AUV双基地合成孔径声呐成像实验*

单基地合成孔径声呐成像通常基于点目标假设，其相干积累处理不能克服分布型目标散射模式的起伏效应。收发异置的双基地声呐可以从不同角度观察目标，充分挖掘目标散射模式的角度依赖特性，在对水下目标(尤其人造目标)检测与定位方面，相对仅仅观测后向散射的单基地声呐有潜在的优势。该文 介绍一种基于自主水下航行器的双基地合成孔径声呐系统，重点介绍湖试成像的结果，验证双基地合成孔径声呐的可行性。同时通过引入目标散射模式建模的宽角度合成孔径声呐处理，实现了对目标探测性能的提升。     

水下航行器高温排气尾流浮升特性仿真技术研究

通气管航行状态下水下航行器的排气尾流是水下目标探测的重要热特征,寻求合适的仿真计算方法以揭示水下热排气尾流的浮升演化规律,对反潜技术的发展有着重要价值。本文以水下航行器缩比模型的热排气工况为研究对象,建立了热排气气液两相流动传热耦合模型,以基于VOF模型的来流法和重叠网格法作为数值计算方法,采用网格自适应技术实现计算优化,对比分析了各计算方法的精度差异,探究了热排气尾流的浮升演化特性。结果表明：重叠网格法更适合于水下航行器热排气尾流的两相流问题计算;网格自适应技术可提升气液界面的捕捉效果、有效提高计算精度;采用网格自适应技术的重叠网格法仿真的与实测的水面热尾迹均呈现细长的非连续的V字型扩散形态,两者的水面最大扰动温差分别为0.23 K和0.3 K,优化仿真结果与实测结果一致。     

水下航行器网络控制系统仿真

传统控制系统的设计方法中忽略了通信网络中的时延和数据包丢失等问题，仅通过传统方法设计的控制器来降低其对控制系统产生的不利影响，严重影响了系统的稳定性。对于水下航行器等对系统性能要求较高的水下控制平台，突破传统使其在网络环境下能够稳定运行显得尤为重要。在此背景下，提出了网络控制系统的设计方案，以水下航行器为控制平台，进行系统建模，设计反馈控制器，使用MATLAB仿真工具TrueTime，研究分析了网络体系结构下时延和丢包对传统控制系统动静态性能的影响。仿真结果表明该设计方法优化了系统性能，为系统在发生网络诱导时延和数据包丢失时能够稳定运行，提供了可靠的参考依据。该设计结果具有普适性，也可以用于导弹、坦克等航行器。     

一种从辐射噪声中提取调制谱的方法

在水下航行器的辐射噪声中,螺旋桨节拍对航行器的宽带辐射噪声存在着明显的振幅调制,调制频率与航行器螺旋桨的转速有关。该特征可用于估计航行器的速度及目标分类与识别。本文利用子波变换原理,从实测的航行器辐射噪声中提取了它的调制谱,并据此对螺旋桨转速进行了估计,计算机仿真结果与实测的螺旋桨的转速具有良好的一致性。     

边界层近场噪声的一种计算方法

随着航行器速度的不断提高,近年来边界层近场噪声已日益受到人们的关注。本文研究了它的产生机理并提出了一种理论计算方法。研究表明:边界层近场噪声与壁面切应力、垂向脉动速度谱曲线形状及当地雷诺数有关。关系的数值计算结果与Corcos和Hodgson给出的试验结果比较基本一致。     

基于滑模理论的水下机器人定深控制算法研究

水下机器人操控性能指标中对定深控制性能有较高要求,而水下机器人的运动具有强的非线性和耦合性,使得不同航速下的定深控制成为难点。建立了水下航行器的运动学模型,基于滑模理论设计了深度控制器和纵倾控制器,在MATLAB SIMULINK环境下搭建了深度控制仿真系统,数值仿真结果表明：滑模变结构控制器对于不同航行条件具有较强的适应性,同时深度的控制效果明显优于PID控制器。     

基于矢量线阵的目标低频线谱提取方法

主动声呐系统常采用线性调频信号探测水下目标。利用分数阶傅里叶变换处理线性调频回波时,可在低信噪比和强混响背景下获得目标参数的有效估计。主动声呐系统常通过增大发射信号的时间带宽积来提升系统的距离分辨力和速度分辨力,但却带来了计算复杂度的显著增加,尤其是奈奎斯特采样下基于分数阶傅里叶变换的回波处理方法,导致数据处理时间难以满足功耗和体积受限的无人水下航行器平台的实时性要求。针对此问题,该文提出分数阶傅里叶变换的带通采样实现方法,通过对线性调频信号时频特性直线在分数阶域的投影进行修正,使利用分数阶傅里叶变换方法处理带通采样的回波数据时,可获得正确的目标参数估计。计算机仿真数据和无人水下航行器湖试数据处理结果验证了分数阶傅里叶变换的带通采样实现方法的正确性,数据处理时间能够满足无人水下航行器平台处理的实时性要求。     

