双曲面定位系统的误差分析

本文导出了双曲面定位系统的定位误差公式,分析了定位误差源及对应的权重系数,以水下短基线阵为例,计算了声速、时间差、阵元坐标的测量误差和声线弯曲引起的系统定位误差,以长基线阵为例,计算了定位精度区。本文结果对合理分配双曲面定位系统各误差源的误差有参考价值.     

一种四元超短基线阵实现高精度定位

由于超短基线自身尺寸较小,随着作用距离增加,其定位误差增大。对此,本文在阵元数较小的情况下,通过优化阵型形成间距不等的四元阵来提高系统定位精度。该阵型既减少了已有八元阵的冗余阵元,也不需要发射端发送跳频信号。本文给出了新阵型的相位补偿公式以及所适用频带的理论分析。理论分析和数值仿真表明:本文所述新阵型与已有的八元阵定位精度相当。可为改善超短基线定位精度提供一些参考。     

海洋声学环境下水中声源的时延估计法定位精度分析

水中声源的定位精度受到海洋声学环境的重要影响。结合海上试验的实际应用,分析了水下观测平台采用时延估计法对声源的定位精度问题。根据理论分析,计算了时延估计误差、海洋中声速不均匀、平台非稳性、及声传播起伏等因素引起的俯仰角和方位角误差。利用误差传递公式,获得了上述因素引起的不同平台深度下,不同距离声源的定位误差。比较了采用平面阵与立体阵、是否补偿声线弯曲效应等条件下定位误差的变化,并通过海上试验结果进行了部分验证。研究结果表明,海洋声速不均匀对定位误差的贡献最大。采用立体阵代替平面阵、测量海洋声速剖面并补偿声线弯曲引起的定位误差,在1000m距离上可使定位相对误差从最大30%降低到约10%,有效提高了较远距离上的定位精度。研究结果对于采取措施提高水中声源的定位精度有指导意义。      

联合多站阵元域数据的水下目标检测与跟踪

为了提高复杂海洋环境中目标的检测、跟踪性能,提出一种联合多站阵元域数据的水下目标检测与跟踪方法.该方法采用序列马尔科夫链蒙特卡洛思想对目标进行采样更新,通过对接收概率中的后验概率以及采样函数进行分解展开,并根据多站阵元域数据计算采样粒子的联合似然,在迭代过程中实现目标数目和目标状态的联合估计.研究结果表明,该方法对单目标的平均定位误差在较高信噪比下能够稳定在50 m以内,对多目标随机出入场景中新生及消失目标实现有效检测,同时对强干扰下弱目标及交叉目标实现有效检测跟踪。仿真结果和海试数据均验证该方法具有良好的目标检测与跟踪性能。      

结合主动时间反转算法的短基线定位研究

短基线声学定位技术是水下运动目标定位的重要研究内容。为了解决定位系统工作于浅水或近岸时多途扩展严重造成的时延估计误差和系统工作不稳定的问题,本文提出一种结合时间反转算法的短基线宽带应答定位技术,该方法利用短基线阵元发射宽带信号,通过应答器接收该信号时间反转处理后再返回给短基线阵元位置,实现信道多途的自适应聚焦,进而提高时延估计精度及信号检测的鲁棒性。仿真研究和湖上试验表明,该方法能够充分利用信道多途信息实现聚焦,减少信道多途对定位信号时延估计的影响,具有较强的抗噪声和多途干扰的能力。相对传统定位方法,该方法可以抑制短基线定位过程中误差及野点的产生,改善了物体定位导航的精度。      

