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。

基于单矢量水听器时频声强法的非合作水声跳频信号多维参数估计

针对传统方法对水下非合作跳频信号的多维参数估计效果不佳的问题,提出一种基于单矢量水听器时频声强法的非合作水声跳频信号空时频参数估计方法。利用矢量水听器声压通道与振速通道的接收信号建立时频域的短时互谱分布,分析噪声与信号在时频域分布的差异,通过迭代去噪法与连通域方法,对噪声进行抑制并平滑每跳的能量分布;采用复声强法对短时互谱矩阵进行处理,得到清晰稳定的跳频信号空时频分布;提取空时频分布的脊线并利用Haar小波变换对脊线进行奇异点检测,估计出信号的多维参数。仿真和水池试验结果表明,当信噪比大于-5 dB时,所提方法得到的参数估计归一化均方根误差小于0.05。

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%

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。

测向误差特征辅助两步式网络的水声纯方位定位方法

围绕水声分布式纯方位定位问题,针对传统方法的远距离定位精度低、定位结果易受初值影响等缺点,提出了一种测向误差特征辅助两步式全连接层神经网络(DFE-TS-FCNN)的纯方位定位方法。使用神经网络进行定位,提高远距离定位精度并消除初值影响,输入特征是目标方位角测量值和测向误差标准差估计值。使用两步式网络结构抑制网络过拟合,分类网络确定目标区域后,再用对应的定位网络估计目标位置。蒙特卡洛仿真实验中,所提方法在近距离达到了与迭代加权最小二乘算法和迭代总体最小二乘算法相近的定位精度,在远距离定位精度大幅提高、约束均方根误差(RMSE)小于2.5 km的条件下,最远可定向距离相比传统方法从12.6 km提升至22.7 km。在实际数据中,该方法也获得了较好的定位结果。

实验室电解水产生气泡群的尺度分布

分别通过对气泡照片进行图像处理和利用声波的散射进行反演两种方法,研究了实验室电解水产生气泡群的尺度分布.结果表明:在实验条件下,电解水产生的气泡直径在10～250μm之间;直径100μm以下的小气泡占绝大多数,超过80%,平均直径在75.4μm左右;电解水产生的气泡群呈现泊松分布;声学反演出的气泡分布趋势与光学测量结果相近.

电动式换能器声源级起伏改善实验研究

电动式换能器由于存在内部声腔,导致辐射面上的负载在频域上出现极值,使得电动式换能器的声源级响应出现起伏,给电动式换能器在宽带噪声模拟领域的应用带来了挑战。依据电动式换能器含有声腔的等效电路分析结果,针对无声腔、有声腔、在声腔底部设置吸声棉和在声腔内充入氦气4种情况,使用加速度计测试了辐射面的输出振速,归算出声源级曲线并加以比较。实验结果验证了声腔谐振导致电动式换能器频响曲线出现起伏;在声腔内充入特性阻抗小的气体可有效地将声腔的谐振频率调节至工作频段以外,从而实现电动式换能器在质量控制区平坦的响应输出。

变分模态分量降噪后重构的水声弱信号检测

针对能量检测法在低信噪比下对非合作水声探测信号的检测性能显著下降的问题,提出了一种组合变分模态分解和小波变换降噪重构的信号检测方法。以信号分解出的各个本征模态函数的近似熵与互相关系数比值作为分量分类参数,将所得分量分为信号分量、含噪信号分量与噪声分量,然后利用第二代小波变换对含噪信号分量降噪后与信号分量组成重构信号,最后对重构信号进行检测。数值仿真结果表明该方法可以在无先验信息的情况下对CW和LFM信号自适应降噪,信噪比0 dB以下时CW信号重构后信噪比提升约12 dB,宽带LFM信号信噪比提升约8~9 dB,有效提升了低虚警概率下信号的检测概率。湖试结果表明,虚警概率为0.1时检测概率可提升至0.9以上,验证了该方法的有效性。

