基于并行蚁群算法的长基线定位方法*

为了降低各个误差源对水声目标导航定位精度的影响,该文将水声目标导航定位问题抽象为带约束条件的非线性优化问题,并论证了最优化表达式参数求解过程与降低误差源干扰的过程具有同一性;设计了并行蚁群算法求其最优解。海试数据处理结果表明,该方法具有收敛速度快、解稳定和定位精度高等优点,能有效地降低各个误差源对水声目标导航定位精度的影响。     

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。     

声音目标被动定位算法的野值分析

阐述了基于四元平面十字阵的声音目标被动定位的原理.利用目标与基阵平台分布在不同平面的特点,采用简单的平面阵实现目标的三维定位,简化了布阵的复杂性.针对基于四元平面十字阵的声音目标被动定位算法,分析了野值产生的原因,并研究了水平方位角、垂直俯仰角、时延估计误差度、目标距离、基阵尺寸等因素对野值产生的影响.     

移动平台超短基线阵实现水下目标高精度定位

针对自主式水下航行器如AUV (Autonomous Underwater Vehicle)等水下移动平台,提出了一种超短基线多元阵的快速收敛的高精度声定位方法。通过对比超短基线多元阵定位误差的克拉美罗下界,对阵型结构和阵元数目进行了优化,确定优化的阵列为9元立方阵;融合移动平台行进过程中的多次定位结果,进一步降低定位误差;并利用梯度下降法实现平台轨迹优化,使得系统最快收敛到需要的定位精度。仿真结果表明,在1000 m距离内,利用优化轨迹可以将定位均方根误差快速收敛至预设的0.2%以内.此外,对于海试实验采集数据的目标定位结果显示,对距基阵约700 m及400 m的目标,5元阵定位标准差相较4元阵缩小了约2 m及1 m,验证了多元阵定位方法在实际海洋环境中的有效性.     

Underwater acoustic localization by principal components analyses based probabilistic approach

In this paper, the underwater localization is given from wireless acoustic communication signals by probabilistic pattern recognition in eigenspace of PCA (principal components analyses). It should be emphasized that our underwater localization is from existing wireless acoustic communication signals, but not from additional localization systems. Our underwater localization scheme is based on fingerprinting and contains two stages, i.e., the off-line (i.e., training) and on-line (i.e., predicting) stages. In general, the received acoustic signals fluctuate seriously in underwater environments. To reduce the complexity and noise effects, all received signals are projected onto the eigenspace of PCA. Each projected feature is assumed to have Gaussian probabilistic distributions. Therefore, the location information can be easily obtained by probabilistic pattern recognition of projected features in PCA space. Note that our underwater localization scheme is not affected by reflected signals. To illustrate such a benefit, experiments were conducted in a bounded water pool where reflected signals exist near the walls. Experimental results show that the proposed underwater localization scheme is efficient and accurate. The proposed localization scheme is useful for underwater acoustic communication networks, and then in underwater technologies.     

水下目标跟踪系统中的抗多途专家系统

众所周知，水下声信道是相干多途信道，信号在信道中的多径传播使得接收信号序列复杂化，因而极大地增加了信号处理的难度。对于水下目标跟踪系统，从带有干扰的接收数据中挑选出直达脉冲是系统正常工作的必要前提。本文着重介绍了系统软件的核心部分——专家系统，它用于实时跟踪系统的数据预处理，负责在多途干扰背景中提取定位解算所需的有效信息。通过计算机仿真、松花湖试验和海上试验的验证，专家系统可以准确地挑选出直达脉冲和最佳解算阵元，因而确保了系统的定位精度与测深精度。     

基于虚拟时间反转镜的短基线定位研究

海洋的多途效应是影响水声定位信号检测性能的主要因素。为了满足信号检测中的某种"最佳"准则,克服海洋水声信道的多途效应,本文基于信道的匹配滤波器-时间反转镜技术,提出虚拟时间反转结合匹配滤波器构造信号处理接收机的方法。通过计算机仿真和实验数据处理表明,经过基于虚拟时间反转处理的匹配滤波(TR-MF)接收机性能优于传统的匹配滤波(MF)接收机,并且将该技术应用在短基线水声定位系统中,提高了时延估计分辨力,改善了定位精度。     

不等间距非直线三元阵在水声平面声源被动定位中的应用

根据实际实验环境和布放需求,在对称直线阵被动定位基本理论基础上,推导了不等间距非直线三元阵进行水声被动定位的精确显式公式,将非直线阵形误差角用于修正测距、测向过程,并采用平均法和卡尔曼滤波法对实测数据的中间处理结果和最终结果进行后置处理。海上试验结果验证了算法的正确性,在近距离有效范围内取得较为满意的目标定位结果。     

基于超椭圆拟合的水下小目标分类*

水下小目标分类技术在海底探测、水下考古等方面应用广泛,在实际的水下声图像中,小目标投影产生的阴影区域通常在形状和尺寸方面显著于目标本身产生的亮区,故阴影分析算法对于目标的检测、识别和分类均有重要的研究意义。本文采用超椭圆曲线拟合算法拟合目标阴影区域,通过控制超椭圆函数的几个参数变化,实现不同的超椭圆曲线拟合不同的目标阴影形状,并将控制超椭圆曲线尺寸、形状和位置的参数作为特征向量输入到分类器,通过对比多个分类器得出分类结果,证明了以拟合参数为特征的分类方法有效。     

