座底式长基线水声跟踪系统校阵方法研究

为了解决座底式长基线水声跟踪系统的高效校阵问题,结合工程项目实际提出一种智能化分组并行校阵方法。该方法利用水下基阵布阵施工时获得的水声及差分全球定位系统(Differential Global Positioning System,DGPS)测量数据为基准,在校阵试验中采用多个水下基阵分组并行校阵的快捷方式,根据自动反馈的测量数据进行校阵误差收敛测量,当满足事先设定的校准误差后,获得水下基阵的精确位置信息,同时完成多个水下基阵的阵型校准。最后,在某水域采用跑船试验的方式进行验证。长基线系统测量的船只航行轨迹与DGPS轨迹重合性好,证明该方法具有智能化程度高、测量精度高、测阵效率及经济性好等优点,具有较高的军事及民用价值。     

超短基线声学定位系统的校准技术研究

超短基线声学定位系统的应用开发和技术研究在现代海洋科学调查中起着重要作用。在安装超短基线定位系统进行水下声学定位测量过程中,很难保证换能器中心与测量船重心之间三坐标轴完全重合,即存在系统偏差,这些是导致超短基线系统定位误差的一个重要原因,必须对其进行校准。将GPS与水下声学定位系统有效结合起来,应用空间测距交会的方法确定水下应答器坐标位置,通过不同坐标系之间的转换关系,精确求出换能器与测量船之间的系统偏差,完成声学定位系统的安装校准。现场实例表明,该校准方法简单、快捷、有效。     

小波变换在水声定位数据后置处理中的应用

水声定位系统在工作过程中由于受到环境噪声和多途信号的干扰会导致定位结果出现异常跳变点即野值。提出一种水声定位数据后置处理方法,该方法首先对目标原始定位轨迹进行预处理,然后利用小波变换的方法对预处理后的轨迹进行野值剔除和滤波平滑,得到新的目标轨迹。利用该方法对某长基线水声定位系统海上试验数据进行轨迹平滑,并与卡尔曼滤波轨迹平滑结果对比,对比结果证明了该方法的有效性。     

船载式水声定位系统信号处理改进算法研究

针对船载式水声定位系统的特点,在座底式等常规水声定位系统信号处理算法的基础上,对船载式系统可能出现的声脉冲叠加现象进行仿真分析,证明常规算法存在丢失数据的可能性,并且常规算法对声信号幅度变换较快的情况难以适应。提出一种并行实时数字信号处理算法,允许每块数据拥有不同的属性,并采用数据匹配方法进行后置冗余处理,获得有效数据。经过湖上跑船试验证明,该算法具有更高的检测率,并能提高跟踪轨迹的平滑性和真实性,具有较高的工程应用价值。     

基于近场测量法的水声换能器声场重建方法研究

为了提高对水声换能器声场分析的效率,开展了基于近场测量法的水声换能器的声场重建方法研究,首先将水声换能器的全息测量面近似为等效声源面,通过积分得到声场重建模型,然后利用自主研发的水下声场测量系统获得发射换能器全息测量面的复声压,实现对其声场的重建,最后比较不同全息测量面的重建结果和实测数据,并分析全息测量面的位置对重建结果的误差影响,得到了重建方法的有效测量区间。该声场重建方法可快速得到水声换能器的声场分布,并且准确可靠。     

基于座底式水声网络节点的跟踪测试技术研究

为了满足水下航行体的大范围水下定位跟踪测试要求,针对基于座底式水声网络节点的跟踪测试技术进行深入研究。设计了一种紧凑型水声网络节点,该节点采用卧式安装结构,可通过水声或光电信号进行回收控制,具有结构轻便、布放效率高、回收可靠等特点。利用该水声网络节点,串行布放在某水域组成座底式长基线跟踪测试系统,该系统具备定位跟踪、航行参数遥测等功能。针对其定位跟踪及航行参数遥测功能进行湖上跑船试验,试验结果证明,该系统定位跟踪精度高,航行参数遥测功能可靠,遥测误码率低,总体覆盖范围大,可广泛应用于水下航行体的定位跟踪、导航测试等,具有较高的工程实用价值。     