水声网络全双工定向碰撞避免媒体接入控制协议

近年来水声网络(UAN)技术飞速发展,但仍然面临诸多严峻挑战,能量效率成为水声网络的首要考虑因素。此外,水声信道传播时延大且可用带宽受限,严重制约了水声通信技术的可靠性和有效性,进而限制了水声网络的整体性能。定向通信技术可以有效改善上述情况,通过波束聚焦能力将声波能量聚集在一定角度范围内,获得比全向通信更高的通信范围和信噪比,提升整个网络的能耗效率和空间复用率。但该技术需要对目的节点的位置具备先验知识,且会面临“聋节点”问题,因此该文提出一个水声网络全双工定向碰撞避免(FDDCA)媒体接入控制(MAC)协议,通过装备两个分别处于不同工作频带的全向换能器和定向换能器解决“聋节点”问题,并通过降低节点的冲突域解决了“暴露终端”问题。仿真结果表明,与水下Aloha(UW-Aloha)和时隙地面多址接入(S-FAMA)协议相比,FDDCA在多汇聚节点的网络拓扑下吞吐量分别提升了140%和400%,网络能效上节省了90%和94%。

广义M元扩频水声通信海试实验研究

针对广义M元扩频水声通信技术的研究现状,对已经存在的理论和水池实验的结果进行进一步的海试实验验证,通过更加恶劣的实验条件和工程实践应用的环境来验证理论的结果,在给出其时变信道冲激响应的同时,取得了鲁棒的较低的误码率结果。

带内全双工水声通信残余自干扰实时抵消技术研究

带内全双工水声通信(In-Band Full Duplex Underwater Acoustic Communication,IBFD-UWAC)因其频谱利用率可达传统半双工模式的两倍,已成为水声通信领域的研究热点之一。由于本地发射强功率自干扰信号会导致通信系统误码率性能无法达到正常需求,因此自干扰抵消(Self-interference Cancellation,SIC)技术成为IBFD-UWAC中的核心问题。针对经过模拟SIC或空间自干扰抑制后的残余干扰信号问题,文章利用硬件在环(Hardware In-Loop,HIL)仿真,基于Simulink^(■)Desktop Real-time平台,实现了实时SIC,并利用瞬时状态误差判断期望信号到达情况,提出一种基于期望信号到达阈值的改进Sigmoid函数可变步长最小均方(Improved Sigmoid function based Variable Step Size,LMS,ISVS-LMS)算法,该算法大大降低了期望信号对SIC过程带来的影响。分析、仿真及实验表明:该方法可实现实时带内全双工水声通信的自干扰抵消,且算法的收敛速度以及稳态效果均有显著提升。

多波束测深声呐自主数据质量监测及门限控制

为满足水面无人艇等海洋无人平台的需求,确保多波束测深声呐系统在无人监控和参数调节下具备可靠自主工作能力,本文提出一种数据质量在线监测及门限参数控制方法。通过建立基于质量和异常因子的监测模型,结合粒子滤波技术,提高海底地形跟踪门限控制抗差性。仿真和湖上试验显示该方法能判定数据有效性、适应地形变化,并提供合理深度门限,适用于多波束测深声呐系统的在线数据质量监测和无人自主控制。

无误差阵列协方差矩阵分离的阵列自校正方法

针对高分辨方位估计方法受阵列幅度相位影响导致性能退化的问题,提出一种无误差阵列协方差矩阵分离的阵列自校正方法。该方法利用协方差矩阵重构方法获取近似无误差阵列的协方差矩阵,以弱化协方差矩阵中的阵列误差,并利用特征结构配置方法求解幅度和相位误差。迭代上述重构方法和特征结构配置方法,实现从未校正阵列的协方差矩阵中分离出无误差阵列的协方差矩阵和幅度相位误差矩阵。仿真结果表明,该方法准确地估计阵列误差,利用重构协方差矩阵进行方位估计能够提高方位估计精度和分辨力。湖试试验结果表明,经阵列校正后,空间中方位角度邻近的声源和干扰目标可被分辨。