水下线谱噪声源识别的波束域时频分析方法研究

从联合空时频三维信息从发, 提出了波束域时频分析识别水下运动航行器低频线谱噪声源位置的方法. 首先, 利用小孔径圆环阵的超指向性波束形成, 将各线谱噪声源匀速通过正横位置附近时产生的多普勒信号在时域上分离. 其次, 分别使用伪Wigner-Ville分布和调频小波变换两种时频分析方法对波束输出的信号进行处理, 得到各噪声源信号的时频图像. 最后, 转换时间坐标到空间并参考配置信标, 即可识别低频线谱噪声源在水下航行器上的位置. 该方法解决了阵列识别水下低频噪声源的孔径受限问题, 同时对处理同频相干噪声源也适用. 仿真试验结果表明: 两种波束域时频分析方法都能较精确地识别低频线谱噪声源的位置; 在测量系统信息的配合下, 波束域调频小波变换的识别效果更优.     

具有终端角度约束的自主水下航行器鲁棒制导律

针对具有末端角度约束的自主水下航行器(Automatic Underwater Vehicle,AUV)的制导问题,提出一种变结构导引方法。综合考虑自主航行器与目标的交会几何关系,采用近似零化视线角速度和随距离接近末端角度快速收敛向约束要求的准则,设计滑模控制器,实现对视线角速度和末端角度的控制。仿真证明了设计的制导算法可以实现水下自主航行器在具有末端角度约束条件下与目标的高精度交会,系统对目标机动具有较好的鲁棒性。      

水下航行体热尾流浮升特性仿真计算方法研究

针对数值仿真计算在研究水下航行体热尾流浮升特性的重要性以及目前所采用数值方法的不足,本文采用了"动参考系法"、"滑移网格法"、"重叠网格法"和"改进动网格法"四种计算水下航行体热尾流浮升规律的方法,分别从定性和定量上对比了各方法在不同时刻所得到的速度场和热尾流温度场的分布,分析了它们的优势和不足。研究结果表明,本文所采用的"改进动网格法"是研究水下航行体热尾流浮升特性准确而高效的理想方法。     

浅海负跃层条件下的双基地有源探测实验及定位声速修正

为了研究浅海条件下海底固定水平阵和机动声源的双基地有源探测性能,建立了浅海双基地有源探测仿真模型,分析了实验海区负跃层条件下的传播损失和多途能量扩展损失,实现了双基地有源探测的性能预估。以模型仿真为基础,在南海北部海域开展了一次浅海双基地有源探测实验.针对定位中的声速与实验中目标回波的脉冲传播速度的偏差导致定位精度下降的问题,提出了一种目标回波脉冲传播速度近似估计方法。实验结果表明,双基地有源探测可在浅海负跃层条件下实现对水中目标的有效探测,多个实验站位的回波信噪比实测值与仿真预测值符合较好,定位声速近似估计方法可进一步提高定位精度。      

Experimental studies of low-frequency bistatic reverberation in a shallow sea

Experimental data are presented on time and frequency dependences of the reverberation level for bistatic transmission and reception at low acoustic frequencies. The data are obtained from the studies carried out in a coastal shallow-water region and in the central region of the Barents Sea with explosion-generated and pulsed cw signals. By using the simplest computational model, approximate estimates are obtained for the effective coefficient of spatial attenuation and the effective scattering coefficient in the frequency band 40–400 Hz.     

双基地混响平均强度理论及仿真预报

考察远程双基地界面混响，可以仅考察二维问题，其散射区域为一椭圆环带；对于近程双基地界面混响，必须讨论三维模型，其散射元分布在一椭球面上.对二维和三维双基地混响进行理论建模分析，该模型优点是无需使用无线电通信，借助GPS时钟即可同步工作，实现双基地声呐系统的测距及测向，便于双基地声呐系统的集成.推导出二维和三维模型的双基地声压混响理论预报公式.对三维矢量混响作仿真研究，并讨论矢量传感器组合指向性抗混响. 关键词： 双基地混响 声压混响 矢量混响     

Methods for measuring bistatic characteristics of sound scattering by the ocean bottom and surface

It is very interesting to measure the bistatic characteristics of sound scattering by the ocean bottom and surface for the development of present-day hydrolocation net-centric schemes. Possible methods for measuring scattering bistatic characteristics are evaluated. The angular characteristics of reverberation related to illumination of a water area by active linearly frequency-modulated signals are studied using linear passive arrays to test a measuring scheme in a shallow water area with a depth of ~20 m in the 1–3 kHz frequency range. The bistatic sound-scattering characteristics in the water area are calculated based on the measurements. The obtained characteristics are compared with the known data on the backscattering of sound.     