弹载记录仪回收无线电定位系统

针对现有弹载记录仪回收方法存在的效率低、功耗大等不足,设计应用于弹载记录仪回收的新型低功耗无线电搜寻定位系统。该无线电搜寻定位系统搭载于无人机,主要由无线通信模块、GPS定位模块、Flash存储模块、中央控制模块等构成。载有信标装置的弹载记录仪着地后,无线通信模块接收信标发射的无线电波,GPS定位模块定位无人机对应坐标,中央控制模块将无线电信号强度值和对应GPS坐标存储于Flash芯片,无人机工作一定时间后返回,上位机读取存储信息,利用RSSI定位算法和三边测量方法估算信标位置,从而快速回收弹载记录仪。通过定点模拟试验验证该定位系统的可实现性,为以后的弹载记录仪回收提供有效的方法。     

高精度定位标定系统水下基准方位误差分析

水下基准(换能器)位置的精确测量是高精度定位标定系统的关键技术,它的方位精度直接影响到水声定位系统定位误差的计量。通过详细分析了水下基准安装柱扰曲形变、GPS定位误差、罗经测向误差、纵倾横摇角测量误差对高精度定位标定系统水下基准位置的影响。通过合理的工程数据假设,提出选用误差小于0.15m的高精度GPS,则水下基准的误差将稍大于0.3m的结论,为工程应用上的误差控制提供了可参考的理论数据。     

适用于MAUV的变基线定位系统

为了满足多关节潜器(MAUV)在深海进行精细化探测的需要,实现其在基线长度实时变化的情况下仍能进行高精度定位,设计并实现了一种适用于MAUV的变基线定位系统。该定位系统通过水听器阵列获得潜标发射的线性调频(LFM)水声信号,利用同步时延估计算法得到时延信息;辅助以光纤陀螺仪、关节转角传感器数据,通过基线解算算法更新基线长度及姿态参数;结合温盐深仪、多普勒计程仪数据,利用变基线定位算法计算得到MAUV的三维位置坐标。通过基于Bellhop的定位仿真及消声水池实验验证,结果表明该定位系统具有稳定性强、定位精度高的优点,其定位精度优于斜距的1%,能满足MAUV在深海工作的定位要求。     

水声测量用声脉冲瞬态抑制方法的理论研究

水声测量用声脉冲瞬态抑制方法是根据所希望的发射信号对换能器等效电路进行反向推导,得到解析的激励电压波形,用该电压波形激励换能器,可在小空间水域中得到无瞬态过程的声压波形,用于对低频换能器的校准或声学材料性能的测量。     

水下目标定位标校系统研究

为了给出水下目标的精确大地坐标,设计了以浮筒作为载体的水下目标定位标校系统,具有灵活方便的优点。研究了影响系统定位误差的相关因素,并分析了系统综合定位精度,编写了标校系统显控软件,将差分GPS数据和方位姿态数据进行数据处理,解算出水下基准位置坐标。对标校系统进行了陆上验证试验,结果表明作为模拟目标的水下位置基准定位误差小于1m,可为水声定位系统提供海上定位校验的位置标准。     

声学多普勒测速仪标校技术研究

为了提高声学多普勒测速仪输出速度的准确度,安装过程中测速基阵与载体之间的偏差角不可忽略,安装偏差角包括航向偏角,横摇角及纵摇角三类。介绍了一种三维空间上的多普勒标定技术,通过高精度的GPS导航仪以及多普勒测速仪对海底测速,利用速度比值差校准航偏角。通过纵向剖面的几何关系,从航偏角出发进而获得纵摇角和横摇角的大小,完成了三维方向上多普勒测速仪的校准,使多普勒测速仪坐标系与载体坐标系能够进行精确转换,从而提高了声学多普勒测速仪输出速度的准确度。外场试验较好地证明了该方法的有效性,分析结论看出在二维平面上,造成误差的原因主要在于安装偏角的航向偏角,而在三维空间上,尤其垂向速度,误差主要由纵摇角和横摇角产生。该方法可以快速地对三维安装偏角进行校准,运算量小,并且在对海水测速后续研究中可以形成一套体系。     