水下目标多平台协同定位和跟踪方法

提出了一种融合多平台方位观测数据的水下声学目标定位跟踪方法。该方法采用多级多假设跟踪对目标状态进行滤波和关联,第一级基于每个平台波束域检测结果独立使用多假设跟踪方法对目标方位角进行初级跟踪;第二级首先通过多平台联合似然概率估计多目标初始位置,再用多假设跟踪方法对不同平台初级跟踪的方位角航迹进行关联,最后通过关联的角度值和扩展卡尔曼滤波对多目标位置进行序贯估计。仿真结果证明,该方法能以更少计算量实现更优定位性能,优于单级多假设跟踪方法.海试数据处理结果表明,存在较多干扰的情况下,单级方法跟踪过程中丢失目标,而多级方法实现了对目标的全程跟踪,且收敛后定位误差在70m内。该方法可降低噪声干扰对数据关联及目标定位的影响,并通过多平台协同消除线阵的方位模糊,适用于移动多平台声学目标定位和跟踪场景。      

多子阵组合的短基线声学定位系统数据优化方法*

短基线声学定位系统是一种常用的水下声学定位设备,为提高适用性,常采用多阵元接收阵的方式进行水声定位,其工作时将带来冗余的测距数据和定位结果,而部分冗余数据的解算定位结果误差较大（以下简称奇异值）,其代入融合将导致最终定位结果的误差不减反增。为解决该问题,本文分析奇异值特征,提出了基于多子阵组合(Multiple Subarray Combination,以下简写MSC)的短基线声学定位数据优化方法。该方法将空间阵中划分出的各单元子阵进行筛选,对冗余数据进行优化,筛除会引入较大误差的中间数据,进而提高定位精度。计算机仿真及实际测试数据表明：该方法可实现整体声源定位精度的提高。同时与传统定位方法相比可有效减小运算量,提高整体定位系统的性能。     

旋转双阵元水下目标定向方法

提出一种旋转双阵元的水下目标定向方法,通过旋转双阵元,主动产生目标到达信号的多普勒效应,结合目标声波信号到达时间差,联合利用时间差和多普勒信息对目标进行定向.通过目标函数的设定,使得两路信号经过延时和伸缩后达到最佳匹配所对应的方向即为目标方向.仿真结果表明,在设定的场景下,本文提出的方法对于各个方向的目标均有良好的定向效果,对于1000m的目标平均定向角度误差小于1°;相对于双阵元到达时间差方法,具有更好的精度和鲁棒性。实验结果验证了旋转双阵元定向方法在实际应用中的有效性.      

声学理论在超短基线跟踪自治水下机器人中的应用

对超短基线定位系统的有效跟踪范围问题进行了研究,将射线声学基本理论和声纳方程相结合,提出一种确定超短基线定位系统在试验现场跟踪范围的有效方法。利用射线方程确定跟踪范围的上边界;利用声纳方程确定跟踪范围的下边界,上、下两个边界所围区域确定有效跟踪范围。湖上和海上试验证明了方法的有效性,提高了超短基线定位系统跟踪自治水下机器人自动航行的安全性和可靠性。。     

长基线声学定位系统跟踪解算优化方法

针对现有长基线定位解算算法忽略阵型标定误差的问题,本文提出了一种结合声信标的标定误差和测距误差的待定目标解算方法。该方法利用观测数据的先验误差将观测数据连同带求解量一并构建平差解算模型,可以对待定目标位置解算进行优化求解。采用该方法对现有测量船只的跟踪定位实验进行数据处理,得到的跟踪定位轨迹平滑连续,和传统方法相比更接近于GPS输出结果,在深水环境下效果提升明显。理论分析和实验结果表明采用该方法能够获得更优化的位置估计结果及全局误差,能够应用于高精度长基线定位系统中。      

一种水下三维被动定位技术

本文给出了一种三维被动定位方法。该方法利用三元水平阵和二元垂直阵实现对目标的三维定位。由三元水平阵首先求得目标斜距和目标方位,在此基础上利用垂直阵估计目标深度坐标,最后综合已有测量结果来求解目标水平坐标。本文还通过仿真分析了该方法的定位性能。     