双基地角时变下的逆合成孔径雷达越分辨单元徙动校正算法

采用双基地逆合成孔径雷达距离-多普勒算法成像时,目标尺寸较大或累积转角过大,会引起越分辨单元徙动现象,影响成像质量.针对双基地角时变下逆合成孔径雷达成像的越分辨单元徙动问题,提出了一种校正算法.首先,建立了双基地逆合成孔径雷达回波模型,分析了越分辨单元徙动的产生机理,并通过广义的Keystone变换实现了越距离单元徙动的校正,同时消除了目标非匀速转动对成像的影响.然后,基于图像对比度最大准则估计了图像的等效旋转中心位置,并对距离向绝对定标,进而构造补偿相位项,完成了越多普勒单元徙动的校正.仿真实验结果表明,此方法能够有效地校正双基地角时变下的越分辨单元徙动,提高成像质量.     

Surface prereverberation in long-range propagation of explosion-generated signals in underwater sound channe

Experimental data on long-range propagation of explosion-generated signals in a well-developed underwater sound channel are analyzed. In the experiments, the wind speed reached 10–11 m/s and the sea state was Beaufort 4–6. At distances of 80–120 km from the source and at two different reception depths, a prereverberation is observed, that is, the advancing of a part of the bistatic surface reverberation with respect to the direct signal. The conditions for the prereverberation to arise are discussed for different distances from the source. On the basis of data processing, the increase rate of the prereverberation signal, its level relative to the direct signal, and frequency dependence are estimated.     

Bistatic occlusion effect of missile warhead based on micro-Doppler effect

Micro-Doppler effect is induced by the micro-motion dynamics of the radar target itself or any structure on the target. Spinning, coning and wobble are typical basic micro-motions of missile warhead. In this paper, a cone-shaped model for missile warhead with micro-nutation is established under the case of bistatic radar system, followed by the theoretical formula of bistatic micro-nutation is derived. Using the method of short-time Fourier transform, which confirms the simulated results are identical to the theoretical results. In addition, in order to further approach the actual environment. Base on micro-Doppler effect, the effective scattering center model with occlusion effect is considered under the case of bistatic radar system. The simulated results are compared with the fixed scattering point model without the occlusion effect. By the simulation studies, it shows the otherness between the actual environment and ideal assumption. A certain of theoretical analysis conclusions for extracting the features of missile warhead in bistatic radar system are gained, which can be applied to radar target recognition in the future work.     

双基地多输入多输出虚拟阵列的稳健低旁瓣波束优化技术

双基地多输入多输出(MIMO)系统需要对目标的波达角和波离角进行二维估计,针对高分辨算法中阵列协方差矩阵处理运算量大以及估计性能对阵列流形失配敏感的缺陷,提出了一种基于二阶锥规划的抗阵列流形失配的双基地MIMO虚拟阵列波束优化算法.该方法利用MIMO的波形分集技术与双基地的目标定位解算,通过波达角和波离角在双基地定位椭圆上的对应关系,将双基地MIMO的二维合成方向矢量转化为一维的虚拟阵列流形,并证明了双基地MIMO虚拟阵列的波束图等效为发射波束图在接收阵角度域上的响应和接收波束图的合成.在优化波束图旁瓣的同时,该算法兼顾了固定方向上的相干干扰抑制,并提高了双基地MIMO虚拟阵列波束优化抗阵列流形失配的能力.通过波束图和方位谱优化的仿真分析和水池试验,验证了算法的有效性.     

多视场法在基于双端激光雷达的大气探测实验中的应用

双端激光雷达用于大气探测实验时,所测散射信号包括单次和多次散射信号,其中大气反演基于单次散射信号。本文利用单次和多次散射信号与双端激光雷达的接收端视场角的不同关系,提出改变利用多视场法进行多次测量,并从测量结果中定量计算出单次和多次散射信号,使用理论模型计算的结果表明多视场法是可行的,基于双端激光雷达的大气探测实验的精度有望得到较大提高。     

改进的双曲等效法用于双站合成孔径雷达前视成像

双站合成孔径雷达(SAR)前视成像有着很多的潜在应用,比如在能见度很低的天气实现飞机的导航和盲降,提高飞机飞行的安全度等.然而实现双站SAR前视成像的难点在于其距离历程的双根式性,直接采用驻定相位原理对其分解将得到复杂的解析式,从而后续算法的推导变得困难.现有的双曲等效法可以将双根式距离历程等效为单根式,但由于该方法为距离历程的二阶近似,当用于双站SAR前视成像时,由于其较大的前视角,未完全等效的距离历程高次项造成的误差已经超出可以接受的范围.针对以上问题,本文首先提出了一种改进的双曲等效法,该方法通过引入新的补偿变量来提高距离历程的等效精度;然后在此基础上推导回波信号的二维频谱解析式,并给出了一种适用于双站SAR前视成像的距离多普勒算法;最后通过仿真实验,将原双曲等效法与改进方法的等效误差以及成像结果做对比,验证了本文算法的有效性和优越性.