基于水声信道传播特性实现三元阵三维定位研究

三元阵通常被用来完成测距任务,要实现三维定位需要与其他设备合作或增加阵元数来完成。针对常规三元阵三维定位问题,本文基于水声信道传播特性,通过虚拟阵元实现三元阵的全方位被动三维定位;同时,本文通过对三元阵进行非直线布阵来解决直线三元阵对 轴方向定位的左右模糊问题,实现全方位三维定位。数值分析和仿真表明该方法能够很好的完成三元阵全方位三维定位问题,尤其对浅海近程目标。     

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。     

基于合作目标的激光水下定位

为了准确获取水下运动目标的运动轨迹,提高测量的数据率,提出了一种基于合作目标的激光水下定位方法。通过在被测目标上加装合作目标,利用合作目标的全反射特性,实现了脉冲式激光水下测角与测距的功能。介绍了激光水下定位的方法和系统组成,给出了水下定位的数学模型及测量结果。模拟实验结果表明,该方法具有一定的工程应用价值。最后,结合工程应用,对激光水下定位需要解决的一些实际问题进行了分析。      

基于深度神经网络的水声信号恢复方法研究*

针对干扰或噪声环境下水声目标信号难以获取的问题,该文提出研究基于深度神经网络的自适应水声被动信号波形恢复方法。在单阵元情况下,该方法提取对数功率谱特征作为输入,采用深度神经网络回归模型自适应学习目标信号的自身特征,输出降噪后的对数功率谱特征并还原时域波形。在多阵元情况下,提出阵列深度神经网络降噪方法,将部分或全部阵元特征拼接为长向量作为输入,从而利用空域信息。为全面利用阵列丰富的时频域信息,该文提出一种两阶段特征融合深度神经网络,在第一阶段将阵列分为若干个子阵,将每个子阵分别用阵列深度神经网络进行处理,在第二阶段将第一阶段的各子阵处理结果与阵列接收信号同时输入一个深度神经网络进行融合学习。实验表明,所提出的单阵元和两阶段融合深度神经网络取得了显著优于常规波束形成的恢复结果,能够准确估计目标信号波形和功率并显著提高输出信噪比。     

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。     

不完全量测下长基线系统的水下目标跟踪算法

针对不完全量测情况下长基线系统对水下目标跟踪精度会下降的问题,提出了最小二乘-容积卡尔曼滤波(Least Squares-Cubature Kalman Filter,LS-CKF)算法。选取容积卡尔曼滤波(Cubature Kalman Filter,CKF)为基本跟踪算法并将其改进为两步滤波模式.增加的第1步滤波使用最小二乘估计优化时间更新阶段的容积点,提高了第2步滤波中量测更新的精度。进一步推导了量测信息为距离时新算法的简化形式,降低了运算复杂度,使其能更好地应用于水下跟踪系统.仿真实验和湖试数据的处理结果表明,在丢失量测数据较多且初始状态误差很大的恶劣情况下,LS-CKF收敛速度比标准CKF算法提升了1倍,且跟踪误差降低10%以上。     

高功率激光装置打靶精度测试技术

多路激光打靶精度在惯性约束聚变实验中起着至关重要的作用,提出了基于X光针孔相机的激光打靶精度测试方法。根据显微镜读取的靶平面坐标系的靶孔中心坐标及打多孔靶后X光针孔相机所记录的靶孔中心坐标,建立靶平面坐标系和X光针孔相机坐标系之间的转换关系;通过打焦斑靶,建立焦斑模板,采用套模板的方法,读取X光针孔相机坐标系中焦斑中心坐标;由靶平面坐标系和X光针孔相机坐标系之间的转换关系,求出靶平面坐标系中焦斑中心坐标,计算得到激光打靶精度,分析打靶精度测试结果的不确定度,从而给出多路激光打靶精度测量技术和方法。     

高功率激光装置打靶精度测试技术

 多路激光打靶精度在惯性约束聚变实验中起着至关重要的作用,提出了基于X光针孔相机的激光打靶精度测试方法。根据显微镜读取的靶平面坐标系的靶孔中心坐标及打多孔靶后X光针孔相机所记录的靶孔中心坐标,建立靶平面坐标系和X光针孔相机坐标系之间的转换关系;通过打焦斑靶,建立焦斑模板,采用套模板的方法,读取X光针孔相机坐标系中焦斑中心坐标;由靶平面坐标系和X光针孔相机坐标系之间的转换关系,求出靶平面坐标系中焦斑中心坐标,计算得到激光打靶精度,分析打靶精度测试结果的不确定度,从而给出多路激光打靶精度测量技术和方法。     

改进频域均衡算法的水声CDMA通信

针对时域均衡和传统频域均衡复杂度高的特点,本文基于水声信道的特殊性,对于码分多址(CDMA)水声扩频技术,提出改进的频域均衡算法,大大的减少了计算量和寄存器使用的数量,从而简化了硬件复杂度。本文定量的分析了传统的、简化的和改进的频域均衡算法的计算量和寄存器使用数量,并进行了湖试验证了改进频域均衡算法的性能。     

水下低频声信号的激光探测及波的衰减

为了探测几十赫兹的低频水下声信号,建立了水下低频声信号的光学探测系统,得到了稳定、清晰的衍射图样.得到了衍射图样的宽度与声源距离的变化关系,声源距离越小,衍射图样越宽.当水下声波传至水表面后,实验上得到了表面声波的衰减特性,理论上得到了衍射图样的角宽度和液体表面波振幅的解析关系式.发现表面波振幅的衰减随距离是指数型衰减.并研究了衰减系数随频率的变化,频率不同衰减系数也不同,而且频率越大,衰减系数越小.