输气管道泄漏的波达时差交叉定位方法*

为了实现对管道泄漏位置的三维定位,该文提出一种基于波达时差法的交叉定位方法。将传感器阵列布放在不同位置,通过波达时差法获取远场泄漏声源的两组空间方位信息,对两组方位交叉求取空间伪交点从而完成定位。建立泄漏定位实验平台,分析了多种互相关方法以及阵列孔径、布放间距、泄漏位置等因素对延时估计和定位精度的影响。实验结果表明:选取基本互相关法对泄漏信号的10 500 Hz分量进行互相关分析,能够获取稳定的延时估计结果;在有效信号检测范围内,增大阵列孔径和布放间距能有效减少误差;该文方法相较于现有波达时差法能有效提高距离原点4 m以上泄漏位置的定位精度。     

Baseline optimization for scalar magnetometer array and its application in magnetic target localization

Generally, a magnetic target can be described with six parameters, three describing the position and three describing the magnetic moment. Due to a lack of sufficient components from one magnetometer, we need more than one magnetometer when locating the magnetic target. Thus, a magnetometer array should be designed. The baseline of the array is an important factor that affects the localization accuracy of the target. In this paper, we focus on the localization of a static target by using a scalar magnetometer array. We present the scalar magnetometer array with a cross-shaped structure.We propose a method of determining the optimal baseline according to the parameters of the magnetometer and detection requirements. In the method, we use the traditional signal-to-noise ratio(SNR) as a performance index, and obtain the optimal baseline of the array by using the Monte Carlo method. The proposed method of determining the optimal baseline is verified in simulation. The arrays with different baselines are used to locate a static magnetic target. The results show that the location performance is better when using the array with the optimal baseline determined by the proposed method.     

水下垂向运动目标的海底多基站声定位方法及精度分析

针对水下垂向运动目标具有瞬变运动特性、难以对其轨迹进行高精度和高帧率测量的问题,提出一种有水声信标的海底多基站声定位模型,基于高斯-牛顿法给出求解算法,证明了算法满足局部线性收敛条件。数值仿真和精度分析表明,基站站址误差、声速误差和信号时延估计误差通过测量斜距传播到目标位置参数,误差传播过程受接收基阵几何构型、目标相对位置及水声学约束条件等因素影响。在多个海底基站共面条件下,补充海面基站可改进垂向测量能力。利用该方法对全区域进行精度估计,获取了定位性能在空间分布上的细节特征。以水平范围1 km×1 km、水深60 m的海区计算,对于由13个海底基站和1个海面基站构成的14元测量阵,目标运动深度范围为35~60 m,在x,y,z三个方向的均方根误差(RMSE)平均值分别为0.30 m,1.47 m,0.34 m。本文工作为水下垂向运动目标定位提供了一种技术途径,可为测量系统的论证设计提供参考。      

Acoustic localization scheme and accuracy analysis for underwater vertical moving target using seabed stations

To measure the trajectory of an underwater vertical moving target(UVMT) in transient motion with high accuracy and high frame rate,an acoustic localization model using seabed stations with an acoustic beacon was presented.A solution algorithm based on the Gauss-Newton method was derived,which was shown to satisfy the local linear convergence.Accuracy analysis of the numerical simulation indicated that the station location,sound velocity,and signal time delay estimation errors were propagated to location parameters through measurement ranges,and the main affecting factors included the station geometry,target relative location,and acoustic conditions.Vertical accuracy was improved using a supplemental surface station coupled with the seabed stations.Detailed characteristics were indicated by accuracy distribution from the full test sea area.A 14-station array composed of 13 seabed stations and 1 surface station in a test sea of 1 km x 1 km and 60 m in depth demonstrated that the average root mean square errors(RMSEs) in the x,y,and z directions were 0.30,1.47,and0.34 m,respectively,in the vertical range of 35-60 m.This work provided a technical approach for UVMT localization,which would be useful for designing related measurement systems.     

