试数据进行验证。结果表明,低信噪比、非平稳噪声环境下,该算法有效抑制了接收信号中的尖锐噪声,并且当系统收敛时,使其趋于白化,明显提高了系统的输出信噪比,显著改善了语音质量,在性能上明显优于传统的信号相干叠加算法。

基于聚类与SIFT算法的自动地形成图方法研究

针对智能水下机器人由于长时间工作,在进行地形图构建时,成图精度变差的问题,提出了一种基于聚类和尺度不变特征转换算法的,可以对相邻测线的地形图进行自动成图修正的新方法。利用尺度不变特征转换算法和K-means算法进行特征区域的提取与配对,再利用卡尔曼滤波算法进行目标跟踪,即可得到较为准确的坐标数据,从而提高地形图精度。试验证明该方法能够较为准确地进行特征点的选择以及配对,并进行目标跟踪,将误差降低56.15%。实现了相邻测线的自动修正和地形成图,具有可行性。

基于四阶累积量的测深侧扫声纳波达方向估计方法研究

针对高频测深侧扫声纳工作时会受到高斯色噪声影响的问题,提出基于四阶累积量及幅相误差自校正的波达方向估计方法。首先,计算声纳回波信号的四阶累积量,得到协方差矩阵;其次,采用加权平均算法对协方差矩阵进行降维处理,得到构造矩阵;再次,通过恢复构造矩阵的Toeplitz特性完成幅相校正,并增加相位线性拟合算法进一步提升校正效果;最后,采用求根多重信号分类(Root-MUSIC)算法求解得到波达方向估计。仿真结果表明,本文算法的角度估计均方误差相对于基于自校正的Root-MUSIC算法有约0.07°的提升,改善了四阶累积量算法在阵元幅相误差条件下估计精度下降的问题。海试数据分析表明,本文算法的相对测深精度相对于基于自校正Root-MUSIC算法有约0.03%~0.08%的提升,且在水平距离90 m范围内的满足0.75%的测深精度标准。仿真和海试数据均证明了本文算法在高斯色噪声及阵元幅相误差条件下的DOA估计性能优于传统算法。

浅海磁性源瞬变电磁探测技术及其应用研究

我国海洋资源开发与空间利用的力度逐年增强,为了实现更加高效率、低成本、广覆盖的地球物理探测,基于移动平台的瞬变电磁软硬件技术发展迅速,为浅海拖曳式磁性源瞬变电磁探测技术发展提供了有利条件.本文以浅海拖曳式磁性源瞬变电磁探测系统为研究对象,通过三维正演模拟分析了浅海磁性源瞬变电磁传播规律及响应特征,在此基础上给出适用于任意发射波形条件下的全域视电阻率定义方法.接着,采用OCCAM方法对浅海瞬变电磁数据进行反演,并通过数值模拟考察了该方法的适用性与稳定性.最后,设计浅海拖曳式磁性源瞬变电磁探测系统并采用该系统开展浅海试验研究.理论数值分析和海上试验结果表明,拖曳式磁性源瞬变电磁系统能够快速、准确获得水下异常体的信息.未来将浅海拖曳式磁性源瞬变电磁系统应用于海底管道探测、水下残骸搜寻及资源勘探等领域将具有可观的应用前景.

铌酸钾钠基无铅压电陶瓷纵振换能器

高性能环境友好型无铅压电陶瓷及其应用是当前压电材料研究的热点之一。为了探究其在水声换能器领域的应用潜力,该文对铌酸钾钠基无铅压电陶瓷和锆钛酸铅压电陶瓷纵振式换能器进行了对比研究。依据仿真结果优化结构尺寸,制作了两种换能器样机并测试了其在空气中和水中的电声性能。测试结果表明,铌酸钾钠基无铅压电陶瓷换能器的谐振频率为35 kHz,最大发送电压响应为151 dB,声源级可达190 dB,在26-67 kHz的频率范围内发送电压响应的起伏不超过-4:5 dB,谐振频率处-3 dB的指向性开角约为76◦。该无铅压电陶瓷换能器具有和锆钛酸铅压电陶瓷换能器相当的发射性能,有望推动无铅压电材料在水声换能器领域的应用进程。

铁镓Janus-Helmholtz换能器非线性驱动

利用磁路法理论分析了磁阻对铁镓驱动磁场的影响,结果表明磁路中无永磁体时铁镓驱动磁场是有永磁体时的5倍以上,结合铁镓材料近似线性区小的特点,提出了一种无偏场非线性驱动方式。首先利用帕德逼近方法近似铁镓材料的磁化过程,得到磁场强度与磁致伸缩应变的关系,进而得到驱动电信号表达式,在此基础上提出了铁镓换能器的非线性驱动模型。设计研制了无偏场铁镓Janus-Helmholtz换能器样机,通过振动特性实验分析验证非线性驱动模型的可行性,最后在水中测试了换能器的发射性能。测试结果表明,采用无偏场非线性驱动的换能器在驱动电流为9.4 A时,声源级可达到198.2 dB,相对于永磁偏置磁场的换能器,声源级高了4 dB,发射性能得到了明显的提升。

相关测速声呐模型参数矩阵化求解方法

相关测速声呐的基本原理是“波形不变性”。该原理指出:发射具有一定时间间隔的信号,接收回波相关性最大的两个基元之间的间距与载体移动速度成正比。相关测速算法首先通过回波数据构建数据相关矩阵,然后利用速度估计算法将理论相关模型和回波数据构建的相关矩阵进行拟合得到最优参数信息,进而解算出载体速度信息。文章以简化最优参数求解流程为目标,提出了基于矩阵推导的参数拟合运算方法。该方法通过将底混响时空相关函数模型中的目标参量进行分离,进而将函数转变为矩阵形式,随后通过矩阵QR分解等手段,根据局部最小二乘法推导目标参数的求解公式,并直接求解出目标参数的解析解。仿真和湖上试验数据验证了该方法可以作为一种速度解算方法的可行性,并且具有运算复杂度低的优点。

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%。