Position and time-delay calibration of transducer elements in a sparse array for underwater ultrasound imaging

This paper describes a novel method for the calibration of the position and time delay of transducer elements in a large, sparse array used for underwater, high-resolution ultrasound imaging. This method is based on the principles used in the global positioning system (GPS). However, unlike GPS, in which the wave propagation speed is generally assumed known, the sound propagation speed in the water usually is unknown and it is calibrated simultaneously in this method to achieve high calibration accuracy. In this method, a high-precision positioning system is used to scan a single hydrophone (used for transmission) in the imaging field of the array. The hydrophone transmits pulses at selected positions, and the transducer elements in the sparse array receive the transmitted signals. Time of flight (TOF) values between transducer elements and hydrophone positions then are measured. From a series of measured TOF values, the position and time delay values for each transducer element as well as the propagation speed can be calibrated. The performances of the calibration algorithm are theoretically analyzed and evaluated with numerical calculations and simulation studies. It is found that this method is capable of calibrating the positions and time delays of transducer elements with high accuracy.     

Single- and double-difference algorithms for position and time-delay calibration of transducer-elements in a sparse array

A method for the calibration of the position and time delay of transducer elements in a large, sparse array used for underwater, high-resolution, ultrasound imaging has been described in a previous work. This algorithm is based on the direct algorithm used in the global positioning system (GPS), but the wave propagation speed is treated as one of the to-be-calibrated parameters. In this article, the performance of two other commonly used GPS algorithms, namely the single-difference algorithm and the double-difference algorithm, is evaluated. The calibration of the propagation speed also is integrated into these two algorithms. Furthermore, a novel, least-squares method is proposed to calibrate the time delay associated with each transducer element for these two algorithms. The performances of these algorithms are theoretically analyzed and evaluated using numerical analysis and simulation study. The performance of the direct algorithm, the single-difference algorithm, and the double-difference algorithm is compared. It was found that the single-difference algorithm has the best performance among the three algorithms for the current application, and it is capable of calibrating the position and time delay of transducer elements to an accuracy of one-tenth of a wavelength.     

舰船尾流侧向声检测方法

舰船尾流声检测是水下航行体实现自动搜索、跟踪、攻击水面舰艇目标的最有效途径之一,当前工程应用和相关研究主要集中于从尾流下方实施的顶视声尾流检测方法.为了进一步研究水下航行体新型尾流检测技术,提高尾流自导性能及抗干扰能力,研究了舰船尾流的侧向声散射检测方法.分析了舰船尾流的几何特性和声特性,进行了实验室模拟尾流的气幕声散...     

一种新型声隔离系统

水声换能器的收／发声隔离度决定了很多水声设备的性能优劣。介绍了一种新型声学隔离系统,该系统改变了声障板的设计思路,使换能器的收／发声串漏得到明显降低。通过偶极子原理,提出了一种提高收／发声学隔离度的方案。利用有限元仿真手段,计算并验证了该种方案的有效性。参照仿真模型,制作了一套声隔离系统样机,在1个倍频程的频带内,该系统的收／发声隔离度大于40dB。该声隔离系统提高了现有水下声目标模拟设备的性能。     

应答器发射与控制电路的设计与实现

应答器通常在水下测量、定位与导航等领域发挥着不可或缺的作用,针对某项目对水下测量用应答器在长效性、实时控制等方面的需求,设计了应答器的发射与控制电路。发射电路采用集成音频功率放大器TAS5412作为主体电路,并结合换能器的阻抗特性以及调谐匹配方法,实现宽带高效匹配;通过单片机以及I2C总线对发射机的工作状态进行控制。该应答器既可根据遥控指令与参数,选择预存信号波形进行应答,也可以实时计算应答的信号波形,使用灵活方便,应答声源级可控。湖上和海上试验的结果表明,该应答器发射与控制电路工作稳定可靠,满足长效使用的工程应用需求。