基于多元线性阵列探测器的快速光声层析成像

报道了一种基于相控聚焦的多元线性阵列探测器进行快速光声层析成像的方法和装置,并实现了模拟组织的光声层析成像。实验中采用波长为532nm脉宽为7ns的倍频Q-YAG激光器作为激发光源。多元线性阵列探测器由320个振元组成,采用相控聚焦的方法成像,每次由11个振群的探测器接受信号并合并1路,一幅图像由64路这样的信号组成。实验结果能够正确反映样品中的光学吸收分布。与现有的方法比较,本系统具有快速方便的特点,它有望成为一种组织功能在体成像的新方法,发展成为一种低成本的实用的临床诊断装置。     

Design and experiment of 256-element ultrasound phased array for noninvasive focused ultrasound surgery

A 256-element phased array high intensity focused ultrasound system has been designed and constructed in our laboratory. The 256-element spherical-section ultrasound phased array made from piezocomposite material operates at 1.1 MHz with 11-cm radius of curvature, 14-cm outer diameter, and 3.4-cm diameter central hole for mounting diagnostic ultrasound imaging probe. First, the explicit sound field calculation approach for the spherical-section phased array and the genetic optimal algorithm are briefly introduced as the optimal focus pattern control methods. Then, the design guidelines of 256-element spherical-section focused ultrasound phased array and 256-channel driver system are given. The results of single on and off axial focus, multiple on and off axial foci, half sub-array focus pattern provide further evidence for the 3D focus steering and sub-array mode for avoiding obstacles in focused ultrasound surgery. The multi-foci pattern can enlarge the treatment volume to 22 times larger than that of a single focus in one sonication. Finally, in vitro and transparent tissue-mimicking phantom experiment results confirm the ability of 256-element spherical-section phased array system to induce thermal lesions for noninvasive ultrasound surgery.     

Experimental detection and focusing in shallow water by decomposition of the time reversal operator

A rigid 24-element source-receiver array in the 10-15 kHz frequency band, connected to a programmable electronic system, was deployed in the Bay of Brest during spring 2005. In this 10- to 18-m-deep environment, backscattered data from submerged targets were recorded. Successful detection and focusing experiments in very shallow water using the decomposition of the time reversal operator (DORT method) are shown. The ability of the DORT method to separate the echo of a target from reverberation as well as the echo from two different targets at 250 m is shown. An example of active focusing within the waveguide using the first invariant of the time reversal operator is presented, showing the enhanced focusing capability. Furthermore, the localization of the scatterers in the water column is obtained using a range-dependent acoustic model.     

基于目标在回路的三路光纤传输激光相干合成实验

实验验证了一种利用目标回光在远场实现相干合成的技术——目标在回路技术.建立了目标在回路相干合成的物理模型,利用可同时调整光程和光束倾斜的自适应光纤光源准直器,同时补偿合成光束间的平移和倾斜相差,实现了基于目标在回路的三路光纤传输激光间相干合成,获得了接近理想情况的合成效果.文章为在实际大气环境中实现多路相干组束的长距离传输提供了参考.     

发酵过程混合建模与优化控制新方法

针对当前微生物发酵过程存在因为生物传感器不具备足够的准确性和灵敏性,实验时的菌液和产物浓度等生化指标难以实时监测和控制等缺点,提出了采用量子粒子群优化算法(QPSO)优化最小二乘支持向量机(LSSVM)参数的QPSO-LSSVM混合建模新方法,并用于多粘菌素的发酵过程建模;同时,基于此模型,采用QPSO算法对pH值与溶解氧浓度Do控制轨线进行优化研究。首先,利用LSSVM进行发酵过程的建模,然后采用QPSO对LSSVM建模过程中的重要参数进行优化调整,形成QPSO-LSSVM混合建模与优化控制方法。仿真结果表明,该方法得到的模型能取得更好的预测效果,优化后的pH值与Do浓度控制轨线能够提高最终的产物浓度。该方法用于发酵过程的建模和重要参数的优化控制是可行的、有效的。