无线/水声通信浮标技术研究及其实现

本文研究并设计实现了一种用于浅海水声信道多速率通信的无线/水声通信(racom)浮标,介绍了其水声通信和无线通信技术方案和工程设计与实现。本文设计的浮标综合了水声通信、DSP信号处理和无线电通信等技术,也可以用作水声通信/传感网络中的无线/水声通信(racom)网关节点。海上试验验证了本浮标总体设计方案的可行性。海上试验中,浮标无线通信距离达到15.2 km,误码率不大于10 6;除2 kbps速率外,浮标各种速率的水声通信数据传输误码率都小于1%,最大通信作用距离达到9.6 km;同时,试验也验证了浮标与水下运动平台之间的通信功能。     

双曲线调频在高速水下目标航行参数遥测中的应用研究

对于高速、强机动的水下目标来说,其航行参数信息的实时遥测具有重要意义。水声信号的多普勒频移估计与补偿是水声遥测的关键技术之一,它直接影响着水声遥测的效果与性能。本文针对双曲线调频信号及线性调频信号进行仿真分析,对比在相同情况下的多普勒频移可补偿性,仿真实验证明双曲线调频信号具备较高的多普勒容限,其时延值估计精度可达到1μs。结合工程实际,本文采用双曲调频信号与单频信号组合的方式进行水声遥测,充分发挥双曲线调频信号的多普勒不变性和单频信号对多普勒频移的敏感性,在获得较高定位精度的同时,也具备高精度的水声遥测功能。该组合信标信号经过湖上试验验证,具有遥测精度高、误码率低、易于实现等优点,可应用于相关水声工程中。     

水下声学浮标南中国海海洋环境噪声实测分析*

海洋环境噪声是多种自然噪声和人为噪声的复杂组合,其谱级大小和频率组成是影响声纳系统探测性能的重要参数,由于海洋环境噪声时空域特性是非常复杂的,因此需要对海洋环境噪声进行长时间和大范围的观测才足以分析其特性。本文通过在多剖面水下浮标平台基础上集成声学测量系统,研制出了一种具有海洋环境噪声监测能力的水下声学浮标平台,该浮标平台可多次上浮、下潜,具备原位坐底和定深漂流两种工作模式,能够连续观测海洋环境噪声时长多达几个月。利用2019年8月在南海海区组织的多台水下声学浮标组网试验数据,分析了不同频率海洋环境噪声谱级随时间变化特性,数据处理结果符合海洋环境噪声典型变化规律,试验表明,水下声学浮标可作为一种潜在的优势水下无人移动平台,用于长期监测海洋环境噪声特性。     

一种在色噪声环境下的信号检测方法

为了抑制蛟龙号载人潜水器水声通信受母船色噪声干扰的影响,本文提出了一种统计匹配滤波器在色噪声环境下使用的新方法,它通过将接收信号映射到一个生成子空间中进行信号检测,可提高输出水声通信信号的信噪比。受客观条件限制,向阳红09船——蛟龙号载人潜水器的试验母船噪声环境比较恶劣,对水声通信产生了较强的干扰。如何在向阳红09船的这种强、色噪声环境下,提升水声同步信号的检测能力,对提高水声通信的可靠性是非常有帮助的。实际采集试验数据分析结果验证了该检测算法比传统匹配滤波器有更强的信号检测能力。     

舰船辐射噪声超混沌现象研究

水下弱目标探测和识别一直是水声信号处理领域中研究的难点。从Lyapunov指数谱、吸引子相空间轨迹的演化、分形维数等方面，对船舶辐射噪声是否存在超混沌现象进行了研究。实验结果表明，船舶辐射噪声信号确实存在至少两个正的Lyapunov指数，即存在超混沌现象。辐射噪声吸引子在相空间中的轨迹具有多方向伸展的趋势，且不同类型目标的吸引子具有不同的分形维数。研究结果为建立精确描述辐射噪声信号的非线性模型、为水下弱目标信号探测和识别提供一定的理论依据。     

南中国海“G-Argo”声学浮标目标探测能力分析*

“G-Argo” 水下声学浮标作为一种新型的无动力无人移动观测平台,具备对海上目标广域、长时、隐蔽探测功能,是“透明海洋”工程立体观测系统的重要组成部分。本文通过在现有海洋环境观测浮标平台基础上,进行声学系统电磁兼容性优化设计,减小浮标平台对声学系统的电磁干扰,研制出具有目标探测能力的“G-Argo”水下声学浮标平台。并于2018年5月,在南海海区组织了多台水下声学浮标探测性能验证试验,试验结果表明,深海良好水文条件下,“G-Argo”水下声学浮标对航速10kn的配合试验船目标最远探测距离大于11km,对航速6.4kn的工程船目标最远探测距离大于42.8km,对航速12kn的集装箱船目标最远探测距离大于15.8km,对航速14.5kn的集装箱船目标最远探测距离大于24km。     

