海洋强国战略背景下国防类高校海洋科学学科建设方案探索与实践研究——以哈尔滨工程大学为例

21世纪是世界海洋强国在海洋科技领域竞争角逐的关键时期。继党的十八大之后,十九大期间海洋强国战略思想再次吹响号角,毋庸置疑,建设海洋强国是实现中国梦的必经之路。十年树木,百年树人,扬帆海洋科技发展之进程需现代海洋科技优秀人才做先锋。本文以在海洋国防建设领域占有重要角色的哈尔滨工程大学为例,结合国家战略需求、学校特色优势、学科发展背景等要素,通过海洋科学学科建设方案的探索与实践,从学科方向、研究方向、课程建设、思政创新等角度给出了良好的经验与心得,可为国防类高校海洋科学学科建设提供一定的思路借鉴。

水声通信及网络技术综述

水声通信(UAC)及网络技术在海洋环境监测、商业领域和军事领域等诸多方面发挥着重要作用,关心海洋、认识海洋、经略海洋离不开水声通信及网络技术的发展。该文对水声通信技术和水声通信网络(UACN)进行综述,首先回顾了水声通信技术和水声通信网络的发展,总结了水声信道的特点。然后,对于水声通信技术中的非相干调制技术、相干调制技术以及以应用需求为导向的新型通信技术进行陈述。随后,对于水声通信网络中数据链路层媒介接入控制协议、网络层的路由协议和跨层设计进行分类探讨。最后,对目前水声通信及网络技术的不足进行总结,并且对未来水声通信及网络技术的发展进行展望。

基于MEMS前沿传感技术的水声专业教学实践研究

针对信息技术应用模式快速发展对创新型人才培养的迫切需求,围绕着水声工程创新发展要求,提出将压电MEMS芯片传感前沿技术与学生毕业设计题目关联,开展毕业设计实践,突破原有毕设题目独立设置模式,并通过与科研院所联合开展学生实践活动,使学生在较短的时间内掌握压电MEMS芯片前沿技术背景、关键技术以及与水声工程应用技术内在支撑关系,为专业领域新型人才培养模式探索提供了经验。

基于创新科研引领的水声工程学科教学模式改革研究

分析了目前水声工程学科教学中存在的问题和挑战,提出了基于创新科研引领的教学模式改革方案。该方案主张将科研成果和实践案例融入教学内容之中,以激发学生的学习兴趣和创新思维。引入项目式教学和跨学科合作,促进学生综合能力和团队协作能力的提升。通过案例分析和实验研究,验证了基于创新科研引领的教学模式改革的有效性。研究结果表明,该模式能够有效提高学生的学习积极性和创新能力,为水声工程学科的人才培养和发展提供有益的借鉴和参考。

猝发混合扩频水声隐蔽通信技术

针对常规的连续载波调制扩频通信方式容易通过能量检测的方法被截获的问题,提出了一种猝发的混合扩频水声隐蔽通信方式,该方法通过在时间上随机的发送脉冲混合调制扩频信号来降低截获概率,而且可以比较灵活的通过调整平均占空比来满足不同隐蔽性的要求,但是该隐蔽性是以牺牲通信速率为代价的。猝发信号中混合了二进制相位键控(BPSK)、循环移位键控(CSK)和多进制频移键控(MFSK)扩频调制方式,采用自同步和时频二维搜索算法实现码元和载波同步。通过仿真分析了猝发通信系统的隐蔽性能和多途信道下的误码性能,并且通过了南海海试验证了算法的性能,在5 km的通信距离上,4 kHz的带宽内,单个脉冲信号的通信速率可以达到317 bps,误码率达到10^(-3)以下。

基于分频带传输的单载波水声通信技术研究

针对正交频分复用技术的峰均功率比较高且对多普勒频偏敏感等问题,提出基于分频带传输的单载波水声通信技术,为水下高速通信领域提供了一种可行性方案。该方案将相对较宽的通信频带划分为若干子带,在每个子带间插入保护频带,以消除载波间干扰。开展了水声通信试验,发射换能器频带被划分为两个子频带,每个子带带宽为2.25 k Hz,子频带保护间隔为0.75 k Hz,载波频率分别为3 k Hz和6 k Hz.采用被动时间反转镜联合判决反馈均衡器的接收机结构抑制码间干扰,当映射方式为8相移键控时,3 km、5 km和7 km距离上的试验数据均实现了通信速率为9 kbit/s的低误码率数据传输,验证了该系统的稳健性。

复倒谱域水声信道多途抑制技术

水下声信道因边界反射及介质不均匀性而呈现多途特性,如何采取有效措施抑制信道多途影响一直以来都是水声领域的难点和热点问题。基于同态滤波基本原理,研究了水声多途信道的复倒谱特性,据此提出了一种适用于将信道与信号分离的复倒谱域特征滤波器构建方法,并与常用的低通特征滤波器、梳状特征滤波器进行了对比分析。研究结果表明,提出的方法可有效抑制信道多途,且与上述2种特征滤波器比较,所提方法具有构建方法简易、重构信号误差较小等特点,具有工程应用价值。