BELLHOP3D模型的多核并行及性能评估

通过三维射线模型BELLHOP3D能够计算海洋中的三维声场,在声呐性能预报以及海洋环境参数反演等应用中具有重要意义。然而随着计算海域范围的增大以及计算网格点分辨率的提高,水声传播对计算的需求也逐渐增大。文章面向天河2号超级计算平台的多核体系结构,针对BELLHOP3D计算特征,充分挖掘其中的并行性,采用OpenMP多核并行技术,实现BELLHOP3D的多核并行。最后,通过Munk波导算例以及三维楔形海底算例对射线模型的并行计算效率进行了测试,当计算节点中的24个计算核心全部用于计算时,两个算例的并行计算效率分别达到了83.3%和87.5%。

一种能量守恒的双向耦合简正波水声传播模型

针对非水平边界条件近似处理所引起的双向声场能量不守恒问题,提出了一种满足能量守恒的双向耦合简正波模型。在模型的建立中,严格考虑了非水平界面的边界条件,并依据介质运动方程和连续性方程推导了便于数值计算的耦合微分方程。同时,结合能量守恒方程和不同海底参数下的数值计算,对模型的准确性进行了研究。由理论分析和仿真结果可以看出,边界条件的严格考虑将导致边界修正项的产生,而边界修正项的引入确保了耦合系数满足对称性和模型所计算的声场满足能量守恒,使得本模型可充分考虑边界水平变化对声场的影响,实现非水平分层波导中双向场的准确计算。

水声正交频分复用异步多用户接入方法

水声信道传播时延大导致水声通信网中上行用户同步困难,因此需要接收端具备异步多用户检测能力。针对水声正交频分复用(OFDM)异步多用户系统提出一种基于滑动迭代的异步多用户接入方法,包括重叠截断、干扰消除、频域过采样、多用户信道估计与解码、以及干扰重构5个处理模块,并通过滑动迭代结构同时消除前向干扰和后向干扰影响。仿真结果表明,所提方法在不同异步到达时延,以及有、无信道估计误差下的误比特率均明显低于逐块解调异步接收算法。水池实验结果表明,滑动迭代异步接收算法在多径扩展18 ms、异步到达时延大于或等于循环前缀1.5倍时实现了两用户异步接入的可靠通信。

基于双向判决反馈均衡器的水声通信海试试验研究

将被动时间反转镜(PTRM)技术与双向判决反馈均衡器(DFE)相结合,设计并实现了高可靠性的单载波水声通信解码方案。接收端采用PTRM压缩信道多途结构,聚焦信号能量;利用双向DFE将传统DFE和反向DFE输出结果合并,进一步降低错误判决的概率,提高系统稳健性。在时不变浅海水声信道环境中,开展的水声通信试验数据处理结果表明:与传统DFE相比,双向DFE能够获得一定的处理增益,5 km、7 km和10 km通信距离上的均衡后输出信噪比分别提高了2.74 d B、2.36 d B和1.54 d B,有效改善了解码性能。

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。

基于虚拟时间反转镜的水声OFDM信道均衡

针对水声信道对正交频分复用(OFDM)系统带来的符号间干扰(ISI)问题,提出了虚拟时间反转镜(VTRM)信道均衡算法,该算法具有时间压缩特性和频域相位共轭特性,可以有效缩短信道长度,减小多途信道带来的相位畸变,采用匹配追踪(MP)算法估计信道冲激响应,可以精确地估计出水声信道的幅度、时延和相位信息,为虚拟时反信道均衡提供准确的信道信息,改进了传统匹配相关信道估计方法估计精度低、无法估计信道相位信息的缺点。仿真、水池和湖上实验结果表明,OFDM水声通信系统中,VTRM信道均衡技术性能优于被动时反镜(PTRM)信道均衡和最小平方(LS)信道均衡。