船舶水下辐射噪声信号理论模型及仿真

分析典型船舶水下辐射噪声实验数据,获取船舶水下辐射噪声功率谱特征,阐明了准周期随机声脉冲序列信号模型作为船舶水下辐射噪声模型的合理性和普适性,在此基础上,引入爆炸衰减型余弦脉冲信号作为该模型的基本组成单元,给予理论分析,据以数值构建船舶辐射噪声,并与海上试验获取的商船辐射噪声数据进行对比,结果明显一致,证明了该方法的有效性和实用性.     

基于自适应多尺度时频熵的遥测振动信号异常检测方法

针对遥测振动信号频域成份复杂、非平稳非线性和强噪声特性,提出一种基于自适应多尺度时频熵的遥测振动信号异常检测方法;首先对采集到的遥测振动信号进行零漂修正和趋势项消除,然后采用自适应分解方法对信号进行多尺度分解,得到若干分量,利用相关系数剔除虚假分量;接下来用筛选出的分量作时频分布,对时频分布进行多层多尺度划分,计算相应尺度频段内信号的分形维数,依据分形维数的大小自适应地确定各频段的时频划分尺度;最后计算时频平面的自适应多尺度时频熵,通过时频熵的变化情况对遥测振动信号进行异常检测;实测数据验证了该方法的有效性。     

水声JANUS信号的分数低阶时频谱迁移学习识别方法

非合作第三方水下标准协议信号识别在水声通信信号识别中具有重要研究意义。针对浅海水声JANUS信号的特征提取因易受脉冲噪声和多径效应等复杂水声环境影响而导致识别率低下的问题,提出一种分数低阶时频谱和ResNet18 （Residual Network 18）相结合的迁移学习识别方法。首先,选取JANUS固定前导作为识别对象,设计分数低阶傅里叶同步压缩变换（FLOFSST）,以分数低阶操作抑制脉冲噪声,以时频重排特性增强时频集中性。其次,将基于ImageNet的ResNet18预训练模型微调,迁移至JANUS信号和常见水声信号时频图集。仿真表明所提算法在信噪比为-10 dB时JANUS信号的识别率为96.15%,能够有效抑制脉冲噪声并减小多径效应影响,比传统算法识别性能好。海试中JANUS信号识别率达90.00%,证明算法识别准确率和网络的泛化性较高。      

空气中声源激发水下声场的水平纵向相关性

声场的空间相关特性是声场的重要特征,对水下探测、水声通讯等各种设备在实际海洋环境中应用的参数选择具有重要意义,是水声工程技术研究的重要基础之一。相比于水中声源激发声场的相关特性研究,空气中声源的相关研究很少。本文推导了空气中声源激发水下声场的水平纵向相关的简正波表达式,并通过数值仿真分析,比较了声源分别位于空气中和水中时水下声场的水平纵向相关特性。对南海海域进行的一次悬挂汽笛空气声源、海底水平阵接收信号海上实验获得的数据进行分析,结果表明:空气中声源位于不同距离时,其发射的声信号激发水下声场的水平纵向相关均存在明显的起伏结构,基于本文提出的空气中声源激发水下声场的水平纵向相关系数的简正波表达式能够较好地解释该现象.      

海洋高光谱辐射实时观测系统的研制

研制了海洋水色高光谱辐射实时观测系统.该系统主要包括用于现场测量海面与海水近表层上行辐亮度和下行辐照度的高光谱光纤辐射计,装载高光谱光纤辐射计及其它辅助设施的海上观测平台,数据采集、实时通讯的控制系统.采用6通道光纤光谱仪解决了多参数测量同步性问题,通过自动调整光谱仪CCD积分时间提高其测量的动态范围;采用光纤光谱仪减小了光接收器的体积,减小了自阴影效应的影响;采用防污染装置解决了光学探头水下防污染问题.对系统的性能进行了室内测试及近海36 d试验.结果表明,光学系统零漂误差小于±5%,光学系统稳定可靠;浮标性能可很好地满足水下光辐射测量对浮标体姿态和稳定性的要求;控制系统的数据采集和通讯可靠有效.     