抗多普勒效应FRFT-PPM水声通信技术

针对现有水声通信系统抗干扰性能不佳和易受多普勒效应影响的问题,提出了基于分数阶Fourier变换的脉冲位置调制(fractional Fourier transform-pulse position modulation,FRFT-PPM)的水声通信系统方案及分数阶域多普勒效应补偿方法。FRFT-PPM水声通信系统采用线性调频(linear frequency modulation,LFM)信号作为通信载波,借用PPM原理将信息调制到分数阶域脉冲位置中进行传输,具有通信速率可调,最高可达1.6kbit/s,抗噪声干扰能力强的优点。根据LFM信号较大多普勒容限和分数阶Fourier变换尺度变换特性,采用分数阶域分数阶域峰值位置补偿来抑制相对运动产生的多普勒效应。通过大量计算机仿真和湖试试验,验证了FRFT-PPM通信系统及分数阶域多普勒效应补偿算法的有效性与可行性。

实频数据技术在水声换能器宽带匹配中的应用

水声换能器的宽带匹配网络设计是宽带声纳发射系统的关键技术之一,良好的匹配网络可以有效地减少功放的能量损失,扩展换能器工作频带,改善发射波形失真度.由于传统的宽带匹配网络设计需要较复杂的解析理论,并需要对换能器的等效电路进行有效分析,因而采用基于计算机辅助设计(CAD)的实频数据技术对多谐振模态水声换能器的宽带匹配网络进行设计.对实频数据技术中的简化实频数据技术(SRFT)进行分析讨论,仿真分析了宽带匹配网络与传统窄带匹配的功率传输增益(TPG),完成耐压圆管水声换能器的宽带匹配网络设计,并在消声水池进行了匹配效果试验.试验结果表明:采用简化实频数据技术设计出的宽带匹配网络在兼顾工作带宽的同时能有效改善系统发射效率.在同等测试条件下,相比较无匹配的发射系统,宽带匹配系统声源级提高了10dB以上;相比传统窄带匹配发射系统,换能器工作带宽扩展了约64%.整个宽带匹配网络的设计过程全部采用计算机辅助完成且无需获得换能器的等效电路,具有一定的工程实用价值.

基于OFDM技术的水声语音通信系统设计与实现

为了克服水声信道具有的有效通信带宽及其时变、空变等特性,采用了能够有效抗频率选择性衰减、抗多径干扰以及具有很高频谱利用率的正交频分复用技术;使用AMBE-2000芯片对语音编码进行压缩,设计了适用于水声信道环境下的实时语音通信系统,并对系统的主要硬件电路和软件设计进行了分析;对语音信号作了插入舒适噪声、回波消除、音量控制等处理;最后,进行了系统联调和水池试验,结果显示:该语音通信系统通话清晰,证明了该系统的有效性和实用性。

水声迭代接收机中的超Nyquist技术和速率兼容编码技术

为良好水声信道条件设计的通信方案在恶劣信道条件下无法工作,而为恶劣水声信道条件设计的通信方案在良好信道条件下虽然可以有效工作,但是系统频谱利用率极低;为提高系统的频带利用率,通常的手段是提高调制星座的阶数,然而大量实践研究工作表明高阶的调制星座很难在水声信道有效工作。针对以上问题,本文提出一种联合超Nyquist信号发射技术和速率兼容打孔编码技术的自适应迭代接收技术;在低阶星座条件下通过超Nyquist信号发射技术可提高系统的频带利用率,采用速率兼容打孔卷积码编码技术可适应信道变化提高系统的稳健性。仿真研究表明本文提出的方案的频谱利用率在较高信噪比的加性高斯白噪声信道条件下可以超过QPSK调制的信道容量。湖上高速(最高6 kn)走航试验表明:在浅水时变的多途信道条件下,本文提出的超Nyquist发射方案可是实现无误码率数据传输,其频谱利用率为1.8 bit/(s·Hz)。

基于对角减载的水声阵列SMI-MVDR空间谱估计技术

空间谱估计一直都是水声阵列信号处理研究的热点问题,而一般认为目标和背景干扰的信息都蕴含在接收信号协方差矩阵中,因而现有的谱估计技术大多针对接收信号的协方差矩阵进行处理。由于信号和噪声的相关性,导致协方差矩阵中主对角线元素上的噪声分量最大。针对这一特性提出了基于对角减载的水声阵列采样矩阵求逆(sample matrix inversion,SMI)最小方差无畸变响应(minimum variance distortionless response,MVDR)波束形成技术。理论推导了对角减载量对输出功率谱目标方位上输出信噪比的影响,分析了最佳对角减载系数的选取原则。并针对实际工程应用情况,研究了由有限次快拍数估计的采样矩阵得到最佳对角减载系数的方法,该方法无需预估信号源数。通过算法仿真和海试数据处理,对比验证了基于对角减载的SMI-MVDR空间谱估计的有效性和可靠性。对于背景噪声级较强的水声阵列信号处理环境来说,所提方法能有效提高高斯白噪声背景下的声纳多目标分辨性能。