水声释放器声指令发射换能器

水声释放器是用来重现水下目标位置和回收水下遥测仪器的装置.它包括指令发射机、声指令发射换能器、浮标接收系统、释放机构等.工作时,按照船上控制设备通过换能器向水下发出声指令,促使释放机构动作,自动释放定位浮标或使记录仪器罐浮出水面.在海洋开发,科学研究等方面都有广泛的应用. 作为与释放器相配套的指令声源,其电声性能直接关系着系统的效能.常由于指令发射换能器的指向性尖锐或阻抗高、灵敏度低或频带窄等问题,严重影响着使用效果或整个系统的协调. 结合使用情况,于1979年设计并提供出FQ20等类型的指令发射换能器.它们在结构和性能上,与同样用途的国际产品相比,均有自己的特色.它具有高效率、宽频带、低电阻抗、较高的发射及接收灵敏度、天指向性、小型等特点。已由有关单位引用于水下声学引爆系统、应答装置、水声实验等其它场合.     

用于监测潜水员心率的水下超声遥测系统

本文叙述了水下超声心率遥测仪的设计原理,介绍了作者研制的遥测仪。     

一种Duffing弱信号检测新方法及仿真研究

研究了利用混沌相变进行弱信号检测的理论及仿真试验.对基于Duffing振子初值敏感性检测弱信号的方法分析后指出,过渡过程会影响检测性能,提出一种改进的弱信号检测方法.对仿真输入噪声生成和仿真步长选择进行研究后建立了仿真模型,在典型噪声背景下检测弱正弦信号.实验结果表明：所提出的方法有较好检测性能;混沌临界态的Duffing系统对噪声敏感导致相变方法难以精确确定最小检测幅值.指出了这类方法的局限性. 关键词： 混沌 信号检测 周期信号 白噪声     

船舶辐射噪声的混沌现象研究

水下弱信号的检测和识别是当今水声信号处理领域中存在的难题．应用混沌、分形理论，从根空间轨迹、Lyapunov指数和关联维等方面研究了船舶辐射噪声的混饨现象，发现船舶辐射噪声信号的确存在混沌吸引子，且不同类别的信号具有不同的吸引子维数．这一结果将为水声信号处理，为水下目标探测和识别提供崭新的理论手段。     

色噪声背景下微弱正弦信号的混沌检测

提出一种利用混沌在特定状态下对参数的敏感性来实现微弱正弦信号检测的新方案-该方案可以有效地将深陷在色噪声背景中的微弱正弦信号检测出来-给出了混沌检测的方法,分析了混沌检测中噪声对系统状态的影响-仿真实验表明该混沌检测系统对小信号非常敏感，对任何零均值色噪声均具有极强的抑制能力- 关键词： 微弱正弦信号 混沌检测 色噪声 信噪比     

基于水声潜标应用的数据采集及大容量存储系统设计

水声潜标是获取海洋水声信号以及海洋生物声信号的重要技术设备之一。为了满足水声潜标在水下较长时间工作,本文设计并实现了一套基于水声潜标应用的低功耗数据采集及大容量存储系统,在芯片选型和NAND FLASH读写管理等方面对系统进行了低功耗设计。该系统在"标-矢量"综合潜标上应用的试验结果表明,该系统获取的数据有效,满足总体设计技术要求。同时,本系统还具有良好的扩展能力,可适应水声潜标发展的应用需求。     

中间跨谱反转技术实现正交信号的100km传输

实验验证了应用中点谱反转技术实现155 Mb/s~10 Gb/s频移键控/幅度调制(FSK/IM)正交信号的100km传输.其中,FSK/IM正交信号的频谱反转由基于半导体光放大器(SOA)的四波混频效应实现,此技术有效克服了FSK/IM正交信号在传输中色散带来的影响.实验采用DFB激光器作光源,康宁公司生产的标准单模光纤作传输链路,采用长为1.5 mm,光限制因子为0.15的半导体光放大器实现频谱反转.实验中固定FSK/IM的中心波长,测试了接收端FSK与IM信号的眼图,结果发现,标记FSK与数据包IM的性能良好.     

调频信号的单模激光线性模型随机共振

对单模激光增益模型的光强方程加入调频信号,用线性化近似方法计算了以δ函数形式关联的两白噪声驱动下光强的输出功率谱及信噪比. 结果表明,信噪比随抽运噪声和量子噪声强度的变化可出现典型随机共振,受调制信号振幅的影响,信噪比随载波信号频率和调制信号频率的变化出现抑制、单调上升、共振、抑制和共振等几种情况. 关键词： 抽运噪声 单模激光 随机共振 调频信号     

基于循环前缀相关性的水声OFDM信号调制识别方法*

本文研究水声OFDM通信信号与常见单载波水声数字通信信号(MPSK,MFSK)之间的调制识别问题。考虑到水声信道复杂传播特性对循环前缀相关性的影响,本文通过截取信号前后片段并迭代搜索双相关峰进行无需先验知识的水声OFDM通信信号特征参数提取,在此基础上设计了一种基于模糊系统的水声OFDM通信信号识别器。对不同信道条件下海上实录信号数据的识别实验结果表明了本文方法的有效性。