潜航器水声通信导航定位一体化技术进展

为了改善潜航器通信和导航定位作为独立载荷时在信息交互、带宽利用率、资源限制等方面的劣势,研究了基于水声的通信导航定位一体化技术。借鉴雷达一体化的发展历程;通过梳理水声通信导航定位一体化的研究成果,结合声呐应用背景,分析了声呐一体化的发展趋势;针对潜航器集群中的基础问题,研究了系统结构的一体化和信号体制2个关键点;最后,在潜航器多用户集群编队、水下测控和靶场建设2个方面进行了应用展望。通过分析阐述,可为未来声呐技术向集成化、一体化发展提供新方法和新思路。

水声变换域通信技术中的MMP-DCD稀疏信道估计方法

针对带限的水声通信系统在干扰严重的水下环境中性能严重恶化问题,本文将变换域通信系统(TDCS)技术引入水声通信领域,利用水声信道的稀疏特性,提出了一种基于对分坐标下降(DCD)技术的多路径匹配追踪(MMP)稀疏水声信道估计方法,该方法满足约束等距限制(RIP),每次搜索出与残差向量最相关的多个可能的支撑集,而DCD技术可以解决MMP信道估计算法中矩阵求逆带来的运算量大以及数值不稳定问题,特别适用于FPGA等定点硬件平台。研究结果表明:MMP-DCD算法估计所得的水声信道均方误差、误码率性能比最小二乘法好;卷积码编码可以降低该通信系统误码率。

反卷积波束形成技术在水声阵列中的应用

反卷积波束形成技术是一种可以同时获得窄波束和低旁瓣效果的稳健高分辨波束形成方法,其在等间距声压线阵、矢量阵和圆阵中的应用效果已经得到验证,表现出了稳健的高分辨处理性能。为了将该技术更好地运用到水声阵处理中,本文对多种水下常用阵列形式的波束形成卷积模型进行了分析推导,将其按照卷积模型类型进行了分类综述,并将其划分为波束图(也可以被称作阵列的点扩散函数)移变阵列和波束图移不变阵列。总结了移不变和移变模型阵列的反卷积波束形成典型求解方法,并给出仿真结果。结果表明:圆阵、均匀声压线列阵、非均匀声压线列阵均是一维移不变阵列,平面阵是二维移不变阵列,矢量阵和共形阵是移变阵列。

水声单载波调制技术综述

水声信道具有极其严重的时变多途扩展、多普勒扩展以及有限的通信频带资源等特点,因此建立可靠而高速的水声通信链路面临巨大的挑战。常用的水声通信调制方式主要有单载波调制和多载波调制2种,与水声多载波调制方式相比,水声单载波调制不存在峰均比等问题并且有较高的频谱利用率。本文对水声单载波通信体制的国内外研究状况进行了概述,并针对水声单载波通信体制中的时域均衡技术以及自适应技术进行归纳,最后总结国内外主要研究方向并对水声单载波通信技术进行展望。

北极冰水混合水域的水声信道预测技术

为在北极冰水混合水域环境下实现可靠的自适应水声通信,本文对此环境下的水声信道预测技术进行研究,利用水声信道的稀疏性,使用时域预测器对少数主要路径进行预测,降低计算复杂度的同时消除大部分噪声影响,提高预测精度。本文利用2018年第九次北极科学考察进行的水声通信试验数据比较了基于不同预测系数获取算法的信道预测方法性能,数据处理结果表明本文方法收敛后的信道预测误差可以达到-30dB,证明可以实现水声信道的有效预测,为冰水混合环境的水声通信提供可靠信道状态信息。

宽线性l_1范数RLS水声单载波判决反馈接收技术

为解决常规的递归最小二乘(recursive least squares,RLS)算法难以适应快变的水声信道,及未对水声信道的稀疏性加以利用导致均衡性能下降的问题,本文提出一种结合信道短化技术和基于l1范数宽线性变遗忘因子RLS自适应均衡技术判决反馈(decision feedback equalizer,DFE)接收机算法。试验结果表明:该接收机算法具有较低的计算复杂度,在稳态MSE和SER方面也具有较大的性能提升。

大尺寸弹性材料中声速的实验室测量方法研究

针对大尺寸弹性材料中声速的测量问题,将传统穿透测量法与分层介质中的射线声学理论相结合,设计了一种在水池中反演测量材料中纵、横波声速的方法.该方法使用水听器接收透过待测材料后到达的高频水声信号,依据实测信号传播时间与理论值比较代价函数,最终利用寻优算法计算材料中的两类声速。本方法既克服了传统方法不能同时获得材料内纵、横波声速的缺点,又可保证待测材料的完整性。利用开发的测量系统,水池实际测量结果的不确定度小于3.5%

基于CIES-CA的水声阵列多目标方位估计技术

为了使用较少阵元数的水声阵列实现多目标方位估计,本文针对基于子阵间距压缩的互质阵列进行研究分析。利用子空间分类算法与虚拟阵元法,在考虑阵列误差的情况下分析多目标方位估计性能。通过数值验证,在低信噪比、高阵列误差的情况下,基于子阵压缩的互质阵性能明显优于均匀直线阵与原型互质阵,且压缩倍数越大性能越高。